Pololu TB67S128FTGステッピングモータドライバボード

2019-09-21 Pololu

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

TB67S128FTG ステッピングモータドライバへマイコンを接続する最小限の配線

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

ピン	標準設定	説明
VIN		基板電源接続10V～47V（逆電圧保護は40Vまで）
GND		モータと制御ピンのGND接続点。制御元とモータドライバは必ずGNDを共有しなければいけません。
VM		逆電圧保護MOSFET後のモータ電源へ直接接続できます。（「回路図」をご覧ください。）システム内の他の部品へ逆電圧保護電源を供給するのに使用できます。通常は出力として使用しますが、基板への電源供給にも使用できます。
A+		モータ出力： A相コイル＋
A-		モータ出力： A相コイル－
B+		モータ出力： B相コイル＋
B-		モータ出力： B相コイル－
VCC		5V定電圧出力：TB67S128FTG内部レギュレータからの電源端子です。レギュレータは数mAしか供給できないため、VCC出力は、外部デバイスへの電源供給ではなく、基板上のロジック入力（隣のIOREFピンなど）へのみ使用してください。
IOREF		基板上の信号出力はすべてオープンドレイン出力のため、IOREFへプルアップされています。このピンに制御システムのロジック電圧を供給する必要があります（3.3V系で使用する場合は3.3Vを接続）。5V系で使用されている場合は、横のV5（OUT）ピンへ接続できます。
VREF		定電流基準電圧入力端子。ポテンショメータが接続されています。詳細は「電流制限」をご覧ください。
MODE0, MODE1, MODE2	LOW	励磁設定端子。ステップ分解能設定
CW/CCW (DIR)	LOW	回転方向設定端子
CLK (STEP)	LOW	ステップクロック入力端子。入力の立ち上がりエッジにより、ドライバはモータを1ステップまたはマイクロステップ進めます。（遷移テーブルでコイル電流を1ステップ上下に遷移します）
/STANDBY	LOW	スタンバイ端子。標準では、ドライバでLowに設定されており、モータ出力と内部発振回路を無効にします。ドライバを有効にするには、Highにする必要があります。
ENABLE	LOW	出力ON/OFF 切り替え端子。標準では、ドライバでLowに設定されており、モータ出力を無効にします。ドライバを有効にするには、Highにする必要があります。
RESET	LOW	電気角初期化端子。この端子をHighにすると、ドライバの内部電気角（遷移テーブルの状態）がリセットされます。
MO		電気角モニタ端子。ドライバ内部の電気角が初期値（リセット後の値）の時にLowとなり、それ以外は基板のIOREFへプルアップされます。
LO0, LO1	HIGH	エラー検出フラグ出力端子。エラー状態が発生したのを示すためLowになります。通常は、IOREFへプルアップされています。特定のエラーは、2つのエラー端子の状態で判別できます。
IF_SEL	LOW	インタフェース選択端子。標準では、ドライバでLowに設定されており、CLKモードに設定されています。CLKモードでは、CLK入力によりステッピングモータの電気角を進めます。Highに設定すると、シリアルインタフェースからモータを制御します。
RS_SEL	LOW	RS モード選択端子。標準では、ドライバでLowに設定されており、内部電流検出が有効にされています。Highに設定すると、RS_xピンに追加した外部抵抗を介して電流を検出されます。
EDG_SEL	LOW	CLK エッジ設定端子。標準では、ドライバでLowに設定されており、CLK入力の各立ち上がりエッジでドライバがステップを実行（モータの電気角を進める）します。Highに設定すると、ドライバは、CLK入力の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジの両方でステップを実行します。
GAIN_SEL	LOW	Vref Gain 設定端子。詳細は「電流制限」をご覧ください。
AGC	HIGH	Active Gain Control 設定端子。Active Gain Controlを有効にするかを決めます。詳細は、「Active Gain Control（脱調防止機能）」の章とデータシートをご覧ください。
CLIM0, CLIM1	HIGH 100 kΩプルアップ	AGC 電流リミッタ端子。AGCが有効なときの下限（最小）電流制限を設定します。CLIM0は2ステート、CLIM1は4ステート入力です。
FLIM	100 kΩプルアップ	AGC 周波数リミッタ設定端子。ACGが有効になるための下限周波数制限（最小ステップレート）を設定します。4ステート入力です。
BOOST	100 kΩプルアップ	AGC 電流ブースト設定端子。AGCが有効な状態で、ドライバが負荷トルクの増加を検出した後に、モータ電流が通常の制限までブーストされる段階数を設定します。4ステート入力です。
LTH	100 kΩプルダウン	AGC しきい値設定端子。AGC検出しきい値（トルク検出感度）を設定します。
MDT0, MDT1	LOW	Mixed Decay/ADMD 設定端子。「回生モード（減衰モード）」の章をご覧ください。
TORQE0, TORQE1, TORQE2	LOW	トルク設定端子。「電流制限」の章をご覧ください。
RS_A, RS_B		電流センス抵抗接続。オプションで外部電流検出抵抗を追加できます。「電流制限」の章をご覧ください。

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。

MODE2	MODE1	MODE0	マイクロステップ分解能
Low	Low	Low	フルステップ（2相励磁）
Low	Low	High	1/2ステップ（1-2相励磁）
Low	High	Low	1/4ステップ（W1-2相励磁）
Low	High	High	1/8ステップ（2W1-2相励磁）
High	Low	Low	1/16ステップ（4W1-2相励磁）
High	Low	High	1/32ステップ（8W1-2相励磁）
High	High	Low	1/64ステップ（16W1-2相励磁）
High	High	High	1/128ステップ（32W1-2相励磁）

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。

MDT1	MDT0	回生モード	説明
Low	Low	37.5% 混合回生	各PWMサイクルにおいて、スロー電流回生で開始し、最後37.5%時点で高速電流回生へ切替えます。
Low	High	50% 混合回生	各PWMサイクルにおいて、スロー電流回生で開始し、最後50%時点で高速電流回生へ切替えます。
High	Low	高速電流回生
High	High	Advanced Dynamic Mixed Decay (ADMD)	電流回生状態を監視することで、低速回生モードと高速回生モードを動的に切り替えます（固定タイミングではありません）

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。

ピン	標準設定	効果
AGC	HIGH	AGC 有効
CLIM0	HIGH	下限電流リミット: 75% (AGCは、モータ電流を最大の75%未満に減らしません。)
CLIM1	100 kΩ プルアップ
FLIM	100 kΩ プルアップ	周波数リミッタ: 450 Hz (CLKのステッピング周波数が450Hz以上でAGCを有効にする。)
BOOST	100 kΩ プルアップ	最大電流に達するまでの段階: 7段階 (負荷トルクの増加を検出後)

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。