Pololu TB67S128FTGステッピングモータドライバボード

東芝 TB67S128FTG マイクロステッピング・バイポーラステッピングモータドライバを、簡単に使えるようにしたブレイクアウトボードです。電流を変更できる高効率定電流制御と1/128ステップまでのマイクロステッピング機能を搭載。さらに、モータ電流を監視し動的に制御する脱調防止機能や、モータの負荷が軽いときは制御電流を自動的に調整し消費電力と発熱を最小限に抑える機能があります。6.5V～44Vの広い動作電圧範囲で、ヒートシンクなど強制冷却なしで連続約2.1A、ピーク5Aまで供給できます。過電流、過熱、負荷オープン検出機能が内蔵されています。このブレイクアウトボードには、逆電圧保護（最大40V）も追加されています。

製品概要

東芝 TB67S128FTGステッピングモータドライバ用のブレイクアウトボードです。ご使用前に、TB67S128FTGデータシート（2MB PDF 日本語）を十分に読むことをおすすめします。このステッピングモータドライバは、最小ステップ1/128のステップ分解能があり、ヒートシンクや強制空冷なしで1相あたり連続最大約2.1A（ピーク5A）の1台のバイポーラステッピングモータを制御できます（詳細は、「消費電力の検討」の章をご覧ください。）。基板には、TB67S128FTGの全ての制御ピンと出力ピンが取り出されており、ユーザが全ての機能を利用できるようになっています。

ブレイクアウトボードの主な機能は次の通りです。

• 2種類のインタフェースモード
  • 基本的なステップと方向を制御するクロックモード（CLKモード）
  • 多機能なドライバーの制御するシリアルモード（シリアルモードでは、電流制限も制御できます。）
• 8つのステップ分解能： フルステップ（2相励磁）、1/2ステップ、1/4ステップ、1/8ステップ、1/16ステップ、1/32ステップ、1/64ステップ、1/128ステップ
• 電流制御の最大電流出力をポテンショメータで設定できます。ステッピングモータの定格電圧を超える電圧を使用し、より速いステップレートが可能になります。
• 4つの電流回生モード： 高速回生と低速回生の混合回生（2つのタイミング比）と、高速回生のみ、電流回生状況を監視し動的切替のAdvanced Dynamic Mixed Decay（ADMD）
• 調整できるActive Gain Control（AGC）により、最大トルクが不要な状況下で、自動的に駆動電流を削減し消費電力と発熱を最小限に抑えます。
• モータ供給電圧： 6.5V～44V
• 1相ごとに連続最大約2.1A（ピーク5A）供給可能（追加冷却無し）
• 3.3V系と5V系システムへ直接接続できるインタフェース
• 過電流、短絡、過熱保護機能
• 負荷オープン検出
• アクティブLowエラー出力機能（過電流、過熱、負荷オープン）
• ブレイクアウトボードでは最大40Vまでの逆電圧保護機能
• TB67S128FTGの全ピンの端子が取り出されていて小型サイズ（30.5×40.7mm）
• 基板裏面にドライバーICの下にハンダ付けできる接地パッド

ハードウェア

製品写真の通り、全ての表面実装部品は実装済です。ただし、付属のスルーホール部品はハンダ付けが必要です。次のスルーホールの部品が付属しています。

• 1×16ピン 分割ピンヘッダ 2本
• 2ピン 3.5mm端子台（基板電源とモータ用） 3個
• ジャンパーピン 1個 （5V系ドライバーを使用する場合に、オプションでIOREFを横のVCCピンに接続するため）

オスの分割ピンヘッダは、必要に応じて折ったりカットして小さいスルーホールへハンダ付けすることで、ブレッドボードや0.1インチコネクタを取付けて使用できるようになります。端子台は、大きな穴へハンダ付けして使用します。電源線やモータ線を一時的に接続するのに便利です。（取付け方はショートビデオも参考にしてください。）最もコンパクトに使うなら、モータなどのワイヤを直接はんだ付してください。

ドライバの使い方

電源接続

VINとGND間で6.5V～44Vのモータ電源が必要です。そして、ステッピングモータへ供給する電流を十分に出力できる必要があります。

TB67S128FTG内蔵レギュレータの5V出力は、VCCピンから使用できます。この出力は、外部負荷5mAまで供給でき、オプションで横のIOREFピンへ電源を供給するために使用できます。

モータ接続

適切に接続することで、TB67S128FTGでは4線、6線、8線式のステッピングモータを駆動できます。詳細はFAQをご覧ください（英語）。

警告： ドライバに電源が供給されているときに、ステッピングモータを接続または切断すると、ドライバが破損することがあります。（通常、電源が入ってる状態で再配線すると、トラブルが発生します。）

ピン配置

ステップ分解能（マイクロステップ）

ステッピングモータには通常ステップサイズ仕様（たとえば1.8°や200ステップ/回転）があり、フルステップの時に回転する角度幅になります。TB67S128FTGなどのマイクロステップドライバは、中間ステップの位置が取り扱え、より高分解能で制御できます。たとえば、1/4ステップモードでモータを制御すると、4つの異なる電流レベルにより、1回転200ステップのモータを、1回転800マイクロステップで制御します。

励磁設定端子・ステップ分解能（ステップサイズ）設定（MODE0、MODE1、MODE2）では、次の表に従い8つのステップ分解能から選択できます。これらの3つの端子は、100kΩのプルダウン抵抗が内蔵されていて、3つの励磁設定端子を切断したままにすると、フルステップモードになります。マイクロステップモードが正しく機能するためには、電流制限が有効になるように電流制限を十分に低く設定する必要があります（「電流制限」を参照）。さもなくば、中間の電流レベルが正しく維持されず、モータにマイクロステップが適用されません。

回生モード（減衰モード）

TB67S128FTGは、次の表に従いMDT0/MDT1ピンを使用して選択できる4つの異なる回生モード（減衰モード）をサポートします。 これらのピンには両方とも100kΩのプルダウン抵抗が内蔵されているため、デフォルトの回生モードは37.5％の混合回生です。

これらの高効率定電流制御の詳細についてはデータシートをご覧ください。おおくのアプリケーションでは、高効率定電流制御 (ADMD: Advanced Dynamic Mixed Decay)機能が有効になる、両方のMDTピンをHighに接続することをおすすめします。

入力制御と状態出力

CLK（STEP）入力されるパルスの立ち上がりエッジが、CW/CCW（DIR）ピンで指定した方向のステッピングモータの1マイクロステップに対応します。両方の入力は、標準で内部100kΩプルダウン抵抗でLowになっています。一方向の回転だけが必要なときは、CW/CCWを切断したままにしておくことができます。

ICには、電源状態を制御するために、/STANDBYとENABLEの2つの入力があります。（ICのデータシートではSTANDBYという名前ですが、動作のロジックに基づいて基板上のピンを/STANDBYと呼びます。）これらの電源状態の詳細については、データシートをご覧ください。ドライバは、内部の100kΩプルダウン抵抗により、両方の端子がLowに設定されていることに注意してください。これらの端子は、標準状態ではドライバが動作しません。ドライバを有効にするためには、両方ともHighにする必要があります（ドライバのVCC出力など、2 V〜5.5 VのロジックHigh電圧を直接接続するか、MCUのデジタル出力へ接続して動的に制御できます）。

RESETピンがHighになると、ドライバは内部電気角（出力している遷移テーブルの状態）を初期値45°にリセットします。これは、フルステップモードの両コイルを電流制限+100％、およびマイクロステップモードの両コイルを+71％に設定するのと同等です。多くのステッピングドライバのリセットピンとは異なり、TB67S128FTGのRESETピンは動作してもモータ出力を無効にしません。RESETがHighのとき、ドライバはモータに電流を供給し続けますが、CLKピンの入力ステップには応答しません。

MOピンは、ドライバ内部の電気角が初期値45°に等しくなった時に、Lowになります（リセット直後、およびドライバーが遷移テーブルを1周進んだとき）。それ以外のときは、IOREFにプルアップされています。

TB67S128FTGは、LOピンの1つまたは両方をLowにして障害（エラー）状態を出力します（データシートに、LO0とLO1の各組み合わせの意味が記載されています）。それ以外のときは、これらのピンは基板内でIOREFにプルアップされます。エラーはラッチされるため、出力はオフのまま、エラーフラグが立てられたままになり、/STANDBYピンを使用してスタンバイモードを切り替えるか、ドライバーへの電源を切断するまでエラーがクリアされません。

電流制限

速いステップレートを実現するために、モータ電源は、動的な電流制限機能がなくとも仕様より高い電圧になります。たとえば、典型的なステッピングモーターで、5Ωのコイル抵抗で最大電流定格が1Aのとき、最大モータ電圧は5Vになります。このようなモータを10Vで制御すると、より速いステップレートが実現できますが、モータの損傷を防ぐために、電流を1A未満に制限する必要があります。

TB67S128FTGは動的な電流制限をサポートしており、基板上のトリマポテンショメータ（半固定抵抗）にて電流制限値を設定できます。

通常は、ドライバの電流制限値をステッピングモータの定格電流以下に設定します。電流制限値を確認する1つの方法は、ドライバをフルステップモードにし、STEP入力で回転させず、単一のモータコイルに流れる電流を測定します。測定された電流は、電流制限値に等しくなります（両方のコイルが常にオンであり、フルステップモードの電流制限設定の100%に制限されているため）。

電流制限値を確認する別の方法として、VREF電圧を測定し、計算により電流制限値を求ることができます。VREF電圧は、VREFピンで測定できます。ドライバのRS_SELとGAIN_SELピンは、標準でLowに設定されており、内部電流検出により、電流制限値を次式でVREFから求められます。

電流制限値 = VREF × 1.56 × A / V : (GAIN_SEL = L)

たとえば、定格1Aのステッピングモータで、基準電圧を0.64Vにすると、1Aの電流制限に設定できます。

GAIN_SELがHighのとき、VREFゲイン（乗数）は半減し、電流制限とVREFの関係は次のようになります。

電流制限値 = VREF× 0.78× A / V : (GAIN_SEL = H)

ドライバは内部電流検出の代わりに、外部の検出抵抗を使用してモータ電流を測定できます。 外部測定を使用するには、RS_AとRS_Bピンを隣のGNDピンから切断し、各RSピンとGNDの間に適切な抵抗を実装し、RS_SELピンをHighにします。このモードでの電流制限の設定は、TB67S128FTGデータシートをご覧ください。

注：コイル電流は、電源電流と大きく異なる可能性があるため、電源で測定した電流から電流制限を設定しないでください。電流計を取付ける適切な場所は、ステッピングモータコイルと直列にしてください。ドライバがフルステップモードのとき、両方のコイルが常にオンになり、電流制限設定の100％に限定されます（フルステップモードで約70％に制限する他のドライバーとは異なります）。 ドライバがマイクロステップモードであるときは、コイルを流れる電流が、設定された制限の0％から100％の範囲でステップごとに変化します。Active Gain Controlがアクティブなときは、実際のモータ電流はさらに減少します。 詳細については、ドライバのデータシートをご覧ください。

TB67S128FTGは、電流制限のデジタル制御用に3つの入力（TORQE0、TORQE1、TORQE2）があり、VREF電圧で設定された電流制限に10％〜100％（標準）の乗数を設定できます。これらの設定の詳細については、ドライバのデータシートをご覧ください。

Active Gain Control（脱調防止機能）

TB67S128FTGにはActive Gain Control（AGC）と呼ばれる機能があり、モーターに加わる負荷トルクを検出し、電流を動的に減らすことでモータ電流を自動的に最適化します。モータの負荷が軽いときは消費電力と発熱を最小限に抑えることができ、ドライバが負荷の増加を感知すると、脱調を防止するために電流を急速に最大値まで増やします。

AGCは、基板の下端にある6つのピン（AGC、CLIM0、CLIM1、FLIM、BOOST、LTH）で設定でき、LTHを除くすべてのピンは裏面の表面実装ジャンパーに接続されており、外部部品や外部接続なしで再設定できます。各ピンの機能と入力ステートの詳細については、ドライバのデータシートをご覧ください。

標準では、AGCとCLIM0は10kΩの抵抗でIOREFにプルアップされています。各ジャンパーのパッド間にある配線を切断すると、ICの内部100kΩプルダウンによりLowになります。または、対応するスルーホールから、シンプルに制御したり、Lowに設定できます。

CLIM1、FLIM、およびBOOST（BST）は4ステートロジック入力で、VCCへのHigh接続、100kΩ抵抗でHighへプルアップ、100kΩ抵抗でLowへプルダウン、またはGNDへのLow接続ができます。ブレイクアウトボードは、標準で各ピンを100kΩプルアップ抵抗によりVCCに接続しています。下の図に示すように、VCCパッドと「R」ラベルの付いたパッド（100kΩ抵抗を介して接続されたピン）の間の配線を切断してから、目的のパッドとショートして別の状態を選択する必要があります（ただし、配線を切断せずにピンをVCCまたはGNDに接続することで、100kΩのプルアップを無効にすることもできます）。

次の表に、ブレイクアウトボードのAGC設定ピンの標準状態と効果を示します。

最後に、基板ではLTHピンを100kΩ抵抗でLowへプルダウンすることで、通常のAGC検出しきい値を設定しています。

消費電力の検討

TB67S128FTGドライバICの最大電流定格は、1コイルあたり5Aですが、実際に供給できる電流は、ICをどれだけ冷却できるかで変わります。ブレイクアウトボードのプリント基板は、ICから熱を逃がすように設計されていますが、コイルへ仕様を超える連続電流を供給するためには、ヒートシンクまたは他の冷却方法が必要です。

この製品は、過熱異常検出前でもやけどするほど熱くなることがあります。本体や接続された他の部品の取扱いに注意してください。

一般に、電源側で消費電流を測定しても、コイル電流の正確な測定値は得られないことに注意してください。ドライバへの入力電圧は、コイル電圧より大きくなる可能性があるため、電源側で測定される電流はコイル電流よりもかなり小さくなるときがあります（ドライバとコイルは基本的に降圧型スイッチング電源のように動作します）。 また、モータの設定電流に必要な電圧と比較して供給電圧がとても高いとき、PWMのデューティサイクルはとても低くなり、平均電流とRMS電流に大きな差が生じます。さらに、コイル電流は設定された電流制限が機能しますが、コイルを流れる実際の電流はマイクロステップごとに変化するため、電流制限設定とは必ずしも一致せず、Active Gain Control（AGC）が有効なときはさらに減少します。

回路図

PDF版回路図もダウンロードできます。

仕様

• 動作電圧： 6.5V～44V
• 供給電流： 連続2.1A/相 / ピーク 5.0A/相
• ロジック電圧： 2V～5.5V
• マイクロステップ分解能： フル, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32, 1/64, 1/128
• 電流制限制御： 可変抵抗・ポテンショメータ、デジタル、SPIプログラム
• 保護機能： 過電流保護、短絡保護、過熱保護、逆電圧保護(～40V)
• サイズ： 30.5 x 40.7mm
• 重量： 5.7g
• 対応規格： RoHS 3

メーカ情報

• 製造元： Pololu Corporation （メーカーWebサイト）
• メーカー型番： 2998
• 英語商品名： TB67S128FTG Stepper Motor Driver Carrier
• 参考価格： 13.95USドル（税・送料抜き・2020年1月29日時点）

販売店

• 朱雀技研工房ストア

資料

• TB67S128FTGステッピングモータドライバボード外形図（PDF）
• TB67S128FTGステッピングモータドライバボード3Dモデル（STEP形式）
• 東芝 TB67S128FTG Webページ
• 東芝 TB67S128FTG データシート