郗海燕

（中國電子科技集團公司 第39研究所，陜西 西安 710065）

一種典型步進電機驅(qū)動器的設(shè)計

郗海燕

（中國電子科技集團公司 第39研究所，陜西 西安 710065）

步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰频拈_環(huán)控制元件，步進電機的驅(qū)動需要配置專用驅(qū)動器，A3977是Allegro公司推出具有雙極性、可細分用于兩相式步進電機驅(qū)動的專用集成芯片。本文詳細介紹了應(yīng)用A3977芯片實現(xiàn)步進電機驅(qū)動器的設(shè)計方法及設(shè)計注意事項，并給出實際工程試驗的實測結(jié)果。該步進電機驅(qū)動器具有控制簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、低成本、定位精度高、低功耗等特點。

步進電機；步進電機驅(qū)動器；細分；A3977

步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件，由于步進電機的步距不受電壓波動和負(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、停止、反轉(zhuǎn)，在不丟步的情況下運行時，角位移的誤差不會長期積累，所以，步進電機在速度、位置等控制領(lǐng)域中的應(yīng)用愈來愈廣泛[1]。步進電機屬于DC驅(qū)動的同步電機，但無法直接用DC電源來驅(qū)動，需要配置專用的驅(qū)動器才能使用[2]。

1 步進電機的驅(qū)動設(shè)計思想

隨著微步進電機應(yīng)用的日益廣泛，其驅(qū)動電路的發(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)動電路，A3977是雙極性、可細分、用于兩相式步進電機驅(qū)動的專用集成芯片，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：步進細分控制、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步進電機實施微步進控制。其最簡單的步進輸入只需“STEP”（步進）和“DIR”（方向）2條輸入線。通過“STEP”腳簡單的輸入1個脈沖就可以使電機完成1次步進，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A3977的內(nèi)部電路可以自動地控制其PWM操作工作在快、慢及混合衰減模式。這不但降低了電機工作時產(chǎn)生的噪聲，也同時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)，可以使其輸出達到2.5 A，35 V。這一結(jié)構(gòu)的另一優(yōu)點是，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)不工作時的功耗達到最低。休眠時芯片的大部分內(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，包括電機驅(qū)動電流在內(nèi)的總電流消耗在40 μA以內(nèi)。此外，內(nèi)部保護電路還有利用磁滯實現(xiàn)的熱停車、低壓關(guān)斷及換流保護等功能。

2 某驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用

某低輪廓車載衛(wèi)星通信天線要求對天線陣的通信板實現(xiàn)準(zhǔn)確的俯仰同步定位控制。通信板包括3個接收板和一個發(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。驅(qū)動電機選用一種結(jié)構(gòu)體積小的高性能兩相混合式步進電機。針對這一工程需求特點，采用微步進驅(qū)動芯片A3977 結(jié)合ARM嵌入式微控制器設(shè)計了一款多通道智能型的步進電機驅(qū)動器。該驅(qū)動器主要功能為：接收控制器的控制速度指令控制步進電機運行；向控制器發(fā)送各電機運行狀態(tài)；對電機的運行狀態(tài)進行監(jiān)控及保護。圖2為驅(qū)動器的硬件構(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)計配以完善的軟件設(shè)計就可以完成驅(qū)動器的完整設(shè)計，軟件設(shè)計包括兩部分；ARM微處理器應(yīng)用軟件及CPLD邏輯器件硬件語言設(shè)計。

驅(qū)動器硬件設(shè)計中的注意事項：

1）A3977芯片PFD、VBB引入端應(yīng)加入相對應(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，同時設(shè)計印刷電路板時應(yīng)考慮器件的散熱設(shè)計。

3）為保證輸出電流取樣的精確，電流的取樣電阻有單獨地，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)載電機參數(shù)，設(shè)計相匹配的LC電流濾波器。

3 工程應(yīng)用及試驗結(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)動控制中采用了上述設(shè)計的多通道智能型的步進電機驅(qū)動器。步進電機選用一種結(jié)構(gòu)體積小的高性能兩相混合式步進電機，型號：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，利用了步進電機在不丟步的情況下運行時，依照輸入的脈沖數(shù)作固定角度的轉(zhuǎn)動進而得到靈活的角度控制（位置控制），并可得到與該脈沖信號頻率成正比例的轉(zhuǎn)動速度。該步進電機驅(qū)動器在工程應(yīng)用中運行良好可靠、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繞組的電壓及電流測試圖。

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

測試條件為：電機轉(zhuǎn)速 900 rpm 細分控制 1/4步

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

4 結(jié)束語

應(yīng)用內(nèi)置譯碼器步進電機微步進驅(qū)動芯片A3977設(shè)計的步進電機驅(qū)動器在工程已經(jīng)得到成功應(yīng)用。應(yīng)用試驗結(jié)果表明采用上述設(shè)計方法設(shè)計的驅(qū)動器驅(qū)動兩相混合式步進電機在要求低速、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.電機及拖動基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1981 .

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

[3] 王彥.基于FPGA的工程設(shè)計與應(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.步進電動機伺服控制技術(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：201309123

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