新穎的串行控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

   摘要：美國(guó)Allegro公司推出的A3972型串口控制器是步進(jìn)電機(jī)微步距驅(qū)動(dòng)專用電路。一個(gè)A3972外加一個(gè)簡(jiǎn)易CPU即可實(shí)現(xiàn)二相步進(jìn)電機(jī)的32微步距驅(qū)動(dòng)。文中介紹該電路的特點(diǎn)、引腳功能和工作原理，并給出A3972的典型應(yīng)用電路，該電路已成功地應(yīng)用在某步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)中。

    關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī) 串口控制器 細(xì)分驅(qū)動(dòng)

1 前言

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

通過(guò)電機(jī)的電流是由電路內(nèi)部的6位數(shù)/模轉(zhuǎn)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(jí)。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(hù)措施，其中包括抑制瞬態(tài)電壓、過(guò)熱保護(hù)、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(qū)動(dòng)內(nèi)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(nèi)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(jī)一相繞組的二端相連。

引腳5、20（LOAD SUPPLY1、LOAD SUPPLY2）：電機(jī)負(fù)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(cè)負(fù)載電流，采樣電阻（Rs）的大小與所設(shè)定的負(fù)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(tǒng)通過(guò)它們來(lái)控制A3972。其中STROBE為使能信號(hào)端，CLOCK為時(shí)鐘信號(hào)端，DATA為數(shù)據(jù)輸入信號(hào)端。

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

引腳14（MUX）：閑置引腳，在實(shí)際應(yīng)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(jī)一相繞組的二端相連。

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

引腳23（SLEEP）：當(dāng)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(fù)位為零狀態(tài)。

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

表1 Word 0模式

Bit	功  能	Bit	功  能
D0	Word select=0	D1	H橋1，DAC，LSB
D2	H橋1，DAC，位2	D3	H橋1，DAC，位3
D4	H橋1，DAC，位4	D5	H橋1，DAC，位5
D6	H橋1，DAC，MSB	D7	H橋2，DAC，LSB
D8	H橋2，DAC，位2	D9	H橋2，DAC，位3
D10	H橋2，DAC，位4	D11	H橋2，DAC，位5
D12	H橋2，DAC，MSB	D13	H橋1相
D14	H橋2相	D15	H橋1模式
D16	H橋2模式	D17	參考電壓選擇方式
D18	電流范圍選擇方式

3 A3972的功能

對(duì)A3972的控制是通過(guò)3條串行接口線（CLOCK、DATA、STROBE）來(lái)實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)模式：Word 0位設(shè)置模式和Word 1 位設(shè)置模式。

3．1 Word 0位設(shè)置模式

當(dāng)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(shè)定通過(guò)H橋1的電流等級(jí)，當(dāng)全設(shè)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(shè)定通過(guò)H橋2的電流等級(jí)，當(dāng)全設(shè)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(fù)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(fù)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(shè)置成混合衰減模式；為1，則表示設(shè)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(shè)置成混合衰減模式；為1，則表示設(shè)置成慢衰減模式。

D17：決定參考電壓方式，為0，表示選擇內(nèi)部2V電壓基準(zhǔn)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(shè)置模式

當(dāng)D0=1時(shí)，A3972進(jìn)入Word 1數(shù)據(jù)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

Bit	功    能	Bit	功   能
D0	Word select=1	D1	死區(qū)時(shí)間LSB
D2	死區(qū)時(shí)間MSB	D3	關(guān)斷時(shí)間LSB
D4	關(guān)斷時(shí)間位1	D5	關(guān)斷時(shí)間位2
D6	關(guān)斷時(shí)間位3	D7	關(guān)斷時(shí)間MSB
D8	快速衰減時(shí)間LSB	D9	快速衰減時(shí)間位1
D10	快速衰減時(shí)間位2	D11	快速衰減時(shí)間位MSB
D12	振蕩器控制C0	D13	振蕩器控制C1
D14	同步校正位1	D15	同步校正位2
D16	保留位	D17	保留位
D18	空閑模式

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

D3-D7：用于決定內(nèi)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(dāng)晶振頻率為4MHz時(shí)，固定關(guān)斷時(shí)間可編程設(shè)定為1.75μs～63.75μs。

D8-D11：用于設(shè)置電流快速衰減模式所占用的時(shí)間在內(nèi)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(dāng)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(nèi)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。為了滿足更寬范圍系統(tǒng)時(shí)鐘的需要，內(nèi)部分頻電路能夠根據(jù)不同的設(shè)置產(chǎn)生不同的頻率。D13D12=00：內(nèi)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(dǎo)通相應(yīng)的MOSFET，這將有效地降低電源功耗，而在絕大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合下，不用外接肖特基二極管。D15D14=00：主動(dòng)模式，當(dāng)發(fā)現(xiàn)電流過(guò)零時(shí)，關(guān)斷同步校正功能，禁止反向負(fù)載電流；D15D14=01：被動(dòng)模式，允許反向電流，但有一個(gè)限度，當(dāng)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(dāng)PWM關(guān)斷時(shí)，下橋臂MOSFET導(dǎo)通，這時(shí)，電流從MOSFET內(nèi)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(jié)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(nèi)不停地導(dǎo)通和關(guān)斷。

D16、D17：使A3972處于測(cè)試模式，正常工作時(shí)，應(yīng)該設(shè)置為00。

D18：當(dāng)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(jiān)視電路仍處于激活狀態(tài)。

4 串口時(shí)序

數(shù)據(jù)在每一個(gè)時(shí)鐘節(jié)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)榈碗娖健鬏敂?shù)據(jù)時(shí)，最先傳送數(shù)據(jù)的最高位，最后傳送數(shù)據(jù)的最低位。圖2為一個(gè)完整的寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)序圖。圖中的A是最小數(shù)據(jù)建立時(shí)間，時(shí)長(zhǎng)為15ns；B是最小數(shù)據(jù)保持時(shí)間，時(shí)長(zhǎng)為10ns；C是最小建立STROBE信號(hào)到CLOCK上升沿時(shí)間，時(shí)長(zhǎng)為150ns；D是最小CLOCK高電平脈沖寬度，時(shí)長(zhǎng)為40ns；E是最小CLOCK低電平脈沖寬度，時(shí)長(zhǎng)為40ns；F是最小建立CLOCK上升沿到STROBE時(shí)間，時(shí)長(zhǎng)為50ns；G是最小STROBE脈沖寬度，時(shí)長(zhǎng)為150ns。

圖5

5 典型應(yīng)用電路

圖3為A3972的典型應(yīng)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就可構(gòu)成一個(gè)完整的微步距驅(qū)動(dòng)二相步進(jìn)電機(jī)電路。

圖4為8細(xì)分正弦波驅(qū)動(dòng)時(shí)二相步進(jìn)電機(jī)的一相電機(jī)繞組理論電流波形。

筆者采用混合式步進(jìn)電機(jī)做實(shí)驗(yàn)，電機(jī)的額定電壓為12VDC，額定電流為0.4A，相數(shù)為2相，連續(xù)堵轉(zhuǎn)為矩為700gcm，結(jié)構(gòu)方式為組裝式，工作方式為長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行。

圖5為8細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)實(shí)測(cè)的一相電機(jī)繞組電流波形。該波形為在電機(jī)一相繞相上串聯(lián)一個(gè)0.68Ω電阻器后所測(cè)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(shù)關(guān)系。

6 結(jié)論

Allegro公司生產(chǎn)的串行控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)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(jī)工作在不同的負(fù)載和轉(zhuǎn)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(jī)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(jī)微步距驅(qū)動(dòng)器。