一種典型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

郗海燕

（中國電子科技集團(tuán)公司 第39研究所，陜西 西安 710065）

一種典型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

郗海燕

（中國電子科技集團(tuán)公司 第39研究所，陜西 西安 710065）

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰频拈_環(huán)控制元件，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)需要配置專用驅(qū)動(dòng)器，A3977是Allegro公司推出具有雙極性、可細(xì)分用于兩相式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的專用集成芯片。本文詳細(xì)介紹了應(yīng)用A3977芯片實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，并給出實(shí)際工程試驗(yàn)的實(shí)測結(jié)果。該步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器具有控制簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、低成本、定位精度高、低功耗等特點(diǎn)。

步進(jìn)電機(jī)；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；細(xì)分；A3977

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件，由于步進(jìn)電機(jī)的步距不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響，也不受環(huán)境條件的限制，而只與脈沖頻率成正比。它能夠按照控制脈沖數(shù)的要求，立即起動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)，在不丟步的情況下運(yùn)行時(shí)，角位移的誤差不會(huì)長期積累，所以，步進(jìn)電機(jī)在速度、位置等控制領(lǐng)域中的應(yīng)用愈來愈廣泛[1]。步進(jìn)電機(jī)屬于DC驅(qū)動(dòng)的同步電機(jī)，但無法直接用DC電源來驅(qū)動(dòng)，需要配置專用的驅(qū)動(dòng)器才能使用[2]。

1 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)思想

隨著微步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用的日益廣泛，其驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)展也相當(dāng)迅速，各類控制芯片的功能越來越豐富，操作也越來越簡便。A3977是Allegro公司推出的一體化集成驅(qū)動(dòng)電路，A3977是雙極性、可細(xì)分、用于兩相式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的專用集成芯片，電流輸出2.5 A，最大輸出功率可接近90 W。其主要功能包括：步進(jìn)細(xì)分控制、方向控制、速度控制、電流控制、睡眠控制及功率放大。圖1為A3977的邏輯框圖[5]。

由于采用了內(nèi)置譯碼器技術(shù)，A3977可以很容易的使用最少的控制線對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)施微步進(jìn)控制。其最簡單的步進(jìn)輸入只需“STEP”（步進(jìn)）和“DIR”（方向）2條輸入線。通過“STEP”腳簡單的輸入1個(gè)脈沖就可以使電機(jī)完成1次步進(jìn)，省去了相序表，高頻控制線及復(fù)雜的編程接口。這使其更適于應(yīng)用在沒有復(fù)雜的微處理器或微處理器負(fù)擔(dān)過重的場合。同時(shí)A3977的內(nèi)部電路可以自動(dòng)地控制其PWM操作工作在快、慢及混合衰減模式。這不但降低了電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲，也同時(shí)省去了一些額外的控制線。

其內(nèi)部低輸出阻抗的N溝道功率DMOS輸出結(jié)構(gòu)，可以使其輸出達(dá)到2.5 A，35 V。這一結(jié)構(gòu)的另一優(yōu)點(diǎn)是，使它能完成同步整流功能。由于有同步整流流功能，既降低了系統(tǒng)的功耗，又可以在應(yīng)用時(shí)省去外加的肖特基二極管。

A3977的休眠功能可以使系統(tǒng)不工作時(shí)的功耗達(dá)到最低。休眠時(shí)芯片的大部分內(nèi)部電路，如輸出DMOS、比較器及電荷泵等都將停止工作。從而在休眠模式時(shí)，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流在內(nèi)的總電流消耗在40 μA以內(nèi)。此外，內(nèi)部保護(hù)電路還有利用磁滯實(shí)現(xiàn)的熱停車、低壓關(guān)斷及換流保護(hù)等功能。

2 某驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用

某低輪廓車載衛(wèi)星通信天線要求對(duì)天線陣的通信板實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的俯仰同步定位控制。通信板包括3個(gè)接收板和一個(gè)發(fā)射板。天線陣的通信板具有輕負(fù)載、結(jié)構(gòu)緊湊、空間狹小等特點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用一種結(jié)構(gòu)體積小的高性能兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。針對(duì)這一工程需求特點(diǎn)，采用微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)芯片A3977 結(jié)合ARM嵌入式微控制器設(shè)計(jì)了一款多通道智能型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器主要功能為：接收控制器的控制速度指令控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行；向控制器發(fā)送各電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；對(duì)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控及保護(hù)。圖2為驅(qū)動(dòng)器的硬件構(gòu)成框圖。

圖1 A3977邏輯框圖Fig.1 A3977 logic diagram Of A3977

圖2 驅(qū)動(dòng)器硬件構(gòu)成框圖Fig.2 Hardware composition of stepper motor driver

結(jié)合上述硬件設(shè)計(jì)配以完善的軟件設(shè)計(jì)就可以完成驅(qū)動(dòng)器的完整設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)包括兩部分；ARM微處理器應(yīng)用軟件及CPLD邏輯器件硬件語言設(shè)計(jì)。

驅(qū)動(dòng)器硬件設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)：

1）A3977芯片PFD、VBB引入端應(yīng)加入相對(duì)應(yīng)的去耦電容（越靠近芯片越好）；

2）PCB印制板布線應(yīng)布較厚的地層，最好在A3977芯片周圍布上星行地，同時(shí)設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)應(yīng)考慮器件的散熱設(shè)計(jì)。

3）為保證輸出電流取樣的精確，電流的取樣電阻有單獨(dú)地，并將其連到器件周圍的星形地上，而且引線越短越好。

4）根據(jù)負(fù)載電機(jī)參數(shù)，設(shè)計(jì)相匹配的LC電流濾波器。

3 工程應(yīng)用及試驗(yàn)結(jié)果

在某低輪廓車載衛(wèi)星通信天線的天線控制系統(tǒng)通信板的俯仰驅(qū)動(dòng)控制中采用了上述設(shè)計(jì)的多通道智能型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)選用一種結(jié)構(gòu)體積小的高性能兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)：35BYG250B，電流：0.5 A 。俯仰的角度測量省略了測速傳感器及位置角度傳感器，利用了步進(jìn)電機(jī)在不丟步的情況下運(yùn)行時(shí)，依照輸入的脈沖數(shù)作固定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而得到靈活的角度控制（位置控制），并可得到與該脈沖信號(hào)頻率成正比例的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。該步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在工程應(yīng)用中運(yùn)行良好可靠、俯仰位置測量與定位精度高。

圖3和圖4 為用示波器測試電機(jī)繞組的電壓及電流測試圖。

圖3 電機(jī)繞組的電壓測試圖Fig.3 Measured voltage curves of machine winding

測試條件為：電機(jī)轉(zhuǎn)速 900 rpm 細(xì)分控制 1/4步

圖4 電機(jī)繞組的電流測試圖Fig.4 Measured voltage curves of machine winding

4 結(jié)束語

應(yīng)用內(nèi)置譯碼器步進(jìn)電機(jī)微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)芯片A3977設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在工程已經(jīng)得到成功應(yīng)用。應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果表明采用上述設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)兩相混合式步進(jìn)電機(jī)在要求低速、低功率、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、定位精度高的應(yīng)用場合值得推廣應(yīng)用。

[1] 顧繩谷.電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981 .

[2] 坂本正文（日）.步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].王自強(qiáng)，譯.北京：科學(xué)出版社，2010.

[3] 王彥.基于FPGA的工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

[4] 周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[5] Allegro Microsystem，LL.A3977-Datasheet .ashx.[EB/OL].（2013-04-23）[2013-05-12].http：//www.allegromicro.com/～/media/Files/Datasheets/A3977-Datasheet.ashx.

[6] 史敬灼.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服控制技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

Design of a typical stepper motor driver

XI Hai-yan
（The 39th Institute，Electronic Science and Technology Group Corporation of China，Xi'an 710065，China）

The stepper motor is a open-loop control component ，which transforms the electrical-pulse signal to the angle displacement.A3977 is designed to operate bipolar stepper motor infull-，half-，quarter-，eighth-step modes by Allegro company.The design of the bipolar stepper motor driver is presented in detail in this paper ，and the measured results in a certain application are also given.This typical steeper motor driver is easily controlled ，lowly costed，precisely positioned and lowly consumed.

stepper motor；stepper motor driver；fractionize；A3977

TN721.5

A

1674-6236（2014）11-0065-02

2013-09-16 稿件編號(hào)：201309123

郗海燕（1968—），女，陜西藍(lán)田人，高級(jí)工程師。研究方向：伺服系統(tǒng)控制與微電子技術(shù)應(yīng)用。