新穎的串行控制步進電機驅(qū)動器
關(guān)鍵詞：步進電機 串口控制器 細分驅(qū)動
1 前言
A3972是美國Allegro公司生產(chǎn)的PWM恒流控制微步距驅(qū)動二相步進電機專用驅(qū)動器。它的工作電壓可達50V，驅(qū)動電流達1.5A,一個A3972即可驅(qū)動一臺二相步進電機。芯片內(nèi)部的PWM電流控制電路可通過串行接口被設(shè)置為電流慢、快、混合衰減模式。
通過電機的電流是由電路內(nèi)部的6位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）輸出和外部參考電壓來共同決定的，其中的6位DAC決定了輸出電流有2 6=64個等級。因此，DAC的值每增加1，輸出電流會增加最大電流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）：一般在這二個引腳間接一個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(shè)定的負載電流有效。
引腳10、11、12（STROBE、CLOCK、DATA）：這3個引腳是A3972的串行接口，系統(tǒng)通過它們來控制A3972。其中STROBE為使能信號端，CLOCK為時鐘信號端，DATA為數(shù)據(jù)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。在實際應(yīng)用中，VREG引腳應(yīng)串接一個0.22μF的電容器到GROUND上。
引腳23（SLEEP）：當該引腳為低電平時，A3972將處于睡眠狀態(tài)，此時，電路消耗的電流最小，同時，H橋輸出也會被禁止，串行接口也會被復(fù)位為零狀態(tài)。
引腳24（OSC）：外部時鐘輸入引腳，用作內(nèi)部PWM時基，典型值為4MHz。A3972可使用內(nèi)部4MHz的時鐘或外部時鐘。如果使用內(nèi)部時鐘，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A3972的控制是通過3條串行接口線（CLOCK、DATA、STROBE）來實現(xiàn)的。每次發(fā)送時要傳送19個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D0=0時，A3972便進入Word 0模式，各位的功能見表1，D0-D18位的含義如下：
D1-D6：用于設(shè)定通過H橋1的電流等級，當全設(shè)置為0時，將禁止H橋1工作，開關(guān)管關(guān)斷。
D7-D12：用于設(shè)定通過H橋2的電流等級，當全設(shè)置為0時，將禁止H橋2工作，開關(guān)管關(guān)斷。
D13：決定通過負載繞組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(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D0=1時，A3972進入Word 1數(shù)據(jù)模式，D1-D18位的功能見表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)時間LSB |
| D2 | 死區(qū)時間MSB | D3 | 關(guān)斷時間LSB |
| D4 | 關(guān)斷時間位1 | D5 | 關(guān)斷時間位2 |
| D6 | 關(guān)斷時間位3 | D7 | 關(guān)斷時間MSB |
| D8 | 快速衰減時間LSB | D9 | 快速衰減時間位1 |
| D10 | 快速衰減時間位2 | D11 | 快速衰減時間位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)時間：用于設(shè)置電流調(diào)節(jié)時不進行電流采樣比較的時間。當H橋上橋臂某一開關(guān)管導(dǎo)通時，由于在開關(guān)瞬時箝位二極管和負載中的分布電容受反向恢復(fù)電流的影響，將會產(chǎn)生電流尖峰，從而導(dǎo)致錯誤的復(fù)位，為了防止在此段時間內(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)時間的具體設(shè)置為D2D1=00：死區(qū)時間為4/fosc;D2D1=01；死區(qū)時間為6fosc;D2D1=10:死區(qū)時間為8/fosc;D2D1=11：死區(qū)時間為12/fosc。
D3-D7：用于決定內(nèi)部PWM控制電路的固定關(guān)斷時間，固定關(guān)斷時間由下式?jīng)Q定
toff=[(1+N) ×8/fosc]-1/fosc(N=0……31)
例如，當晶振頻率為4MHz時，固定關(guān)斷時間可編程設(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間在內(nèi)部PWM控制電路中固定關(guān)斷時間所占的比例。只有A3972工作在電流混合衰減模式中時，電流快速衰減才會起作用。電流快速衰減才會起作用。電流快速衰減時間由下式?jīng)Q定
tdf=[(1+N) ×8/fosc]-1/fosc,(N=0……15)
例如，當晶振頻率為4MHz時，固定關(guān)斷時間可編程定為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)生時基和電壓泵的時間。如果需要，也可以在OSC端外接一個晶振。為了滿足更寬范圍系統(tǒng)時鐘的需要，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：外部時鐘；D13D12=10：外部時鐘的1/2；D13D12=11：外部時鐘的1/4。
D14-D15：在PWM關(guān)斷時，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)用場合下，不用外接肖特基二極管。D15D14=00：主動模式，當發(fā)現(xiàn)電流過零時，關(guān)斷同步校正功能，禁止反向負載電流；D15D14=01：被動模式，允許反向電流，但有一個限度，當超過這個限度時，將會關(guān)斷同步校正功能；D15D14=10：禁止模式，這時必須在每個橋反向并聯(lián)4個箝位二極管；D15D14=11：下橋臂模式，當PWM關(guān)斷時，下橋臂MOSFET導(dǎo)通，這時，電流從MOSFET內(nèi)部二極管流過。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合，它可以使每個H橋節(jié)省二個二極管。在這種模式下，下橋臂MOSFET在PWM關(guān)斷時間內(nèi)不停地導(dǎo)通和關(guān)斷。
D16、D17：使A3972處于測試模式，正常工作時，應(yīng)該設(shè)置為00。
D18：當D18=0時，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 串口時序
數(shù)據(jù)在每一個時鐘節(jié)拍的上升沿傳入移位寄存器，通常情況下，STROBE將會保持為高電平，只有在初始化為寫周期時才會變?yōu)榈碗娖健鬏敂?shù)據(jù)時，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為一個完整的寫數(shù)據(jù)時序圖。圖中的A是最小數(shù)據(jù)建立時間，時長為15ns；B是最小數(shù)據(jù)保持時間，時長為10ns；C是最小建立STROBE信號到CLOCK上升沿時間，時長為150ns；D是最小CLOCK高電平脈沖寬度，時長為40ns；E是最小CLOCK低電平脈沖寬度，時長為40ns；F是最小建立CLOCK上升沿到STROBE時間，時長為50ns；G是最小STROBE脈沖寬度，時長為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)成一個完整的微步距驅(qū)動二相步進電機電路。
圖4為8細分正弦波驅(qū)動時二相步進電機的一相電機繞組理論電流波形。
筆者采用混合式步進電機做實驗，電機的額定電壓為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，工作方式為長期連續(xù)運行。
圖5為8細分驅(qū)動時實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)的串行控制步進電機驅(qū)動器件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電機工作在不同的負載和轉(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電機微步距驅(qū)動器。
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