新穎的串行控制步進(jìn)電機驅動(dòng)器

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機 串口控制器 細分驅動(dòng)

1 前言

A3972是美國Allegro公司生產(chǎn)的PWM恒流控制微步距驅動(dòng)二相步進(jìn)電機專(zhuān)用驅動(dòng)器。它的工作電壓可達50V，驅動(dòng)電流達1.5A,一個(gè)A3972即可驅動(dòng)一臺二相步進(jìn)電機。芯片內部的PWM電流控制電路可通過(guò)串行接口被設置為電流慢、快、混合衰減模式。

通過(guò)電機的電流是由電路內部的6位數/模轉換器（DAC）輸出和外部參考電壓來(lái)共同決定的，其中的6位DAC決定了輸出電流有2 6=64個(gè)等級。因此，DAC的值每增加1，輸出電流會(huì )增加最大電流I-max的1.56%。另外，A3972還能提供完善的保護措施，其中包括抑制瞬態(tài)電壓、過(guò)熱保護、防止電流直通、欠電壓自鎖等功能。

2 A3972的引腳排列和引腳功能

A3972的引腳排列如圖1所示，各個(gè)引腳的功能如下所述：

引腳1（VCP）：電壓泵的輸出電壓引腳，主要用于驅動(dòng)內部DMOS H橋臂的上二路DMOS管。

引腳2、3（CP1、CP2）：一般在這二個(gè)引腳間接一個(gè)0.22μF的電容器。該電容器主要是為A3972內部的電壓泵提供電源，電壓泵的輸出為引腳1（VCP）。

引腳4、9（OUT1B、OUT1A）：輸出引腳，每個(gè)引腳分別與電機一相繞組的二端相連。

引腳5、20（LOAD SUPPLY1、LOAD SUPPLY2）：電機負載電源端。

引腳6、7、18、19（GROUND）：接地端。

引腳8、17（SENSE1、SENSE2）：在此端接1只采樣電阻器可檢測負載電流，采樣電阻（Rs）的大小與所設定的負載電流有效。

引腳10、11、12（STROBE、CLOCK、DATA）：這3個(gè)引腳是A3972的串行接口，系統通過(guò)它們來(lái)控制A3972。其中STROBE為使能信號端，CLOCK為時(shí)鐘信號端，DATA為數據輸入信號端。

引腳13（REF）：此端的電壓與采樣電阻Rs及DAC決定輸出電機負載電流的大小。

引腳14（MUX）：閑置引腳，在實(shí)際應用電路中可懸空。

引腳15（LOGIC SUPPLY）：邏輯電路電壓，可以為5V或3.3V。

引腳16、21（OUT2A、OUT2B）：輸出引腳，它們分別與電機一相繞組的二端相連。

引腳22（VREG）：內部產(chǎn)生的電壓輸出端，用于驅動(dòng)DMOS H橋臂的下二路DMOS管。該端的電壓被內部電路監控，一旦出現故障，H橋輸出將被禁止。在實(shí)際應用中，VREG引腳應串接一個(gè)0.22μF的電容器到GROUND上。

引腳23（SLEEP）：當該引腳為低電平時(shí)，A3972將處于睡眠狀態(tài)，此時(shí)，電路消耗的電流最小，同時(shí)，H橋輸出也會(huì )被禁止，串行接口也會(huì )被復位為零狀態(tài)。

引腳24（OSC）：外部時(shí)鐘輸入引腳，用作內部PWM時(shí)基，典型值為4MHz。A3972可使用內部4MHz的時(shí)鐘或外部時(shí)鐘。如果使用內部時(shí)鐘，則應將OSC引腳接地。

表1 Word 0模式

3 A3972的功能

對A3972的控制是通過(guò)3條串行接口線(xiàn)（CLOCK、DATA、STROBE）來(lái)實(shí)現的。每次發(fā)送時(shí)要傳送19個(gè)bits，先傳送高位D18，最后傳送最低位D0。A3972有二種數據模式：Word 0位設置模式和Word 1 位設置模式。

3．1 Word 0位設置模式

當D0=0時(shí)，A3972便進(jìn)入Word 0模式，各位的功能見(jiàn)表1，D0-D18位的含義如下：

D1-D6：用于設定通過(guò)H橋1的電流等級，當全設置為0時(shí)，將禁止H橋1工作，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷。

D7-D12：用于設定通過(guò)H橋2的電流等級，當全設置為0時(shí)，將禁止H橋2工作，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷。

D13：決定通過(guò)負載繞組1的電流方向。為0，表示電流從OUT1B流向OUT1A；為1，則表示電流從OUT1A流向OUT1B。

D14：決定通過(guò)負載繞組2的電流方向，為0，表示電流從OUT2B流向OUT2A；為1，則表示電流從OUT2A流向OUT2B。

D15：決定H橋1電流衰減模式，為0，表示A3972設置成混合衰減模式；為1，則表示設置成慢衰減模式。

D16：決定H橋2電流衰減模式，為0，表示A3972設置成混合衰減模式；為1，則表示設置成慢衰減模式。

D17：決定參考電壓方式，為0，表示選擇內部2V電壓基準作為參考電壓；為1，表示選擇外部參考電壓。

D18：電流范圍選擇方式，為0表示ITRIP=VDAC/8Rs；為1表示ITRIP=VDAC/4Rs。

3．2 Word 1位設置模式

當D0=1時(shí)，A3972進(jìn)入Word 1數據模式，D1-D18位的功能見(jiàn)表2，各位的含義如下所述。

表2 Word 1模式

D1、D2死區時(shí)間：用于設置電流調節時(shí)不進(jìn)行電流采樣比較的時(shí)間。當H橋上橋臂某一開(kāi)關(guān)管導通時(shí)，由于在開(kāi)關(guān)瞬時(shí)箝位二極管和負載中的分布電容受反向恢復電流的影響，將會(huì )產(chǎn)生電流尖峰，從而導致錯誤的復位，為了防止在此段時(shí)間內這類(lèi)情況的發(fā)生，應該使電流采樣比較器停止工作。死區時(shí)間的具體設置為D2D1=00：死區時(shí)間為4/fosc;D2D1=01；死區時(shí)間為6fosc;D2D1=10:死區時(shí)間為8/fosc;D2D1=11：死區時(shí)間為12/fosc。

D3-D7：用于決定內部PWM控制電路的固定關(guān)斷時(shí)間，固定關(guān)斷時(shí)間由下式?jīng)Q定

toff=[(1+N) 8/fosc]-1/fosc(N=0……31)

例如，當晶振頻率為4MHz時(shí)，固定關(guān)斷時(shí)間可編程設定為1.75μs～63.75μs。

D8-D11：用于設置電流快速衰減模式所占用的時(shí)間在內部PWM控制電路中固定關(guān)斷時(shí)間所占的比例。只有A3972工作在電流混合衰減模式中時(shí)，電流快速衰減才會(huì )起作用。電流快速衰減才會(huì )起作用。電流快速衰減時(shí)間由下式?jīng)Q定

tdf=[(1+N) 8/fosc]-1/fosc,(N=0……15)

例如，當晶振頻率為4MHz時(shí)，固定關(guān)斷時(shí)間可編程定為1.75μs～31.75μs。如果tfd>toff,則A3972工作在快速衰減模式下。

D12-D13：晶振控制，內部4MHz的晶振用于產(chǎn)生時(shí)基和電壓泵的時(shí)間。如果需要，也可以在OSC端外接一個(gè)晶振。為了滿(mǎn)足更寬范圍系統時(shí)鐘的需要，內部分頻電路能夠根據不同的設置產(chǎn)生不同的頻率。D13D12=00：內部4MHz的晶振；D13D12=01：外部時(shí)鐘；D13D12=10：外部時(shí)鐘的1/2；D13D12=11：外部時(shí)鐘的1/4。

D14-D15：在PWM關(guān)斷時(shí)，同步校正特征將在電流衰減期間導通相應的MOSFET，這將有效地降低電源功耗，而在絕大多數應用場(chǎng)合下，不用外接肖特基二極管。D15D14=00：主動(dòng)模式，當發(fā)現電流過(guò)零時(shí)，關(guān)斷同步校正功能，禁止反向負載電流；D15D14=01：被動(dòng)模式，允許反向電流，但有一個(gè)限度，當超過(guò)這個(gè)限度時(shí)，將會(huì )關(guān)斷同步校正功能；D15D14=10：禁止模式，這時(shí)必須在每個(gè)橋反向并聯(lián)4個(gè)箝位二極管；D15D14=11：下橋臂模式，當PWM關(guān)斷時(shí)，下橋臂MOSFET導通，這時(shí)，電流從MOSFET內部二極管流過(guò)。因此，上橋臂則要反向并聯(lián)箝位二極放寬，這種模式主要用于高壓場(chǎng)合，它可以使每個(gè)H橋節省二個(gè)二極管。在這種模式下，下橋臂MOSFET在PWM關(guān)斷時(shí)間內不停地導通和關(guān)斷。

D16、D17：使A3972處于測試模式，正常工作時(shí)，應該設置為00。

D18：當D18=0時(shí)，A3972處于低功耗方式。輸出被禁止，電壓泵也停止工作，但是欠壓監視電路仍處于激活狀態(tài)。

4 串口時(shí)序

數據在每一個(gè)時(shí)鐘節拍的上升沿傳入移位寄存器，通常情況下，STROBE將會(huì )保持為高電平，只有在初始化為寫(xiě)周期時(shí)才會(huì )變?yōu)榈碗娖?。傳輸數據時(shí)，最先傳送數據的最高位，最后傳送數據的最低位。圖2為一個(gè)完整的寫(xiě)數據時(shí)序圖。圖中的A是最小數據建立時(shí)間，時(shí)長(cháng)為15ns；B是最小數據保持時(shí)間，時(shí)長(cháng)為10ns；C是最小建立STROBE信號到CLOCK上升沿時(shí)間，時(shí)長(cháng)為150ns；D是最小CLOCK高電平脈沖寬度，時(shí)長(cháng)為40ns；E是最小CLOCK低電平脈沖寬度，時(shí)長(cháng)為40ns；F是最小建立CLOCK上升沿到STROBE時(shí)間，時(shí)長(cháng)為50ns；G是最小STROBE脈沖寬度，時(shí)長(cháng)為150ns。

圖5

5 典型應用電路

圖3為A3972的典型應用電路圖。從圖中可以看出，只需要少量的外部元器件和幾根控制線(xiàn)就可構成一個(gè)完整的微步距驅動(dòng)二相步進(jìn)電機電路。

圖4為8細分正弦波驅動(dòng)時(shí)二相步進(jìn)電機的一相電機繞組理論電流波形。

筆者采用混合式步進(jìn)電機做實(shí)驗，電機的額定電壓為12VDC，額定電流為0.4A，相數為2相，連續堵轉為矩為700gcm，結構方式為組裝式，工作方式為長(cháng)期連續運行。

圖5為8細分驅動(dòng)時(shí)實(shí)測的一相電機繞組電流波形。該波形為在電機一相繞相上串聯(lián)一個(gè)0.68Ω電阻器后所測得的該電阻器上的電壓波形，因此，該波形與實(shí)際電流波形是0.68的倍數關(guān)系。

6 結論

Allegro公司生產(chǎn)的串行控制步進(jìn)電機驅動(dòng)器件A3972具有優(yōu)良的特性。它可以工作在整步、半步、1/4步、1/8步、1/16步、1/32（微步距）多種方式下。其特有的3種電流衰減模式可以使步進(jìn)電機工作在不同的負載和轉速下，而且都能獲得較理想的電流波形。此外，它易于與單片機接口，控制方式靈活。因此，A3972不失為一種高性能的串行控制步進(jìn)電機微步距驅動(dòng)器。