1、TMC246 微步驱动芯片的原理与应用（苏州钧信自动控制有限公司 高伟）摘 要：TMC246 是一款双全桥驱动器 IC，适用于双极步进电机控制。用户可选择 105高温运行或每相 1.5A 的大电流工作类别的产品。该产品具有电流消耗低、效率高的特点，并提供了内部 DAC，可实现微步进调节和智能控制功能，强化电机和驱动器的冷却。该器件还能通过串行接口(SPI)或模/数输入信号进行控制，并集成了短路、过热、欠压和过压保护功能。关键词： 双全桥； SPI； PWM； DAC；1TMC246 的主要性能TMC246 是一款双全桥驱动芯片，适用于双极性步进电机的驱动。内部集成专利技术无传感器的失速检测功能
2、可用在无需外部传感器的位置控制中；该功能还可以预测电机的超载情况，适用于需要高可靠性的场合。芯片内部集成 MOSFETs，采用独特的 Low-RDS-ON 技术达到低功耗，高效率性能，强化电机和驱动器的自身冷却无需外部的散热设备，即使在外部环境温度很高的情况下也可以实现 1.5A 的驱动电流输出。TMC246 的低功耗，高效率，体积小的设计理念使其成为嵌入式运动控制甚至电池供电设备的完美选择，内部集成的 DAC 功能可实现对电流的微步控制，TMC246 可通过 SPI 串行接口或模拟/数字信号输入控制，另外该芯片还具有短路，过温，欠压，过载等保护功能。 集成无传感器的失速探测功能（StallG
3、uard）和负荷测量功能 通过简单便捷的 SPI 串行总线控制或外部模拟/数字信号控制 短路，过温，过压保护功能 内部集成 4bitDAC 自身可实现 16 倍的微步细分功能通过 SPI 可扩展到 64 倍细分 可以实现通过外部的模拟信号来实现任意的细分控制 具有实现电机平滑控制的混合衰减功能 通过单一电容或外部的时钟实现频率的编程控制 7V-34V 电机驱动电压 高达 1.5A 的电机驱动电流，即使在外部温度 105时也可以输出 0.8A 的电流 3.3 或 5V 的数字控制电压 低功耗，高效率的 RDS-ON 电源设计2TMC246 封装方式（1） IC 没有按照汽车标准进行测试，但是完全
4、可以用应在汽车行业依照其温度范围。3TMC246 的引脚功能 引 脚 功 能VS 电机电压输入VCC 3.0-5.5V 逻辑电压 AGND 模拟地INA A 相模拟电流控制SCK 串行接口时钟输入SDI 串行数据输入ENN 使能（低电平有效）ANN 模拟控制使能BL1、2 延迟时间选择OA1、2 全桥 A 相输出VSA、B A/B 桥电压引 脚 功 能VT 和 GND 短接GND 电源地OSC 时钟输入INB A 相模拟电流控制SDO 串行数据输出CSN 片选信号输入SPE SPI 使能SLP 斜波控制电阻SRA、B A/B 电流检测电阻OB1、2 全桥 B 相输出BRA、B A/B 桥检测电
5、阻4TMC246 内部结构及工作原理TMC246 通过串行总线 SPI 控制。通过 SPI 数据设置两相线圈的电流和极性，通过接收到的数字描述正弦波和余弦波，TMC246 可以输出微步脉冲控制电机，每个微步都是根据SPI 的数据产生，如果配合使用 TMC428（3 轴控制芯片）可以自动产生 SPI 指令和控制电机的波形，实现 3 轴电机的控制。下图是发送至 TMC246 串行数据格式下图是从 TMC246 发出的串行数据格式下图是线圈电流的设定电机的电流值完全依据标准的 4 位 DAC，当重新上电之后或通过 ENN 取消使能后所有的寄存器的值为 0，此时电机处于低电流的待命状态，所有的 SPI
6、 输入都具有施密特触发器功能在 SPI 模式下通过 INA，INB 控制基准电流，在 SPI 模式下芯片可以通过外部的参考电压实现每路的 DAC，此功能适合不同的电机，可以通过将引脚 ANN 和 GND 短接实现这个模式。输入 2V 的电压对应 100%的线圈电流，不同的 DAC 电流设置取决与外部的电压输入。Standby 和 shutdown 模式。可以通过外部认为或内部自动将 IC 的电路设置为低消耗的Standby 待命模式，在芯片进入 Standby 模式之前，TMC246 将关闭所有的功率驱动输出，在 Standby 模式下震荡器失能，震荡器的引脚处于低电平状态。Standby 模
7、式的再次使能可以通过 2 种不同的方式实现当是使用 SPI 模式控制时可以通过串行接口实现使能；当在非SPI 模式时可以通过 ENN 引脚来实现。Shutdown 模式可以更进一步地减少电流的输出，只有通过上拉 ENN 使其处于高电平来通过 SPI 方式使能 Shutdown 模式，当在 Shutdown模式模式下内部所有的参考电压关闭 SPI 电路处于复位状态。可以通过控制输出电流实现节约能量，减少热量产生，减少电机上的热应力提高控制精度，在电机停止时可以将电机线圈的电流减少至我们需要的值。StallGuard 功能：TMC246 具有专利技术失速检测功能，该功能可以通过串行接口以数字形式将
8、电机当前的负载读出来，在电机运动过程中读出的电机负载的值将会以 3bit 的数值反应出来，电机上的负载越大所读出负载的值将越小。无需外部传感器实现位置控制。在不使用外部开关或光电传感器的情况下电机可以寻找到某一个位置点。5保护功能过流保护和诊断功能。TMC246 使用电流传感电阻检测是否过流，只要检测的电压超过0.61V，PWM 立刻停止，桥上的晶体管全部关闭，错误寄存器自动加一；比较电路的高电平侧检测到与 GND 短路或者过流，无论何时 VS 和 VT 之间的电压高于 0.15V 时，所有的晶体管将会处于关闭状态。过流信号可以通过 ENN 消除或通过发送电流的设置 “0000”过温保护个诊断
9、。在温度过热的情况下电路将关闭所有晶体管的输出。过温信号可以监控，当温度低于极限温度时电路重新恢复工作状态，所以如果想延长芯片的使用寿命，应该避免在高温环境中使用。6.系统的构成采用 RAM 或简单，廉价的单片机做系统的微处理器，结合 TMC428 和驱动芯片TMC246 构成 3 轴步进电机的控制和驱动， TMC246 内部本身集成了 HVCMOSFET 构成的双桥驱动电路，采用恒流斩波驱动方式来驱动双极性两相步进电机，并具有功耗低，效率高的优点。整个系统如下图所示 由上图可见，采用专用步进电机运动控制器和驱动电路组成的系统具有外围电路简单、系统抗干扰能力强和可靠性高等优点，可减少控制电路的开发成本。整个系统除了电源之外只有 5 个 IC，因此，体积小，控制简单，特别适用于 3 轴步时电机的驱动。实验证明该驱动器控制的步时电机定位精度高，加、减速性能良好，同时，启停、反转性能也很优良。被广泛应用于安防设备，仪器仪表，办公自动化等众多领域。另外为了便于客户提高系统的控制精度 TRINAMIC 还开发出了可以构成三轴闭环控制的编码器处理芯片 TMC423 可以接收 3 轴增量式编码器输入。
