基于A3972的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

　　引言

　　步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行器件，廣泛用于各種類型的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它是一種將離散的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的角位移或線位移的電磁機(jī)械裝置。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，是一種輸出與輸入脈沖對(duì)應(yīng)的增量驅(qū)動(dòng)元件。然而由于其步距角較大，往往滿足不了某些高精密定位、精密加工等方面的要求，因此實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)是減小步距角、提高步進(jìn)分辨率、增加電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性的一種行之有效的方法。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，往往要求電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中在轉(zhuǎn)速滿足要求的同時(shí)，力矩要足夠大，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速與力矩恰是一對(duì)矛盾體，轉(zhuǎn)速相同時(shí)電機(jī)的起動(dòng)力矩要小于運(yùn)行力矩，所以實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)電機(jī)負(fù)載力矩來確定啟動(dòng)頻率與運(yùn)行頻率。

　　本文將給出一種基于A3972驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)，以滿足實(shí)際生產(chǎn)中精密定位的需求，并給出一個(gè)合理的加速曲線，以解決電機(jī)的啟動(dòng)力矩與轉(zhuǎn)速的矛盾。

　　A3972控制芯片

　　A3972是Allegro公司的64細(xì)分雙DMOS全橋微步距PWM步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電路，CPU可通過時(shí)鐘、數(shù)據(jù)、選通3線串口對(duì)其進(jìn)行控制，包括步進(jìn)電機(jī)的方向、速度、步進(jìn)法(細(xì)分)的設(shè)置。控制指令以串行數(shù)據(jù)形式通過兩個(gè)字的格式寫入，一個(gè)為橋電流數(shù)據(jù)字，一個(gè)為控制時(shí)間數(shù)據(jù)字。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)。

　　A3972具有優(yōu)良的特性，芯片內(nèi)部的SPWM電流控制電路可通過串口設(shè)置其工作在整步、半步、1/4步等，最多可至1/64步，每一步的負(fù)載電流可以按最大值的1.56%增量進(jìn)行設(shè)置。其特有的電流慢、快、混合等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。另外，它易于與單片機(jī)接口，控制方式靈活。

　　A3972的功率驅(qū)動(dòng)采用DMOS結(jié)構(gòu)及高速SPWM開關(guān)模式，因此功耗極小，基本可不用散熱器，可降低成本(去除散熱器)和體積。

　　A3972還能提供完善的保護(hù)措施，其中包括抑制瞬態(tài)電壓、過熱保護(hù)、防止電流直通、欠電壓自鎖等功能。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。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)是應(yīng)用于本研究所研發(fā)的自動(dòng)收發(fā)卡機(jī)的收發(fā)卡機(jī)構(gòu)。根據(jù)使用需求，整體系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，大致可以分為控制部分、驅(qū)動(dòng)部分、切換部分及電源部分。

　　如圖1所示，系統(tǒng)主要由控制、驅(qū)動(dòng)、切換及電源四部分組成。

　　控制電路

　　控制接口由三種控制信號(hào)組成，分別是方向控制信號(hào)、使能控制信號(hào)及切換控制信號(hào)。實(shí)際應(yīng)用中按需要給出這三種控制信號(hào)的高低電平(5V)即可方便、有效地控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　控制部分的核心是單片機(jī)及其控制軟件，通過光隔電路接收由自動(dòng)收發(fā)卡機(jī)主控器給出的各種控制命令，結(jié)合細(xì)分選擇開關(guān)的設(shè)置，按需求通過3線串行接口控制著步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分倍數(shù)、運(yùn)行脈沖頻率、正反轉(zhuǎn)、運(yùn)行速度、單次運(yùn)行線位移、啟停以及切換不同工位電機(jī)等。

　　該部分電路主要由單片機(jī)及其外圍電路組成(見圖2)。單片機(jī)選擇8051 單片機(jī)STC12C4052，具有速度高、可靠性高、在系統(tǒng)可編程等優(yōu)點(diǎn)。S1撥碼開關(guān)為細(xì)分選擇開關(guān)，根據(jù)S1的值可通過串口(STR、CLK、DATA)設(shè)置電機(jī)工作在整步、半步、1/4步、1/8步、1/16步、1/32、1/64等多種方式下。

　　驅(qū)動(dòng)電路

　　驅(qū)動(dòng)部分是電機(jī)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，本部分除可按命令完成驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、加速啟動(dòng)、停止等功能外，還需考慮降低功耗和體積。印制電路板布線應(yīng)采用粗地線，A3972直接焊接在印制板上，可以提高電路的電氣性能和散熱性能。

　　A3972的外圍電路簡(jiǎn)單，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(見圖3)。撥碼開關(guān)S2用來設(shè)置橋輸出的最大負(fù)載工作電流ITRIPMAX = VREF/(Range × Rs)，不同的設(shè)置VREF的值不同。如撥碼開關(guān)的第一位導(dǎo)通，則VREF=1.25(1+R10/R11)。其中Range由控制字0決定，本文中Range值為8，Rs值為0.22Ω。

　　切換電路

　　由于自動(dòng)收發(fā)卡機(jī)的設(shè)計(jì)是基于雙工位(工作通道)的，所以本驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部自帶電機(jī)切換電路，可以驅(qū)動(dòng)分時(shí)工作的兩路電機(jī)。切換部分由低功耗的MOS對(duì)管集成芯片及外圍電路組成(見圖4)。

　　電源(DC/DC變換)電路

　　為了使模塊的控制部分有一穩(wěn)定的工作環(huán)境(包括電壓穩(wěn)定、抗干擾等)，電源部分采用小功率DC/DC變換芯片做成24V—5V的開關(guān)穩(wěn)壓電源(非隔離型)，供模塊內(nèi)控制部分使用。另加入過壓保護(hù)、電源方向保護(hù)電路，以提高可靠性，如圖5所示。V1為特快速整流二極管，這里可以起到電源方向保護(hù)的作用。D1的輸出電壓為VOUT=1.25(1+R2/R1)，給D2提供一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定、安全的輸入電壓，再經(jīng)過D2電壓轉(zhuǎn)換為VOUT=1.25(1+R4/R5)即5V。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一步都是由單片機(jī)軟件向驅(qū)動(dòng)芯片寫入控制字0、控制字1來實(shí)現(xiàn)的，所以控制字值的設(shè)定是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，本文還給出一個(gè)合理的加速曲線，以解決電機(jī)的啟動(dòng)力矩與轉(zhuǎn)速的矛盾。

　　如圖7電機(jī)正反轉(zhuǎn)流程所示，電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一微步，需要向控制字0寫入兩路橋電流，而橋電流由6位線性DAC值決定，結(jié)合細(xì)分值、電流方向和電流衰減模式將DAC值按一定規(guī)律寫入驅(qū)動(dòng)芯片即可。

　　電機(jī)啟動(dòng)的加速過程分為5個(gè)速度等級(jí)，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)設(shè)定速度等級(jí)SpeedNo為0，以最小恒速位移為單位，逐漸提高速度等級(jí)，并通過設(shè)置定時(shí)器T0的值來作為兩個(gè)微步之間的時(shí)間延時(shí)，從而改變步速。圖8速度延時(shí)流程中Flag為延時(shí)結(jié)束標(biāo)志位，定時(shí)器T0溢出時(shí)置位。

　　結(jié)語

　　該驅(qū)動(dòng)模塊已用于本研究所研發(fā)的自動(dòng)收發(fā)卡機(jī)項(xiàng)目，驅(qū)動(dòng)42系列兩相步進(jìn)電機(jī)，步距角為1.8°，為了進(jìn)一步提高步進(jìn)電機(jī)定位精度和系統(tǒng)的運(yùn)行平穩(wěn)性，采用細(xì)分級(jí)數(shù)為16。從運(yùn)行的實(shí)際情況看，該步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)了較高的穩(wěn)速精度，運(yùn)行可靠，取得了滿意的效果。