基于A3972的步進(jìn)電機驅(qū)動模塊設(shè)計

于曉麗

摘要：本文介紹一種基于A3972的步進(jìn)電機驅(qū)動模塊的設(shè)計，給出了驅(qū)動模塊的控制接口，內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計。

關(guān)鍵字：步進(jìn)電機；驅(qū)動模塊；A3972；pwM；細(xì)分

引言

步進(jìn)電機作為執(zhí)行器件，廣泛用于各種類型的自動控制系統(tǒng)。它是一種將離散的電脈沖信號轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的角位移或線位移的電磁機械裝置。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應(yīng)的增量驅(qū)動元件。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，因此實現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動是減小步距角、提高步進(jìn)分辨率、增加電機運行平穩(wěn)性的一種行之有效的方法。

在實際應(yīng)用中，往往要求電機運轉(zhuǎn)過程中在轉(zhuǎn)速滿足要求的同時，力矩要足夠大，而電機的轉(zhuǎn)速與力矩恰是一對矛盾體，轉(zhuǎn)速相同時電機的起動力矩要小于運行力矩，所以實際應(yīng)用中要根據(jù)電機負(fù)載力矩來確定啟動頻率與運行頻率。

本文將給出一種基于A3972驅(qū)動芯片的驅(qū)動模塊設(shè)計，以滿足實際生產(chǎn)中精密定位的需求，并給出一個合理的加速曲線，以解決電機的啟動力矩與轉(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)電機驅(qū)動集成電路，CPU可通過時鐘、數(shù)據(jù)、選通3線串口對其進(jìn)行控制，包括步進(jìn)電機的方向、速度、步進(jìn)法(細(xì)分)的設(shè)置?？刂浦噶钜源袛?shù)據(jù)形式通過兩個字的格式寫入，一個為橋電流數(shù)據(jù)字，一個為控制時間數(shù)據(jù)字。它的工作電壓可達(dá)50V，驅(qū)動電流達(dá)1.5A，一個A3972即可驅(qū)動一臺二相步進(jìn)電機。

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，它易于與單片機接口，控制方式靈活。

A3972的功率驅(qū)動采用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)電機微步距驅(qū)動器。

系統(tǒng)硬件設(shè)計

本步進(jìn)電機驅(qū)動模塊的設(shè)計是應(yīng)用于本研究所研發(fā)的自動收發(fā)卡機的收發(fā)卡機構(gòu)。根據(jù)使用需求，整體系統(tǒng)的硬件設(shè)計，大致可以分為控制部分、驅(qū)動部分、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、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組成，分別是方向控制信號、使能控制信號及切換控制信號。實際應(yīng)用中按需要給出這三種控制信號的高低電平(5V)即可方便、有效地控制電機的運轉(zhuǎn)。

控制部分的核心是單片機及其控制軟件，通過光隔電路接收由自動收發(fā)卡機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)電機的細(xì)分倍數(shù)、運行脈沖頻率、正反轉(zhuǎn)、運行速度、單次運行線位移、啟停以及切換不同工位電機等。

該部分電路主要由單片機及其外圍電路組成(見圖2)。單片機選擇8051 單片機STC12C4052，具有速度高、可靠性高、在系統(tǒng)可編程等優(yōu)點。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)動電路

驅(qū)動部分是電機可靠運行的關(guān)鍵，本部分除可按命令完成驅(qū)動電機的正反轉(zhuǎn)、加速啟動、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)成一個完整的微步距驅(qū)動二相步進(jìn)電機電路(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

由于自動收發(fā)卡機的設(shè)計是基于雙工位(工作通道)的，所以本驅(qū)動模塊內(nèi)部自帶電機切換電路，可以驅(qū)動分時工作的兩路電機。切換部分由低功耗的MOS對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提供一個相對穩(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

系統(tǒng)軟件設(shè)計是設(shè)計的關(guān)鍵部分，電機每轉(zhuǎn)動一步都是由單片機軟件向驅(qū)動芯片寫入控制字0、控制字1來實現(xiàn)的，所以控制字值的設(shè)定是設(shè)計的關(guān)鍵，本文還給出一個合理的加速曲線，以解決電機的啟動力矩與轉(zhuǎn)速的矛盾。

如圖7電機正反轉(zhuǎn)流程所示，電機每轉(zhuǎn)動一微步，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)動芯片即可。

電機啟動的加速過程分為5個速度等級，電機啟動時設(shè)定速度等級SpeedNo為0，以最小恒速位移為單位，逐漸提高速度等級，并通過設(shè)置定時器T0的值來作為兩個微步之間的時間延時，從而改變步速。圖8速度延時流程中Flag為延時結(jié)束標(biāo)志位，定時器T0溢出時置位。

結(jié)語

該驅(qū)動模塊已用于本研究所研發(fā)的自動收發(fā)卡機項目，驅(qū)動42系列兩相步進(jìn)電機，步距角為1.8°，為了進(jìn)一步提高步進(jìn)電機定位精度和系統(tǒng)的運行平穩(wěn)性，采用細(xì)分級數(shù)為16。從運行的實際情況看，該步進(jìn)電機驅(qū)動器實現(xiàn)了較高的穩(wěn)速精度，運行可靠，取得了滿意的效果。