在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，HJ4205 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是一款性能出色且功能豐富的產(chǎn)品。它在眾多需要精確控制步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用場景中發(fā)揮著重要作用。下面將對(duì) HJ4205 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

概述

HJ4205 是一款集成度較高的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，它包含一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制器和內(nèi)部 N 溝道 MOSFET，這使得它能夠驅(qū)動(dòng)一個(gè)雙極步進(jìn)電機(jī)或者兩個(gè)刷式直流電機(jī)。該電路支持從全步進(jìn)到 1/256 步進(jìn)的多種驅(qū)動(dòng)模式，這種廣泛的步進(jìn)模式選擇為不同精度要求的應(yīng)用提供了靈活性。通過采用自適應(yīng)消隱時(shí)間和包括自動(dòng)混合衰減模式在內(nèi)的多種不同的電流衰減模式，HJ4205 可實(shí)現(xiàn)非常平滑的電機(jī)運(yùn)動(dòng)過程，有效減少了電機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)和噪音。電機(jī)運(yùn)動(dòng)采用標(biāo)準(zhǔn)的 DIR/STEP 控制方法，而器件的運(yùn)行則通過一個(gè) SPI 串行接口進(jìn)行控制。通過這個(gè) SPI 串行接口，用戶可以對(duì)輸出電流（扭矩）、步進(jìn)模式、衰減模式和堵轉(zhuǎn)檢測(cè)功能等進(jìn)行編程設(shè)置，大大提高了電路的可配置性和適用性。

電原理圖

HJ4205 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的電原理圖展示了其內(nèi)部各個(gè)模塊之間的電氣連接關(guān)系，對(duì)于理解電路的工作原理和進(jìn)行故障排查具有重要意義。

圖 1：HJ4205 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電原理圖

封裝形式及引出端功能

1. 封裝形式：HJ4205 采用 BOX3220 - 22P 全密封金屬直插封裝（選型 HJ4205），這種封裝形式具有良好的密封性和散熱性能，能夠保護(hù)內(nèi)部電路免受外界環(huán)境的影響，同時(shí)確保電路在工作過程中產(chǎn)生的熱量能夠及時(shí)散發(fā)出去。以下是其封裝尺寸圖。
   
   圖 2：HJ4205 封裝尺寸圖
2. 引出端功能：引出端功能圖詳細(xì)標(biāo)注了各個(gè)引腳的功能和用途，是正確使用 HJ4205 的重要參考。
   
   圖 3：HJ4205 引出端功能圖

絕對(duì)最大額定值

絕對(duì)最大額定值規(guī)定了 HJ4205 在正常工作時(shí)所允許的最大電壓、電流、溫度等參數(shù)范圍，超過這些范圍可能會(huì)導(dǎo)致電路損壞或性能下降。了解這些參數(shù)對(duì)于正確設(shè)計(jì)和使用電路至關(guān)重要。

圖 4：HJ4205 絕對(duì)最大額定值

電特性

電特性圖表展示了 HJ4205 在不同工作條件下的電氣性能參數(shù)，如輸入輸出電壓、電流、功率等。這些參數(shù)是評(píng)估電路性能和進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

圖 5：HJ4205 電特性

邏輯時(shí)序圖

邏輯時(shí)序圖描述了 HJ4205 在不同控制信號(hào)作用下的工作時(shí)序關(guān)系，幫助工程師理解電路的工作過程和信號(hào)傳輸規(guī)律，從而進(jìn)行正確的編程和控制。

圖 6：HJ4205 邏輯時(shí)序圖

功能描述

1. 復(fù)位：芯片內(nèi)部設(shè)有用于監(jiān)測(cè) VM 引腳電壓的上電復(fù)位電路。當(dāng) VM 電壓低于 UVLO 電壓時(shí)，器件會(huì)自動(dòng)復(fù)位。此外，如果將 RESET 引腳置為高電平，所有內(nèi)部邏輯都將被復(fù)位，功率部分也將被禁用，此時(shí)包括步進(jìn)和串行接口的所有輸入都將被忽略。在退出 RESET 態(tài)（將 RESET 引腳置為低電平）時(shí)，需要經(jīng)過大約 1 ms 的時(shí)間，芯片才能恢復(fù)正常工作。這是因?yàn)殡娐沸枰欢ǖ臅r(shí)間來完成內(nèi)部狀態(tài)的初始化和穩(wěn)定。
2. 低功耗模式：將 SLEEPn 引腳置為低電平，可使設(shè)備進(jìn)入低功耗狀態(tài)。在休眠模式下，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路被禁用，柵極驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)器和電荷泵也被禁用，所有模擬電路被置于低功率狀態(tài)。不過，設(shè)備中的數(shù)字電路仍在工作，因此仍然可以通過串行接口訪問設(shè)備寄存器。需要注意的是，當(dāng) SLEEPn 生效時(shí)，RESET 引腳不起作用。在 RESET 生效之前，必須先退出低功耗模式。當(dāng)退出低功耗模式時(shí)，同樣需要經(jīng)過大約 1ms 的時(shí)間才能應(yīng)用 STEP 輸入，以確保電路穩(wěn)定恢復(fù)工作。
3. 直接 PWM 輸入模式：通過在 0x2 寄存器中設(shè)置 PWMMODE 位，可以開啟直接 PWM 模式，然后用 PWM_MODESEL 來選擇輸入模式邏輯。在直接 PWM 輸入模式下，AIN1、AIN2、BIN1 和 BIN2 直接控制輸出驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)，這樣可以驅(qū)動(dòng)最多兩個(gè)有刷直流電機(jī)。根據(jù) PWM_MODESEL 的不同設(shè)置，輸入輸出邏輯關(guān)系也有所不同，具體如下：
   • 當(dāng) PWM_MODESEL = 2’b00 時(shí)，xIN1 和 xIN2 為常見的 IN1,IN2 控制邏輯，邏輯如下表：
     | xIN1 | xIN2 | xOUT1 | xOUT2 |
     | --- | --- | --- | --- |
     | 0 | 0 | Z | Z |
     | 0 | 1 | L | H |
     | 1 | 0 | H | L |
     | 1 | 1 | L | L |
   • 當(dāng) PWM_MODESEL = 2’b01 時(shí)，xIN1 為使能控制 xEN，xIN2 為方向控制 xPH，xIN1 = 0 時(shí)，輸出高阻態(tài)，邏輯如下表：
     | xIN1 | xIN2 | xOUT1 | xOUT2 |
     | --- | --- | --- | --- |
     | 0 | 0 | Z | Z |
     | 0 | 1 | Z | Z |
     | 1 | 0 | L | H |
     | 1 | 1 | H | L |
   • 當(dāng) PWM_MODESEL = 2’b10 時(shí)，xIN1 為使能控制 xEN，xIN2 為方向控制 xPH，xIN1 = 0 時(shí)，輸出剎車態(tài)，邏輯如下表：
     | xIN1 | xIN2 | xOUT1 | xOUT2 |
     | --- | --- | --- | --- |
     | 0 | 0 | L | L |
     | 0 | 1 | L | L |
     | 1 | 0 | L | H |
     | 1 | 1 | H | L |
   • 當(dāng) PWM_MODESEL = 2’b11 時(shí)，xIN1 為使能控制 xEN，xIN2 為方向控制 xPH，邏輯如下表：
     | xIN1 | xIN2 | xOUT1 | xOUT2 |
     | --- | --- | --- | --- |
     | 0 | 0 | Z | Z |
     | 0 | 1 | L | L |
     | 1 | 0 | L | H |
     | 1 | 1 | H | L |

如果在直接 PMW 模式下使用混合或自動(dòng)混合衰減模式，由于電流變化信息不可用，它們將應(yīng)用于每個(gè)周期。在直接 PWM 模式下，電流控制電路 (Torque) 處于開啟狀態(tài)，仍可用 TORGUE 寄存器縮放電流，也可使用 0x1 寄存器的 ISGAIN 位來設(shè)置 ISEN 檢測(cè)放大器增益。通過電機(jī)繞組的電流由可編程固定關(guān)斷時(shí)間的 PWM 電流調(diào)節(jié)電路進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng) H 橋被啟用時(shí)，繞組電流以一定速率上升，此速率取決于繞組的直流電壓、電感以及反電動(dòng)勢(shì)的大小。一旦電流達(dá)到電流斬波閾值，電橋會(huì)在固定的時(shí)間段內(nèi)禁用電流，該時(shí)間段可通過寫入關(guān)寄存器中的 TOFF 位在 500ns 和 128μs 之間進(jìn)行編程。關(guān)閉時(shí)間到達(dá)后，電橋重新啟用，開始另一個(gè) PWM 周期。斬波電流由比較器設(shè)置，比較器將電流檢測(cè)電阻器的電壓與參考電壓進(jìn)行比較，電流檢測(cè)電阻器連接到 xISENx 引腳，且其電壓由電流檢測(cè)放大器進(jìn)行放大，電流檢測(cè)放大器可在控制寄存器中編程。在 PWM 模式下驅(qū)動(dòng)時(shí)，斬波電流計(jì)算如下：

圖 7：斬波電流計(jì)算公式
滿標(biāo)度 VREF 設(shè)置為 2.75V。其中 TORQUE 是轉(zhuǎn)矩位的設(shè)置，ISGAIN 是 ISENSE 放大器（5x、10x、20x 或 40x）的可編程增益。
4. 微步控制 STEP/DIR 輸入控制模式：HJ4205 中的內(nèi)置分度器邏輯允許多種不同的步進(jìn)配置。0x0 寄存器中的 MODE 位用于配置步進(jìn)細(xì)分，邏輯如下：

圖 8：步進(jìn)細(xì)分配置邏輯
下表顯示了整步進(jìn)到 1/8 步進(jìn)模式的相對(duì)電流和步進(jìn)方向。更高的微步分辨率遵循相同的模式。AOUT 電流是電氣角度的正弦；BOUT 電流是電氣角度的余弦。復(fù)位的狀態(tài)為 45° 位置，此狀態(tài)在上電或使用 RESETn 時(shí)進(jìn)入。

圖 9：整步進(jìn)到 1/8 步進(jìn)模式的相對(duì)電流和步進(jìn)方向
在 STEP 輸入的每個(gè)上升沿，或每次在向 0x0 寄存器中的 RSTEP 位寫入‘1’后，分度計(jì)將進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)。DIR 引腳接高且 RDIR（0x0 地址）置 0，或 DIR 引腳接低且 RDIR 置‘1’，為正轉(zhuǎn)。DIR 引腳接低且 RDIR 置 0，或 DIR 引腳接高且 RDIR 置‘1’，則反轉(zhuǎn)。正電流定義為 xOUT1 為正，相對(duì)的 xOUT2 為負(fù)。如果在步進(jìn)過程中改變了步進(jìn)細(xì)分，分度計(jì)將在下一個(gè)步進(jìn)的上升沿變?yōu)樾录?xì)分的下一個(gè)有效狀態(tài)。

典型應(yīng)用

HJ4205 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路具有廣泛的典型應(yīng)用，以下是其典型應(yīng)用電路和評(píng)估板實(shí)物圖。