1、新颖的串行控制步进电机驱动器摘要：美国 Allegro 公司推出的 A3972 型串口控制器是步进电机微步距驱动专用电路。一个 A3972 外加一个简易 CPU 即可实现二相步进电机的 32 微步距驱动。文中介绍该电路的特点、引脚功能和工作原理，并给出 A3972 的典型应用电路，该电路已成功地应用在某步进电机伺服系统中。 关键词：步进电机 串口控制器 细分驱动1 前言A3972 是美国 Allegro 公司生产的 PWM 恒流控制微步距驱动二相步进电机专用驱动器。它的工作电压可达 50V，驱动电流达 1.5A,一个 A3972 即可驱动一台二相步进电机。芯片内部的 PWM 电流控制电路可通过
2、串行接口被设置为电流慢、快、混合衰减模式。通过电机的电流是由电路内部的 6 位数/模转换器（DAC）输出和外部参考电压来共同决定的，其中的 6 位 DAC 决定了输出电流有 2 6=64 个等级。因此，DAC 的值每增加1，输出电流会增加最大电流 I-max 的 1.56%。另外，A3972 还能提供完善的保护措施，其中包括抑制瞬态电压、过热保护、防止电流直通、欠电压自锁等功能。2 A3972 的引脚排列和引脚功能A3972 的引脚排列如图 1 所示，各个引脚的功能如下所述：引脚 1（VCP）：电压泵的输出电压引脚，主要用于驱动内部 DMOS H 桥臂的上二路 DMOS 管。引脚 2、3（CP
3、1、CP2 ）：一般在这二个引脚间接一个 0.22F 的电容器。该电容器主要是为 A3972 内部的电压泵提供电源，电压泵的输出为引脚 1（VCP）。引脚 4、9（OUT1B、OUT1A）：输出引脚，每个引脚分别与电机一相绕组的二端相连。引脚 5、20（LOAD SUPPLY1、LOAD SUPPLY2）：电机负载电源端。引脚 6、7、18、19（GROUND ）：接地端。引脚 8、17（SENSE1、SENSE2）：在此端接 1 只采样电阻器可检测负载电流，采样电阻（Rs）的大小与所设定的负载电流有效。引脚 10、11、12（STROBE、CLOCK、DATA）：这 3 个引脚是 A3972
4、 的串行接口，系统通过它们来控制 A3972。其中 STROBE 为使能信号端，CLOCK 为时钟信号端，DATA 为数据输入信号端。引脚 13（REF）：此端的电压与采样电阻 Rs 及 DAC 决定输出电机负载电流的大小。引脚 14（MUX）：闲置引脚，在实际应用电路中可悬空。引脚 15（LOGIC SUPPLY）：逻辑电路电压，可以为 5V 或 3.3V。引脚 16、21（OUT2A 、OUT2B）：输出引脚，它们分别与电机一相绕组的二端相连。引脚 22（VREG ）：内部产生的电压输出端，用于驱动 DMOS H 桥臂的下二路 DMOS 管。该端的电压被内部电路监控，一旦出现故障，H 桥输
5、出将被禁止。在实际应用中，VREG 引脚应串接一个 0.22F 的电容器到 GROUND 上。引脚 23（SLEEP）：当该引脚为低电平时，A3972 将处于睡眠状态，此时，电路消耗的电流最小，同时，H 桥输出也会被禁止，串行接口也会被复位为零状态。引脚 24（OSC）：外部时钟输入引脚，用作内部 PWM 时基，典型值为 4MHz。A3972 可使用内部 4MHz 的时钟或外部时钟。如果使用内部时钟，则应将 OSC 引脚接地。表 1 Word 0 模式Bit 功 能 Bit 功 能D0 Word select=0 D1H 桥1， DAC，LSBD2H 桥 1， DAC，位 2D3H 桥 1，
6、DAC，位 3D4H 桥 1， DAC，位 4D5H 桥 1， DAC，位 5D6H 桥1，DAC，MSBD7H 桥2， DAC，LSBD8H 桥 2， DAC，位 2D9H 桥 2， DAC，位 3D10H 桥 2， DAC，位 4D11H 桥 2， DAC，位 5D12H 桥2，DAC，MSBD13 H 桥 1 相D14 H 桥 2 相 D15 H 桥 1 模式D16 H 桥 2 模式 D17参考电压选择方式D18电流范围选择方式3 A3972 的功能对 A3972 的控制是通过 3 条串行接口线（CLOCK 、DATA、STROBE ）来实现的。每次发送时要传送 19 个 bits，先传
7、送高位 D18，最后传送最低位 D0。A3972 有二种数据模式：Word 0 位设置模式和 Word 1 位设置模式。31 Word 0 位设置模式当 D0=0 时，A3972 便进入 Word 0 模式，各位的功能见表 1，D0-D18 位的含义如下：D1-D6：用于设定通过 H 桥 1 的电流等级，当全设置为 0 时，将禁止 H 桥 1 工作，开关管关断。D7-D12：用于设定通过 H 桥 2 的电流等级，当全设置为 0 时，将禁止 H 桥 2 工作，开关管关断。D13：决定通过负载绕组 1 的电流方向。为 0，表示电流从 OUT1B 流向 OUT1A；为1，则表示电流从 OUT1A 流
8、向 OUT1B。D14：决定通过负载绕组 2 的电流方向，为 0，表示电流从 OUT2B 流向 OUT2A；为 1，则表示电流从 OUT2A 流向 OUT2B。D15：决定 H 桥 1 电流衰减模式，为 0，表示 A3972 设置成混合衰减模式；为 1，则表示设置成慢衰减模式。D16：决定 H 桥 2 电流衰减模式，为 0，表示 A3972 设置成混合衰减模式；为 1，则表示设置成慢衰减模式。D17：决定参考电压方式，为 0，表示选择内部 2V 电压基准作为参考电压；为 1，表示选择外部参考电压。D18：电流范围选择方式，为 0 表示 ITRIP=VDAC/8Rs；为 1 表示 ITRIP=V
9、DAC/4Rs。32 Word 1 位设置模式当 D0=1 时，A3972 进入 Word 1 数据模式，D1-D18 位的功能见表 2，各位的含义如下所述。表 2 Word 1 模式Bit 功 能 Bit 功 能D0 Word select=1 D1 死区时间 LSBD2 死区时间 MSB D3 关断时间 LSBD4 关断时间位 1 D5 关断时间位 2D6 关断时间位 3 D7 关断时间 MSBD8 快速衰减时间 LSB D9 快速衰减时间位 1D10 快速衰减时间位 2 D11快速衰减时间位MSBD12 振荡器控制 C0 D13 振荡器控制 C1D14 同步校正位 1 D15 同步校正位
10、 2D16 保留位 D17 保留位D18 空闲模式 D1、D2 死区时间：用于设置电流调节时不进行电流采样比较的时间。当 H 桥上桥臂某一开关管导通时，由于在开关瞬时箝位二极管和负载中的分布电容受反向恢复电流的影响，将会产生电流尖峰，从而导致错误的复位，为了防止在此段时间内这类情况的发生，应该使电流采样比较器停止工作。死区时间的具体设置为 D2D1=00：死区时间为 4/fosc;D2D1=01；死区时间为 6fosc;D2D1=10:死区时间为 8/fosc;D2D1=11：死区时间为 12/fosc。D3-D7：用于决定内部 PWM 控制电路的固定关断时间，固定关断时间由下式决定toff=
11、(1+N) 8/fosc-1/fosc(N=031)例如，当晶振频率为 4MHz 时，固定关断时间可编程设定为 1.75s63.75s。D8-D11：用于设置电流快速衰减模式所占用的时间在内部 PWM 控制电路中固定关断时间所占的比例。只有 A3972 工作在电流混合衰减模式中时，电流快速衰减才会起作用。电流快速衰减才会起作用。电流快速衰减时间由下式决定tdf=(1+N) 8/fosc-1/fosc,(N=015)例如，当晶振频率为 4MHz 时，固定关断时间可编程定为 1.75s31.75s。如果 tfdtoff,则 A3972 工作在快速衰减模式下。D12-D13：晶振控制，内部 4MHz
12、 的晶振用于产生时基和电压泵的时间。如果需要，也可以在 OSC 端外接一个晶振。为了满足更宽范围系统时钟的需要，内部分频电路能够根据不同的设置产生不同的频率。D13D12=00 ：内部 4MHz 的晶振；D13D12=01：外部时钟；D13D12=10：外部时钟的 1/2；D13D12=11 ：外部时钟的 1/4。D14-D15：在 PWM 关断时，同步校正特征将在电流衰减期间导通相应的 MOSFET，这将有效地降低电源功耗，而在绝大多数应用场合下，不用外接肖特基二极管。D15D14=00：主动模式，当发现电流过零时，关断同步校正功能，禁止反向负载电流；D15D14=01：被动模式，允许反向电
13、流，但有一个限度，当超过这个限度时，将会关断同步校正功能；D15D14=10：禁止模式，这时必须在每个桥反向并联 4 个箝位二极管；D15D14=11 ：下桥臂模式，当 PWM 关断时，下桥臂 MOSFET 导通，这时，电流从 MOSFET 内部二极管流过。因此，上桥臂则要反向并联箝位二极放宽，这种模式主要用于高压场合，它可以使每个 H 桥节省二个二极管。在这种模式下，下桥臂 MOSFET 在 PWM 关断时间内不停地导通和关断。D16、D17：使 A3972 处于测试模式，正常工作时，应该设置为 00。D18：当 D18=0 时，A3972 处于低功耗方式。输出被禁止，电压泵也停止工作，但是
14、欠压监视电路仍处于激活状态。4 串口时序数据在每一个时钟节拍的上升沿传入移位寄存器，通常情况下，STROBE 将会保持为高电平，只有在初始化为写周期时才会变为低电平。传输数据时，最先传送数据的最高位，最后传送数据的最低位。图 2 为一个完整的写数据时序图。图中的 A 是最小数据建立时间，时长为 15ns；B 是最小数据保持时间，时长为 10ns；C 是最小建立 STROBE 信号到CLOCK 上升沿时间，时长为 150ns；D 是最小 CLOCK 高电平脉冲宽度，时长为 40ns；E 是最小 CLOCK 低电平脉冲宽度，时长为 40ns；F 是最小建立 CLOCK 上升沿到 STROBE 时间
15、，时长为 50ns；G 是最小 STROBE 脉冲宽度，时长为 150ns。图 55 典型应用电路图 3 为 A3972 的典型应用电路图。从图中可以看出，只需要少量的外部元器件和几根控制线就可构成一个完整的微步距驱动二相步进电机电路。图 4 为 8 细分正弦波驱动时二相步进电机的一相电机绕组理论电流波形。笔者采用混合式步进电机做实验，电机的额定电压为 12VDC，额定电流为 0.4A，相数为 2 相，连续堵转为矩为 700gcm，结构方式为组装式，工作方式为长期连续运行。图 5 为 8 细分驱动时实测的一相电机绕组电流波形。该波形为在电机一相绕相上串联一个 0.68 电阻器后所测得的该电阻器上的电压波形，因此，该波形与实际电流波形是 0.68 的倍数关系。6 结论Allegro 公司生产的串行控制步进电机驱动器件 A3972 具有优良的特性。它可以工作在整步、半步、1/4 步、1/8 步、1/16 步、1/32 （微步距）多种方式下。其特有的 3 种电流衰减模式可以使步进电机工作在不同的负载和转速下，而且都能获得较理想的电流波形。此外，它易于与单片机接口，控制方式灵活。因此，A3972 不失为一种高性能的串行控制步进电机微步距驱动器。
