Stepper-Treiber-ICs
Zusammenfassung
Vom klassischen ST-Chip-Set (L297 Sequencer, L298 Dual-H-Brücke, L6506 Stromregler – getrennte Logik und Leistung) zum hochintegrierten TI DRV8825 (Indexer + MOSFET-Brücken + Chopper in einem Gehäuse). Das Pololu-Carrier-Board macht den DRV8825 steckbretttauglich und als A4988-Ersatz nutzbar.
Inhalt
L297 – Sequencer + Dual-PWM-Chopper
- Erzeugt vier Phasensignale für bipolare 2-Phasen- und unipolare 4-Phasen-Motoren; braucht nur CLOCK, CW/CCW und HALF/FULL vom µC.
- Drei Folgen im Übersetzer: Normal Drive (2 Phasen aktiv), Wave Drive (1 Phase aktiv), Halbschritt (abwechselnd 1/2 Phasen); Auswahl über HALF/FULL-Pegel und aktuellen Zustand (ungerader Zustand + FULL = Normal, gerader + FULL = Wave).
- Eingebaute Switchmode-Stromregelung: Sense-Spannung erreicht V_ref → Komparator setzt Flipflop zurück bis zum nächsten Oszillatorpuls; Oszillatorfrequenz f ≈ 1/(0,69·RC).
- CONTROL-Pin wählt, ob der Chopper auf die Phasenleitungen ABCD oder auf die Inhibit-Leitungen INH1/INH2 wirkt (bei Bipolarantrieb reduziert Letzteres die Verluste in den Sense-Widerständen); INH beschleunigt das Abklicken deaktivierter Wicklungen.
- Mehrere L297 synchronisierbar über SYNC-Pin; Versorgung 5 V (4,75–7 V); Reset/Home-Zustand ABCD = 0101.
L298 – Dual Full-Bridge-Treiber
- Zwei Vollbrücken (Multiwatt15/PowerSO20) für induktive Lasten; Versorgung V_S bis 46 V, Gesamtstrom bis 4 A DC (2 A je Brücke).
- Niedrige Sättigungsspannung: Gesamtspannungsfall typ. 1,8 V bei 1 A, max. 4,9 V bei 2 A (bipolare Endstufe!); getrennte Logikversorgung V_SS 4,5–7 V.
- TTL-kompatible Eingänge, logisch „0” bis 1,5 V (hohe Störfestigkeit); Kommutierungsfrequenz bis 25–40 kHz.
- Sense-Pins je Brücke für externe Strommesswiderstände; Übertemperaturschutz; Brücken parallelbar (Kanal 1+4 bzw. 2+3) → bis 3 A DC / 3,5 A repetitiv.
- Externe schnelle Freilaufdioden nötig (t_rr ≤ 200 ns, bevorzugt Schottky); 100-nF-Kondensatoren direkt an V_S/V_SS.
L6506 – Linearer Stromregler
- Nimmt Strom über Sense-Widerstände auf und steuert die Leistungsstufe; Chip-Set mit L293/L298/L7150/L6114/L6115 für Konstantstromantrieb.
- Gemeinsamer Oszillator treibt Doppel-Chopper: f = 1/(0,69·RC), Bereich 5–70 kHz, Schwellen ⅓ und ⅔ V_CC; Spitzenstrom I_peak = V_ref/R_sense.
- Getrennte Chopper-Eingänge je Last → unabhängige Programmierung beider Wicklungen, dadurch auch Mikroschritt möglich; Peak-/Haltestrom über veränderbare Referenzspannung; Sync-Pin wie beim L297.
DRV8825 – alles integriert (Texas Instruments)
- Zwei N-MOSFET-Vollbrücken + Mikroschritt-Indexer in einem Gehäuse (HTSSOP-28); Versorgung 8,2–45 V, bis 2,5 A pro Ausgang (mit Kühlung, 24 V/25 °C).
- STEP/DIR-Schnittstelle; MODE0–2 wählen Voll-, ½-, ¼-, 1/8-, 1/16- oder 1/32-Schritt; interner DAC staffelt die Referenz für die Mikrostromstufen (Vollschritt mit 71 % Strom).
- Festfrequente-PWM-Stromregelung: I_CHOP = V_xREF / (5·R_ISENSE) (Beispiel 0,25 Ω + 2,5 V → 2 A); Blanking-Time 3,75 µs setzt minimale PWM-Einschaltzeit.
- Decay-Modus per DECAY-Pin: low = Slow, offen = Mixed (intern Pull-up/Pull-down 130 k/80 k), high = Fast; Mixed beginnt mit Fast Decay und wechselt nach 75 % der PWM-Periode auf Slow.
- Schutzfunktionen: Überstrom (OCP), Kurzschluss, Unterspannungssperre (UVLO), thermische Abschaltung, nFAULT-Ausgang; Ladungspumpe für High-Side-Gates; Sleep-Modus (nSLEEP), 3,3-V-Referenzausgang, nHOME-Ausgang.
Pololu-Carrier (Art. 2133) für den DRV8825
- Breakout mit einstellbarem Stromlimit per Trimmpotentiometer: Stromlimit = V_REF × 2 (Sense-Widerstände 0,100 Ω; Beispiel 0,5 V → 1 A). Messung am Motorwicklungsstrom, nicht am Netzteilstrom!
- ~1,5 A pro Phase ohne Kühlkörper, bis 2,2 A mit Kühlung (IC selbst bis 2,5 A); Versorgung 8,2–45 V; eingebaute Logikregler, 3,3- und 5-V-taugliche Eingänge.
- Automatische Wahl des passenden Decay-Modus durch intelligente Chopper-Steuerung; Schutz vor Übertemperatur, Überstrom, Unterspannung sowie Kurzschluss nach Masse/kurzgeschlossene Last.
- Warnhinweise: ≥47 µF Elektrolytkondensator nahe VMOT gegen LC-Spannungsspitzen der Low-ESR-Keramikkondensatoren; Motorkabel nie unter Spannung umstecken; STEP-Impulse ≥ 1,9 µs.
- Pin-kompatibel zum A4988-Carrier (Drop-in-Ersatz): Unterschiede sind u. a. FAULT-Pin statt Logikversorgung, kein Pull-up an SLEEP, andere Poti-Position, 1/32 statt nur 1/16 Mikroschritt, 45 statt 35 V Maximalspannung, mehr Strom ohne Kühlung (1,5 vs. 1,0–1,2 A).
Vergleich
- L297/L298(+L6506): getrennte Logik/Leistung, flexibel, aber diskrete Stromregelung, hohe Verluste durch bipolare Endstufe (Sättigungsspannung) und externe Freilaufdioden.
- DRV8825: Indexer, Chopper und MOSFET-Endstufen integriert → deutlich effizienter, weniger Beschaltung, Mikroschritt bis 1/32 serienmäßig.
Quellen
raw/l297.pdf– ST-Datenblatt L297/L297D (Dez 2001)raw/l298.pdf– ST-Datenblatt L298 (Jan 2000)raw/l6506.pdf– ST-Datenblatt L6506/L6506D (Jul 2003)raw/drv8825.pdf– TI-Datenblatt DRV8825 (SLVSA73F, Rev. Jul 2014)raw/Stepper-Driver Manual.pdf– Pololu DRV8825 Carrier (Produktseite Art. 2133)