MC33991型二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

    摘要：MC33991是Motorola公司生產(chǎn)的兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可以準(zhǔn)確地控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)并及時(shí)反饋步時(shí)電機(jī)的工作狀態(tài)。該電路有良好的抗干擾能力，可以靈活地控制驅(qū)動(dòng)步時(shí)電機(jī)，是汽車電子設(shè)備特別是汽車儀表中的理想驅(qū)動(dòng)器。

    關(guān)鍵詞：步時(shí)電動(dòng)機(jī) 驅(qū)動(dòng)器 SPI MC33991 汽車儀表

1 MC33991的主要特點(diǎn)

MC33991是單獨(dú)封裝、通過(guò)SPI（同步串行外設(shè)接口）進(jìn)行通信、可同時(shí)控制二個(gè)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。該電路由4個(gè)可驅(qū)動(dòng)線圈的功率H橋和輔助邏輯控制器組成。每組H橋的驅(qū)動(dòng)可用來(lái)控制步時(shí)電機(jī)的速度、旋轉(zhuǎn)方向及每相線圈中電流的大小。MC33991有良好的抗干擾能力，可以十分靈活地驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，因此是汽車電子設(shè)備特別是汽車儀表的理想驅(qū)動(dòng)器。只要做一些外圍設(shè)備的改進(jìn)，該電路也可以仿照氣隙磁通的運(yùn)行，把普通電機(jī)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制。MC33991的特性如下：

·最小的上層處理器（不需其他外設(shè)即可直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)）；

·仿效普通電機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，使電機(jī)有完美的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能；

·有4096個(gè)靜態(tài)指示位置；

·最大指針掃過(guò)范圍為340°；

·最大指針?biāo)俣葹?00 deg/s;

·最大指針加速度為4500deg/s2;

·應(yīng)用微步距控制技術(shù)（每步細(xì)分為12個(gè)微步）；

·指針回零校準(zhǔn)；

·有16位SPI；

·內(nèi)部時(shí)鐘校準(zhǔn)；

·睡眠模式下的耗電量較小。

2 結(jié)構(gòu)原理與引腳功能

2．1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

MC33991的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它由PI、邏輯電路、電壓/溫度檢測(cè)及功率H橋等模塊組成。MC33991主控電路先將驅(qū)動(dòng)命令通過(guò)SPI以串行數(shù)據(jù)的方式輸出，再通過(guò)邏輯電路將命令轉(zhuǎn)化成驅(qū)動(dòng)信號(hào)以驅(qū)動(dòng)功率H橋，H橋輸出電流直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，同時(shí)MC33991中的電壓/溫度等檢測(cè)模塊可以隨時(shí)檢測(cè)電機(jī)的動(dòng)轉(zhuǎn)狀態(tài)，并將檢測(cè)結(jié)果通過(guò)SPI以串行輸出方式將數(shù)據(jù)反饋給主控電路。

2．2 引腳功能

COS+、COS-、SIN+與SIN-：H橋輸出端。它們分別是H功率橋中各個(gè)半橋的輸出端。H功率橋可以直接線性控制步進(jìn)電機(jī)的二組線圈，使其在4象限中運(yùn)動(dòng)。

GND：接地端，包括與晶閘管相連的輸出地及邏輯地，同時(shí)具備散熱作用。

CS：片選輸入端，與片選信號(hào)相連。

SCLK：串行時(shí)鐘，該引腳與主控電路的時(shí)鐘相連，決定串行外圍接口的時(shí)鐘頻率的大小。信號(hào)的占空比為50%，由CMOS電平驅(qū)動(dòng)。

SO：串行輸出端，該引腳與主控電路外圍串行接口的輸入端或者與其他驅(qū)動(dòng)電路的串行輸入端相連。輸出為CMOS電平，輸出的數(shù)據(jù)為狀態(tài)反饋信息或報(bào)錯(cuò)信息。

SI：串行輸入端，該引腳與主控電路外圍串行接口的輸入端相連，接收主控電路提供的控制信號(hào)，SI端在電路內(nèi)部有上拉電阻器，要由CMOS電平驅(qū)動(dòng)。

RTX：多元輸出。指針回零時(shí)要用此引腳。

VDD：電源輸入端，為邏輯電路及SPI供電，電壓為4.5～5.5。

RST：復(fù)位端，當(dāng)主控電路要復(fù)位或者要使電路進(jìn)入睡眠狀態(tài)時(shí)，應(yīng)將此引腳置0使電路回到默認(rèn)狀態(tài)。該引腳在電路內(nèi)部接有上拉電阻器。

VPWR：電池電壓，電源輸出端。電壓范圍為6.5V～26.0V，工作電流小于6.0mA。

圖2

3 SPI的引腳及通信協(xié)議

SPI為同步串行外部設(shè)備接口，可以進(jìn)行16位數(shù)據(jù)的雙向傳輸，MC33991中有4個(gè)引腳：SI、SO、SCLK、CS與之相關(guān)。其中SI與SO引腳遵循先入先出（FIFO）協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入和輸出。所有輸入引腳都需要5.0V的CMOS驅(qū)動(dòng)電平。下面具體加以介紹：

片選端CS：是主控電路與MC33991進(jìn)行通訊的使能端。當(dāng)CS為0時(shí)，MC33991型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與主控電路傳輸數(shù)據(jù)。MC33991在CS端輸入信號(hào)的上升沿鎖存輸入數(shù)據(jù)，當(dāng)CS為0時(shí)，輸出端SO輸出信號(hào)有效；當(dāng)CS為1時(shí)，SI與SCLK引腳的輸入信號(hào)被忽略，SO端為高阻狀態(tài)。只有當(dāng)SCLK為0時(shí)，CS端的信號(hào)才可以由1轉(zhuǎn)換為0，CS端在電路內(nèi)部接上拉電阻器，專門控制I/O端口。

串行時(shí)鐘輸入端SCLK（同步時(shí)鐘）：SCLK端口為MC33991內(nèi)部寄存器轉(zhuǎn)換提供時(shí)鐘信號(hào)。在其下降沿SI的信號(hào)被轉(zhuǎn)換到寄存器內(nèi)部，在其上升沿同時(shí)SO的信號(hào)將寄存器中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成輸出信號(hào)，SCLK引腳在電路內(nèi)部接下拉電阻器。

串行輸入端SI：SPI的輸入端，串行輸入信號(hào)在SCLK的下降沿被讀取。輸入的數(shù)據(jù)為16位，從最高位（MSB）開始傳輸。其他的多重?cái)?shù)據(jù)信息（16位以后的數(shù)據(jù)）將被忽略，傳輸完16位數(shù)據(jù)后，在傳輸新數(shù)據(jù)之前CS必須置1。當(dāng)CS為高電平時(shí)，輸入數(shù)據(jù)被忽略。

串行輸出端SO：寄存器的輸出端口，有3種狀態(tài)（0、1、高阻）。數(shù)據(jù)在SCLK信號(hào)的上升沿被輸出，當(dāng)CS為高電平時(shí)，SO引腳為高阻狀態(tài)。

4 MC33991的寄存器

MC33991型驅(qū)動(dòng)器可以與微處理器直接相連，并通過(guò)16位SPI進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，微處理器向驅(qū)動(dòng)器輸入控制數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)器向微處理器輸出反饋信息。MC33991內(nèi)部的寄存器及其功能如表1所列。

表1 MC33991內(nèi)部寄存器

MC33991內(nèi)部有6個(gè)寄存器，分別用來(lái)控制和記錄4個(gè)H橋的輸出狀態(tài)，它們的地址由SPI所輸入的16位數(shù)據(jù)中的15-13位來(lái)決定，主要功能如下：

（1）控制方面

·獨(dú)立控制每個(gè)電機(jī)的工作；

·控制電源的升降；

·校準(zhǔn)內(nèi)部時(shí)鐘；

·決定步進(jìn)電機(jī)指針的位置和移動(dòng)的速度；

·控制指針的回零校準(zhǔn)。

（2）狀態(tài)輸出方面

·分別指示玩二個(gè)步進(jìn)電機(jī)是否有過(guò)熱現(xiàn)象；

·指示電池電壓是否過(guò)高；

·指針回零狀態(tài)指示；

·內(nèi)部時(shí)鐘狀態(tài)指示；

·指示輸出與指針運(yùn)動(dòng)是否相符。

在這6個(gè)寄存器中，能量、使能及校準(zhǔn)寄存器（PECR）能夠使主控電路獨(dú)立控制每個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出或禁止。同時(shí)還可以幫助校準(zhǔn)電路的內(nèi)部時(shí)鐘，發(fā)出空指令以得到狀態(tài)位的數(shù)據(jù)，還可以控制MC33991使其工作在“睡眠狀態(tài)”。

圖3

    最大運(yùn)行速度寄存器（VELR）的第0-7位可以表示0-255個(gè)不同的數(shù)據(jù)，用來(lái)設(shè)定電機(jī)運(yùn)行的最高速度，第8位和第9位分別用來(lái)控制是否將這一最大速度應(yīng)用到各個(gè)步進(jìn)電機(jī)上。

步進(jìn)電機(jī)0/1的位置寄存器（POS0R/POS1R）可以分別確定0號(hào)步進(jìn)電機(jī)和1號(hào)步進(jìn)電機(jī)指針的位置。寄存器的0-11位表示4096個(gè)不同的數(shù)據(jù)，從而使電機(jī)批易地的位置在0-4095之間變化。

回零寄存器（RTZR）的第0位決定是哪個(gè)電機(jī)回零，第1位為回零的使能位。2-3位決定輸出哪8位數(shù)據(jù)，第4位為決定是無(wú)條件回零還是自動(dòng)回零，5-12位必須置0。

回零配置寄存器（RTZCR）用來(lái)設(shè)定指針回零需用的參數(shù)，主要包括每一整步所用的時(shí)間、速率及空白時(shí)間的大小?？瞻讜r(shí)間指一相線圈斷電與下一相線圈通電之間的延遲時(shí)間（512μs或768μs）。該寄存器還可用來(lái)判斷指針的狀態(tài)是運(yùn)動(dòng)還是靜止。

狀態(tài)輸出寄存器：當(dāng)CS為低電平時(shí)，狀態(tài)輸出寄存器會(huì)把它其中的16位數(shù)據(jù)通過(guò)SO端輸入到主控電路，為主控電路提供步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)及運(yùn)行狀況的信息。此寄存器為只讀寄存器。其中15-8位和第7位用來(lái)指示內(nèi)部時(shí)鐘是否需要校準(zhǔn)；第6位用來(lái)指示驅(qū)動(dòng)電源電壓是否正常；第5/4位用來(lái)指示在上一條指令發(fā)出后1/0號(hào)步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)（正步/運(yùn)動(dòng)）；第3/2位指示步進(jìn)電機(jī)1/0是否處在回零狀態(tài)；第1/0位指示步進(jìn)電機(jī)1/0的溫度是否正常。圖2和圖3分別示出MC33991的輸入、輸出時(shí)序。