基于THB7128驱动步进电机应用电路设计

来源:用户上传      作者:朱承志

　　摘 要：步进电机在医疗设备领域的应用越来越广泛，针对细分驱动步进电路，优化设计THB7128的外围电路，实现可设定细分数，驱动电流，对步进电机精确控制，为步进电机在医疗设备领域的应用提供性能可靠的驱动电路板。
　　关键词：步进电机;THB7128;驱动电路;细分驱动
　　Abstract：Stepper motor is more and more widely applied in the field of medical equipment，in view of the subdivided driving stepper circuit，the optimization design of THB7128 peripheral circuit，realize fine fraction can be set，drive current，accurate control，the stepper motor for the application of step motor in the field of medical equipment to provide reliable performance of the drive circuit board.
　　Key words：Stepper motor;THB7128;Driving Board;Micro Stepping
　　
　　 步进电机采用电子换向，只要控制输入脉冲信号的开关、频率和数量，就可以控制步进电机的启动、停止、速度、线性位移量或角位移量等[1]。步进电机以其价格便宜、易于实现速度和精确定位控制、无累积误差等特点，在医疗设备的精确控制方面获得广泛应用。
　　1 二相四线步进电机的细分驱动（micro stepping）
　　通过调节PWM宽度，控制各相绕组中的电流，使它们按一定的规律增加或减小，即在零电流到最大电流之间形成多个稳定的中间电流状态，相应的合成磁场矢量的方向也将存在多个稳定的中间状态，驱动电机微动，即θ/N（N为细分数）[2]。在医疗设备领域中，步进电机采用细分驱动，可以显著改善步进电机综合使用性能，运行时具有小步距、低振动和低噪音的优点。
　　2 THB7128主要功能与参数设置[3]
　　CLK为脉冲输入端子，上升沿输出励磁step。CW/CCW为电机正反转控制端子，低电平时，正转，高电平时，反转。细分设定端子（M1、M2、M3），L为低电平，H为高电平。调整VREF端子的电压值，可设定驱动电流值，依据下面的公式计算。
　　3 电路设计
　　3.1 输入端电路
　　如图1所示，输入端口有三组信号输入：CP+/CP-，DIR+/DIR-，EN+/EN-;其中CP+/CP-通过高速光电耦合器6N137与THB7128的CLK端子连接;DIR+/DIR-，EN+/EN-各自通过一个光电耦合器EN817与THB7128的CW/CCWT，ENABLE端子连接。三组信号采用光电耦合器有效隔离的前后级的直流电源及高频干扰。三组输入信号用户可以根据需要采用共阳极接法或共阴极接法。
　　
　　3.2 驱动电流及细分数设置电路
　　如图2所示，R35经过拨码开关的6、5、4选择与R36、R37、R38是否并联，再与R34串联分压，通过设置拨码开关6、5、4的通断，可以改变VREF端子参考电压大小（NFA/B接0.22欧姆电阻），从而设置驱动电流的大小。
　　如图2所示，拨码开关的3、2、1一端与分别THB7128的M1、M2、M3连接，通过上拉电阻接VCC+5V;另一端与GND连接。通过设置拨码开关6、5、4的通断，可以设置THB7128的细分数。
　　3.2.1 电源
　　如图3所示，电源入口处串接一个肖特基二极管SS24预防电机感生电压反串电源;接100uF和0.1uF两个电容对电源进行滤波，减小杂波对电路的干扰。
　　如图4所示，采用LM317输出电压可调的三端稳压集成芯片，合理选择R22和R23的电路参数，使输出电压为稳定的5V，再与发光二极管D21并联，作为电源电路工作指示灯。
　　3.2.2 驱动输出
　　如图5所示，每个输出端子与地之间需并联一个电阻，其作用是减弱毛刺对芯片的损坏。并联电阻大小取决于电机驱动电压（VM），以电机驱动电压24V为例，电阻为R=24/5mA，可取5.1K。
　　3.2.3 芯片其他电路
　　如图6所示，在靠近15脚（VCC）、14脚（VM）管脚处各放置1个0.1uf的电容，滤除电源的高频杂波脉冲，减小杂波对电路的干扰。设定斩波频率为100kHz，所以在OSC1和GND端子之间串接100pF电容。由前可知NFA，NFB需外接0.22欧姆的检测电阻，应选择5W的大功率电阻。
　　4 PCB板设计注意事项
　　PCB设计时原理图中的滤波电容都不能少，建议每个电源的并联电容尽量靠近引脚端。
　　PCB设计中最要注意是地線处理。如图7所示，THB7128的1、6、10引脚必须先并连，然后与检测电阻接地端连接，再连接到滤波电容负极。
　　如图7所示加粗的黑线、四个输出端子与输出端口间的连接线、并联的电阻连接线PCB布线时尽量加粗，其中芯片与检测电阻的铜线长度最好小于1cm。以上敷铜线安全间距要大于0.381mm，最好采用0.5mm。
　　为更好地散热，提高芯片工作效率和稳定性，建议在THB7128下方开散热孔，最好采用横卧的方式，两排引脚一排贴装在顶板，另一排贴装在底板。
　　按以上优化参数设计的电路，按PCB注意事项设计制作的THB7128驱动板经实际测试，能够稳定可靠地按照使用者的设置高效控制电机驱动电流和细分数。
　　参考文献：
　　[1]胡维庆.基于PIC单片机的步进电机驱动系统研究[J].机电产品开发与创新，2016，29（03）：109-111+61.
　　[2]程院莲.浅析步进电机、伺服电机和舵机的区别[J/OL].轻工科技，2020（01）：36-37+62[2020-01-15].
　　[3]左岐，张涛，贾守强.基于THB7128和PLC的步进电机快速定位系统设计[J].中国科技信息，2012（12）：177+187.
　　作者简介：朱承志（1976-），硕士研究生，副教授，电气控制。
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