ZHCSRF9A December   2022  – October 2023 DRV8461

PRODUCTION DATA  

  1.   1
  2. 1 特性
  3. 2 应用
  4. 3 说明
  5. 4 修订历史记录
  6. 5 引脚配置和功能
  7. 6 规格
    1. 6.1 绝对最大额定值
    2. 6.2 ESD 等级
    3. 6.3 建议的工作条件
    4. 6.4 热性能信息
    5. 6.5 电气特性
      1. 6.5.1 SPI 时序要求
      2. 6.5.2 STEP 和 DIR 时序要求
    6. 6.6 典型特性
  8. 7 详细说明
    1. 7.1 概述
    2. 7.2 功能方框图
    3. 7.3 特性说明
      1. 7.3.1  运行接口
      2. 7.3.2  步进电机驱动器电流额定值
        1. 7.3.2.1 峰值电流额定值
        2. 7.3.2.2 均方根电流额定值
        3. 7.3.2.3 满量程电流额定值
      3. 7.3.3  PWM 电机驱动器
      4. 7.3.4  微步进分度器
      5. 7.3.5  分度器输出
        1. 7.3.5.1 nHOME 输出
      6. 7.3.6  自动微步模式
      7. 7.3.7  自定义微步进表
      8. 7.3.8  电流调节
        1. 7.3.8.1 内部基准电压
      9. 7.3.9  静止省电模式
      10. 7.3.10 电流调节衰减模式
        1. 7.3.10.1 慢速衰减
        2. 7.3.10.2 混合衰减
        3. 7.3.10.3 智能调优动态衰减
        4. 7.3.10.4 智能调优纹波控制
        5. 7.3.10.5 PWM 关断时间
        6. 7.3.10.6 电流调节消隐时间和抗尖峰脉冲时间
      11. 7.3.11 使用外部电阻器进行电流检测
      12. 7.3.12 静音步进衰减模式
      13. 7.3.13 自动扭矩动态电流调节
        1. 7.3.13.1 自动扭矩学习例程
        2. 7.3.13.2 电流控制环路
        3. 7.3.13.3 PD 控制环路
      14. 7.3.14 电荷泵
      15. 7.3.15 线性稳压器
      16. 7.3.16 VCC 电压电源
      17. 7.3.17 逻辑电平、三电平和四电平引脚图
      18. 7.3.18 展频
      19. 7.3.19 保护电路
        1. 7.3.19.1  VM 欠压锁定
        2. 7.3.19.2  VCP 欠压锁定 (CPUV)
        3. 7.3.19.3  逻辑电源上电复位 (POR)
        4. 7.3.19.4  过流保护 (OCP)
          1. 7.3.19.4.1 锁存关断
          2. 7.3.19.4.2 自动重试
        5. 7.3.19.5  失速检测
        6. 7.3.19.6  开路负载检测 (OL)
        7. 7.3.19.7  过热警告 (OTW)
        8. 7.3.19.8  热关断 (OTSD)
          1. 7.3.19.8.1 锁存关断
          2. 7.3.19.8.2 自动重试
        9. 7.3.19.9  电源电压检测
        10. 7.3.19.10 nFAULT 输出
        11. 7.3.19.11 故障条件汇总
      20. 7.3.20 器件功能模式
        1. 7.3.20.1 睡眠模式
        2. 7.3.20.2 禁用模式
        3. 7.3.20.3 工作模式
        4. 7.3.20.4 nSLEEP 复位脉冲
        5. 7.3.20.5 功能模式汇总
    4. 7.4 编程
      1. 7.4.1 串行外设接口 (SPI) 通信
        1. 7.4.1.1 SPI 格式
        2. 7.4.1.2 用于菊花链配置的多个目标器件的 SPI
        3. 7.4.1.3 用于并行配置的多个目标器件的 SPI
    5. 7.5 寄存器映射
      1. 7.5.1 状态寄存器
        1. 7.5.1.1 FAULT（地址 = 0x00）[默认值 = 00h]
        2. 7.5.1.2 DIAG1（地址 = 0x01）[默认值 = 00h]
        3. 7.5.1.3 DIAG2（地址 = 0x02）[默认值 = 00h]
        4. 7.5.1.4 DIAG3（地址 = 0x03）[默认值 = 00h]
      2. 7.5.2 控制寄存器
        1. 7.5.2.1  CTRL1（地址 = 0x04）[默认值 = 0Fh]
        2. 7.5.2.2  CTRL2（地址 = 0x05）[默认值 = 06h]
        3. 7.5.2.3  CTRL3（地址 = 0x06）[默认值 = 38h]
        4. 7.5.2.4  CTRL4（地址 = 0x07）[默认值 = 49h]
        5. 7.5.2.5  CTRL5（地址 = 0x08）[默认值 = 03h]
        6. 7.5.2.6  CTRL6（地址 = 0x09）[默认值 = 20h]
        7. 7.5.2.7  CTRL7（地址 = 0x0A）[默认值 = FFh]
        8. 7.5.2.8  CTRL8（地址 = 0x0B）[默认值 = 0Fh]
        9. 7.5.2.9  CTRL9（地址 = 0x0C）[默认值 = 10h]
        10. 7.5.2.10 CTRL10（地址 = 0x0D）[默认值 = 80h]
        11. 7.5.2.11 CTRL11（地址 = 0x0E）[默认值 = FFh]
        12. 7.5.2.12 CTRL12（地址 = 0x0F）[默认值 = 20h]
        13. 7.5.2.13 CTRL13（地址 = 0x10）[默认值 = 10h]
        14. 7.5.2.14 CTRL14（地址 = 0x3C）[默认值 = 58h]
      3. 7.5.3 索引寄存器
        1. 7.5.3.1 INDEX1（地址 = 0x11）[默认值 = 80h]
        2. 7.5.3.2 INDEX2（地址 = 0x12）[默认值 = 80h]
        3. 7.5.3.3 INDEX3（地址 = 0x13）[默认值 = 80h]
        4. 7.5.3.4 INDEX4（地址 = 0x14）[默认值 = 82h]
        5. 7.5.3.5 INDEX5（地址 = 0x15）[默认值 = B5h]
      4. 7.5.4 自定义微步进寄存器
        1. 7.5.4.1 CUSTOM_CTRL1（地址 = 0x16）[默认值 = 00h]
        2. 7.5.4.2 CUSTOM_CTRL2（地址 = 0x17）[默认值 = 00h]
        3. 7.5.4.3 CUSTOM_CTRL3（地址 = 0x18）[默认值 = 00h]
        4. 7.5.4.4 CUSTOM_CTRL4（地址 = 0x19）[默认值 = 00h]
        5. 7.5.4.5 CUSTOM_CTRL5（地址 = 0x1A）[默认值 = 00h]
        6. 7.5.4.6 CUSTOM_CTRL6（地址 = 0x1B）[默认值 = 00h]
        7. 7.5.4.7 CUSTOM_CTRL7（地址 = 0x1C）[默认值 = 00h]
        8. 7.5.4.8 CUSTOM_CTRL8（地址 = 0x1D）[默认值 = 00h]
        9. 7.5.4.9 CUSTOM_CTRL9（地址 = 0x1E）[默认值 = 00h]
      5. 7.5.5 自动扭矩寄存器
        1. 7.5.5.1  ATQ_CTRL1（地址 = 0x1F）[默认值 = 00h]
        2. 7.5.5.2  ATQ_CTRL2（地址 = 0x20）[默认值 = 00h]
        3. 7.5.5.3  ATQ_CTRL3（地址 = 0x21）[默认值 = 00h]
        4. 7.5.5.4  ATQ_CTRL4（地址 = 0x22）[默认值 = 20h]
        5. 7.5.5.5  ATQ_CTRL5（地址 = 0x23）[默认值 = 00h]
        6. 7.5.5.6  ATQ_CTRL6（地址 = 0x24）[默认值 = 00h]
        7. 7.5.5.7  ATQ_CTRL7（地址 = 0x25）[默认值 = 00h]
        8. 7.5.5.8  ATQ_CTRL8（地址 = 0x26）[默认值 = 00h]
        9. 7.5.5.9  ATQ_CTRL9（地址 = 0x27）[默认值 = 00h]
        10. 7.5.5.10 ATQ_CTRL10（地址 = 0x28）[默认值 = 08h]
        11. 7.5.5.11 ATQ_CTRL11（地址 = 0x29）[默认值 = 0Ah]
        12. 7.5.5.12 ATQ_CTRL12（地址 = 0x2A）[默认值 = FFh]
        13. 7.5.5.13 ATQ_CTRL13（地址 = 0x2B）[默认值 = 05h]
        14. 7.5.5.14 ATQ_CTRL14（地址 = 0x2C）[默认值 = 0Fh]
        15. 7.5.5.15 ATQ_CTRL15（地址 = 0x2D）[默认值 = 00h]
        16. 7.5.5.16 ATQ_CTRL16（地址 = 0x2E）[默认值 = FFh]
        17. 7.5.5.17 ATQ_CTRL17（地址 = 0x2F）[默认值 = 00h]
        18. 7.5.5.18 ATQ_CTRL18（地址 = 0x30）[默认值 = 00h]
      6. 7.5.6 静音步进寄存器
        1. 7.5.6.1 SS_CTRL1（地址 = 0x31）[默认值 = 00h]
        2. 7.5.6.2 SS_CTRL2（地址 = 0x32）[默认值 = 00h]
        3. 7.5.6.3 SS_CTRL3（地址 = 0x33）[默认值 = 00h]
        4. 7.5.6.4 SS_CTRL4（地址 = 0x34）[默认值 = 00h]
        5. 7.5.6.5 SS_CTRL5（地址 = 0x35）[默认值 = FFh]
  9. 8 应用和实施
    1. 8.1 应用信息
    2. 8.2 典型应用
      1. 8.2.1 设计要求
      2. 8.2.2 详细设计过程
        1. 8.2.2.1 步进电机转速
      3. 8.2.3 应用性能曲线图
      4. 8.2.4 热应用
        1. 8.2.4.1 功率损耗
        2. 8.2.4.2 导通损耗
        3. 8.2.4.3 开关损耗
        4. 8.2.4.4 由于静态电流造成的功率损耗
        5. 8.2.4.5 总功率损耗
        6. 8.2.4.6 器件结温估算
  10. 9 散热注意事项
    1. 9.1 散热焊盘
    2. 9.2 PCB 材料推荐
  11. 10电源相关建议
    1. 10.1 大容量电容
    2. 10.2 电源
  12. 11布局
    1. 11.1 布局指南
    2. 11.2 布局示例
  13. 12器件和文档支持
    1. 12.1 文档支持
      1. 12.1.1 相关文档
    2. 12.2 接收文档更新通知
    3. 12.3 支持资源
    4. 12.4 商标
    5. 12.5 静电放电警告
    6. 12.6 术语表
  14. 13机械、封装和可订购信息

封装选项

机械数据 (封装 | 引脚)
散热焊盘机械数据 (封装 | 引脚)
订购信息

7.3.12 静音步进衰减模式

传统的峰值电流模式控制通过检测 MOSFET 中的瞬时电流来确定驱动和衰减持续时间。因此，电机驱动器会对系统中的瞬时误差做出反应。这些突然的电流变化会导致电机发出可闻噪声。

为了确保步进电机实现无噪声工作，DRV8461 具有静音步进衰减模式。静音步进是一种电压模式 PWM 调节方案，用于消除因 PWM 在静止和低速时切换而产生的噪声。因此，静音步进电机应用非常适合 3D 打印机、医疗设备和工厂自动化等低噪声工作至关重要的应用。

注：

当器件以静音步进衰减模式运行时 -

  • 开路负载故障检测仅在电机处于运动状态时有效，而在电机处于静止状态时无效。
  • 不支持失速检测。
  • 禁用展频功能。

静音步进环路专为低带宽运行而设计，因此在电机中速至高速运行时，衰减模式可以切换回由 DECAY 位编程的其中一个传统电流模式衰减方案。从静音步进转换到其他衰减模式是即时发生的，而从其他衰减模式转换到静音步进则会在电气半个周期的边界处发生。

图 7-18 展示了静音步进衰减模式实施的方框图：

GUID-20220604-SS0I-B7GJ-ZNLX-05RKSGCWPQX3-low.svg图 7-18 静音步进方框图

表 7-23 展示了与静音步进衰减模式相关的 SPI 寄存器参数。

表 7-23 静音步进参数表

参数

说明

EN_SS

当 EN_SS 为 1b 时，静音步进衰减模式将被启用。在线圈 A 和线圈 B 中的电流分别过零之后，器件开始以静音步进跃运行。将 0b 写入 EN_SS 会禁用静音步进衰减模式，而衰减模式会根据衰减位设置发生变化。

SS_PWM_FREQ[1:0]

表示静音步进衰减模式下的 PWM 频率 (FPWM)。

  • 00b = 25kHz（默认）

  • 01b = 33kHz

  • 10b = 42kHz

  • 11b = 50kHz

PWM 频率越高，开关损耗越高。
SS_SMPL_SEL[1:0] 静默步进电流过零采样时间。默认值为 2μs。如果电流波形在过零附近失真，请增加采样时间。

  • 00b = 2μs（默认）

  • 01b = 3μs

  • 10b = 4μs

  • 11b = 5μs

SS_KP[6:0]

表示静音步进 PI 控制器的比例增益。范围为 0 至 127，默认值为 0。

SS_KI[6:0]

 表示静音步进 PI 控制器的积分增益。范围为 0 至 127，默认值为 0。

SS_KP_DIV_SEL[2:0]

KP 的分频器因子。实际 KP = SS_KP/SS_KP_DIV_SEL。

  • 000b - SS_KP/32（默认值）

  • 001b - SS_KP/64
  • 010b - SS_KP/128
  • 011b - SS_KP/256
  • 100b - SS_KP/512
  • 101b - SS_KP/16
  • 110b - SS_KP

SS_KI_DIV_SEL[2:0]

KI 的分频器因子。实际 KI = SS_KI/SS_KI_DIV_SEL。

  • 000b - SS_KI/32（默认值）

  • 001b - SS_KI/64
  • 010b - SS_KI/128
  • 011b - SS_KI/256
  • 100b - SS_KI/512
  • 101b - SS_KI/16
  • 110b - SS_KI

SS_THR[7:0]

 对器件从静音步进衰减模式转换到由 DECAY 位编程的其他衰减模式的频率进行编程。该频率对应于正弦电流波形的频率。
  • 00000001b = 2Hz
  • 00000010b = 4Hz
  • .
  • .
  • 11111111b = 510Hz（默认值）

要将 SS_THR 阈值转换为指定微步进设置的 STEP 频率 (fSTEP)，应使用方程式 14：

方程式 6. fSTEP = (SS_THR * 1000 * usm)/256

其中，usm 对应于微步进数（4、16、256 等）。如果器件以自定义微步进模式运行，则在计算 STEP 频率时将 usm = 256 代入方程式 14。

下方展示了静音步进环路的增益与频率间的关系图：

GUID-20220606-SS0I-CJGC-PTG3-MHBNJC0ZTM6C-low.svg图 7-19 静音步进增益与频率间的关系

环路传递函数具有两个极点和一个零点：

  • 一个极点在原点处
  • 一个极点 (fP)，由电机线圈电阻和电感产生：
    方程式 7. fP = RMOTOR/(2 * π * LMOTOR)
  • 一个零点 (fZ)，由 PI 环路产生
    方程式 8. fZ = (KI * FPWM)/(2 * π * KP)

应选择比例增益 KP 以实现所需的环路增益。请使用以下公式来计算 KP -

方程式 9. KP = 6 * π * UGB * LMOTOR / VM

其中，UGB 是环路的单位增益带宽，RMOTOR 是电机线圈电阻，LMOTOR 是电机线圈电感，IFS 是满量程电流，而 VM 是电源电压。

  • 如果任何频率小于 UGB，则允许通过。
  • 高于 UGB 的频率（例如 PWM 频率或 STEP 频率）会进行衰减，不会导致电机噪声。
  • 对于 UGB，200Hz 是不错的选择，这样可以衰减可闻范围内的大多数频率。
  • 如果电源电压发生变化，可通过修改 KP 值来更改 UGB。这样一来，便可以在各种工作条件下实现类似的音频噪声抑制。
  • 如果零点选择的频率低于电机极点，则 UGB 将增加，如增益与频率间的关系图所示。

应放置零点以消除电机极点。通过使 fP 和 fZ 相等来实现离散化实施，可使用以下公式来计算 KI。

方程式 10. KI = KP * RMOTOR/(FPWM * LMOTOR)

例如，请考虑以下用例：

  • VM = 24 V
  • IFS = 3 A
  • RMOTOR = 0.9Ω
  • LMOTOR = 1.2mH
  • UGB = 200Hz
  • FPWM = 25kHz
  • 在 50RPM 以上时，衰减模式应从静音步进更改为智能调优纹波控制。

使用前面的公式可以得到，KP = 0.1885 且 KI = 0.00566。可以设置以下寄存器值：

  • SS_KP = 0110000b = 48
  • SS_KI = 0000011b = 3
  • SS_KP_DIV_SEL = 011b = 1/256
  • SS_KI_DIV_SEL = 100b = 1/512
  • 50RPM 对应于 1/256 微步进时约 42.6kpps，相当于正弦电流波形的 42Hz 频率。因此 SS_THR = 00010101b = 21。

以下示波器截图展示了电机在静音步进衰减模式下运行时的平滑正弦线圈电流波形。

GUID-20220604-SS0I-TFCD-VZZ1-2NHNPXBG1VN2-low.png图 7-20 静音步进衰减模式下的线圈电流波形

SS_SMPL_SEL 位会影响过零点附近的电流波形平滑度。2μs 采样时间的默认值适用于大多数电机和应用。如果在过零附近观察到电流波形失真，则采样时间的值可以增加到最大值 5μs。以下示波器截图显示了从静音步进衰减模式转换到采样时间为 5μs 的智能调优纹波控制衰减模式的示例。

GUID-20221202-SS0I-JMLH-GSVX-BL5XQXHLGLV6-low.png图 7-21 静音步进至智能调优转换. 从上到下的布线：AOUT2、AOUT1、线圈 A 电流、线圈 B 电流、nSCS
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