TA7289步进电动机微步距驱动器

由日本东芝公司生产的TA7289步进电动机驱动集成电路，采用PWM电流斩波控制，可用来控制一相绕组电流的幅值和方向。利用两片TA7289集成电路可用于两相混合式步进电动机的微步距驱动，应用于硬盘、打印机、传真机、复印机等设备的控制和驱动。

本集成电路采用两种封装方式：P型是14脚双列直插式塑料封装；F型是20脚双列扁平封装。图5-25表示了TA7289P的内部原理框图和典型应用的连接。

本电路最高电源电压为30V,输出相电流峰值为1.5A,连续电流为0.7A。信号输入端是TTL电平兼容。

从原理框图可见，它内部主要组成部分是：振荡器(OSC)、4bit的D/A转换器、PWM比较器、逻辑门电路、H桥功率开关。

它是一个双极性驱动电路，绕组电流的大小和极性取决于从1脚输入的基准电压VREF和从11~14脚输入的4bit数据。流经绕组的电流流过7脚外接的电流检测电阻Rs.产生压降经RF、CF低通滤波器滤去噪声后，从5脚输入到PWM比较器的反相输入端。从D/A转换器来的电流指令信号送入比较器的同相输入端，同时输入的还有从振荡器来的锯齿波信号。从比较器获得PWM信号用来调制H桥的输出，使绕组电流跟随电流指令的变化而变化，实现了电流的斩波控制。

利用4bitD/A转换能力，可将绕组电流分为16等份。但对两相步进电动机微步距驱动，通常采用两相电流按正弦和余弦规律变化的方案。这样，利用固定的VREF电压，双输入INA和INs控制，可以设计出每周期16细分的运行方式，见表11-10。

TA7289在硬盘驱动器中应用则采用另一方案。将该芯片的D/A转换器闲置，11～14脚均接+5V,利用主计算机输出两相电流的并行数据，送给两个8bit的外接D/A转换器，使相电流分辨率提高到25bit。

两片同时使用时，要把它们的4脚连接在一起，在一片的4脚上接电容器即可，使两芯片的斩波频率同步。外接电容C(μF)决定了振荡器的频率f(kHz)。

如图中C=0.037μF,可计算得f=1.26kHz。

5.9IXMS150高性能双PWM步进电动机微步距控制器

美国IXYS公司生产的IXMS150是一种高性能CMOS单片集成电路，它有两路PWM输出，可用来驱动外接的两路独立的H桥电路，并进行精确的电流闭环控制，因此，它特别适合于两相步进电动机的微步距控制。利用其高精度电流控制，步进电动机细分控制可做到每步细分超过250个微步。对于常见的200步

/r两相混合式步进电动机，可实现5000微步/。这样不但大大改善了步进电动机系统的运动分辨率，而且明显减少了低速速度纹波和谐振现象。它也可以用来控制两台直流电动机，用于机器人、打印机、绘图机、X-Y平台等两坐标的位置伺服控制。利用IXMS150集成电路，不但减少了外围元件、印制电路板面积和设计时间，从而降低整个系统的成本，同时也提高了系统的可靠性。

1.特点

·双通道同步的PWM输出

·宽调制频率范围20～400kHz

·输入电流指令的电压范围士2.0V(满刻度)

·反馈电流信号的电压范围±0.625V(满刻度)·两通道增益偏差1%(可由外电路调整)

·增益线性度1.6%

·用前馈补偿电动机电源的变化

·每个H桥只需一个电流检测电阻·两级电流限制

·有欠电压保护

·对交流耦合基极(栅极)驱动的占空比限制·宽范围的死区时间设定

·有负电压电源产生

·可由单极性电源供电

2.引脚功能说明IXMS150是24脚DIP封装。引脚功能说明见表5-14。表的引脚号列中有括号的表示B相通道的引脚号，相应的无括号的引脚号是A相通道的。

表5-14IXMS150引脚功能说明

3.基本组成部分和工作原理从图5-26可见，本集成电路由五个主要部分组成：

·振荡器和前馈补偿电路

·控制电动机电流的模拟电路

·对H桥或电动机的非正常情况保护电路

·PWM电路

·产生负偏压电路

现分别说明如下

(1)振荡器：内部振荡器的振荡频率f。由外接R。和C。整定。此两参数决定了振荡器开关频率、死区大小以及9、10、15、16脚输出信号的最小脉冲宽度。推荐R。使用范围为15～100kΩ,Co的范围为100～2000pF。

振荡器频率可依下式计算：

死区时间：

tDT=RpT(C。+Cp)

最小脉冲宽度：

tpw=Rπp(C₀+Cp)

式中Cp-——寄生电容，Cp≈38pF;

RDT-—内部电阻.Rpr≈1.4kΩ;Rmp——内部电阻，Rmp≈3.6kΩ。

(2)前馈补偿：对于固定频率的PWM控制系统，其开环增益、电机电流变化速度、电流纹波都和供电电源电压成正比。由于增益随电源电压而变化，使这种系统难以设计。若考虑最坏情况设计、则限制了带宽。为此，本集成电路内采用了前馈技术进行补偿，使开环增益与FFWD(7脚)电压信号成反比关系。此电压从电源电压经分压取得，从而系统的开环增益就和电源电压无关，使系

统的带宽可设计得大一些。

该集成电路中，振荡器输出的幅值和整个系统增益都被FFWD电压调制。此电压通常取3.5V。引入前馈控制时，如图5-27所示，从电动机电源电压VHv以电阻分压取得FFWD的电压VFP。同时接滤波电容CFpwD,滤去从VHy来的杂波。电容量的选择是使它和R://Rf₂决定的滤波器时间常数，能滤去主电路的开关频率噪声，但又不会改变120Hz的纹波。后者是指在60Hz电网供电时，VHv可能有的正常纹波分量。

(3)电流控制的模拟电路：IXMS150有两个完全相同的通道，即A相和B相通道。每个通道的模拟电路部分包括信号处理和误差放大器(E/A)。因为从电流检测电阻来的信号总会包含功率级开关电路的瞬变成分，必须对这一信号进行处理、滤波，使系统能工作达到期望的精度。因此，IXMS150使用了专利的模拟和数字信号处理技术，获得真正的相电流平均值。在每个H桥接电流采样电阻，实际电流信号和控制电流指令信号在误差放大器中比较，误差经放大和积分后送至PWM比较器，为H桥产生脉冲调宽控制信号。由COMP1、COMP2、COMP3外接阻容网络进行校正和补偿。

(4)保护电路：该集成电路的保护功能包括过电流关机、最大最小占空比报警、欠电压锁定死区时间插入以及过热、其他外电路故障控制关机。

该集成电路设有两档过电流保护。对应于允许峰值电流，在SENSE上的电压以0.625V为代表。若此处电压超过0.9V,经1ms后，VouT和OUTDIS将被强迫为低电平。它表示电动机电流已超过允许值40%。如果SENSE上的电压增至3.6V,Vour马上变为低电平。此时相当于电流增大了5倍。对第一个限流门槛需要一定时延才动作，这是为了避免采样传感电路噪声或偶然尖峰脉冲引起的误操作。这里，门槛电压值是指电源电压为12V时的情况。

欠电压封锁功能是保证电源接通和关断过程系统正常工作，

避免H桥功率开关因控制电源不正常而引起损耗的增大。它利用一个齐纳二极管检查电源电压VDD是否在8V以上，检查负偏压VB是否达到要求值(典型值应为-1.6V)。杏则，OUTDIS为低电平，表示欠电压封锁状态。直至Vpo和VBB达到正常值才转为高电平，表示系统进入了正常运行状态。

OUTDIS端也可以外接诸如过热保护电路或其他外界故障信号，当故障信号为低电平时，系统输出关断。

(5)PWM电路：由振荡器信号和误差放大器输出信号控制，在PWM比较器产生两个互补PWM信号，然后插入了一定的死区时间，电路中还包括了最小占空比限制电路，这是使用交流耦合H桥电路所必需的，详见应用电路说明。

(6)电源电路：该集成电路典型供电电压VDD=12V。内部产生一个等于Vp/2的基准电压，接至8脚(BYPASS)。常用0.1μF电容连接于8脚和模拟地，以减少噪声干扰。

(7)负偏压产生电路：在某些H桥电路中，电动机电流采样电阻上的电压信号可能是双极性的，要求IXMS150接收。此外，输入指令信号的零漂也是微步距位置误差的主要原因，故希望取输入控制指令电压是双极性的，范围是±2V。由于上述原因，最好本IC采用正负电源供电。为了节省系统成本，使本IC也能在单电源下正常工作，电路设置了一个负偏压发生器。它实际上是一个充电泵电路，交变信号来自振荡器。由外接两个电容器和两个二极管电路产生约等于-VDp/5的负偏压。当VDD=12V时，VBB约为-2.4V。负载能力为3mA。当振荡器频率f=100kHz时，推荐电容值为

C₁=0.047μFC₂=100μF

对于其他频率的情况，取

二极管可用1N914或1N4148。

4.在步进电动机微步距控制中的应用对于两相混合式步进电动机，如果用两相正弦波电流代替一般使用的方波电流供给相绕组；则有

iA=I₀cosθiB=I₀sinθ

各自产生的转矩为

TA=KpiA=K,I₀cosθ

TB=KiB=K₀Iosinθ

由于两相空间位置是正交的，两转矩的合成转矩T=TAcosθ+Tpsinθ=KI。

上式说明，以两相正弦波电流供电时，理想情况下，合成转矩与位置无关，没有转矩波动。上述思想为步进电动机微步距控制的基本原理。问题在于如何以数字方法产生正弦电流。

IXMS150用于微步控制，需要由外部电路产生两相正交正弦电流指令信号(模拟量),从VINA和VINs输入。图5-28给出一种方案。由一个可逆计数器、两个EPROM和DAC组成参考电流波形发生电路。在EPROM中分别写入正弦和余弦函数表。步进指令信号正转脉冲和反转脉冲分别从UP和DOWN端输入，送给计数器进行加减计数，计数器输出作为地址码读EPROM的函数

表，再由DAC转换成正余弦电压信号。也可以采用其他办法，例如由微处理器完成，只需外接两个DAC,由软件产生数字正余弦函数。

在由IXMS150组成的两相步进电动机微步距控制系统中，还需要外接两个H桥驱动电路。每个H桥有两个P沟道的MOS-FET(VF₁和VF₂)和两个N沟道MOSFET(VF和VF₄)。本例，VF、VF₂采用IRF9530,VF₃、VF₄采用IRF532。它们并联有快速二极管VD₁、VD₂(用MUR1610CT)和VD₃、VD.(用MUR410)。栅极驱动采用数字集成电路并联，以提供较大的电流能力，U₁用4049B,U₂用4050B。其特点是利用交流电容耦合(0.047μF),简化了栅极驱动电平转移电路，有较高效率，适用于

电机电源电压VHv从12V到数百伏。其缺点是，对PWM的占空比有限制，不能用到极限值。本电路规定了PWM的最小输出脉宽为0.5μs。在100kHz时，占空比变化允许范围是5%～95%。如果调制频率取得低一些，允许范围可以拓宽。

H功率桥供电电压为VHv、在VF₁和VF₄导通工作时，电机绕组上的电压V≈VH,在VF₂和VF₃导通工作时，Vm≈-VHv。在不同的PWM占空比(DUTY),电机绕组电压的平均值Vm被控制。

Vmav=2VHv(0.5—DUTY)

从而双向控制了绕组的电流。

由6脚和19脚外接500电位器，调节两通道的增益和增益平衡。由4脚外接50kΩ电位器，调节输入级的失调电压。21脚亦可如此设置。

每个H桥的电流检测电阻Rs依下式计算：

Rs=0.625/Impk

式中Impk-—电动机绕组峰值电流。