步進電機控制
步進電機控制,步進,電機,機電,控制,節(jié)制
內(nèi)置譯碼器的步進電機微步進驅(qū)動芯片A3977 應(yīng)用
2007-04-26 11:16
1 引 言
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是一種新近開發(fā)出來、專門用于雙極型步進電機的微步進電機驅(qū)動集成電路，其內(nèi)部集成了步進和直接譯碼接口、正反轉(zhuǎn)控制電路、雙H橋驅(qū)動，電流輸出2．5A，最大輸出功率可接近90W。它主要的設(shè)計功能包括：自動混合模式電流衰減控制，PWM電流控制，同步整流，低輸出阻抗的DMOS電源輸出，全、半、1／4及1／8步進操作，HOME輸出，休眠模式以及易實現(xiàn)的步進和方向接口等。其應(yīng)用電路結(jié)構(gòu)簡單、使用及控制方便，有著極其廣泛的應(yīng)用價值。
2 A3977工作特點
大多數(shù)微步進電機驅(qū)動器都需要一些額外的控制線，通過D／A轉(zhuǎn)換器為PWM電流調(diào)節(jié)器設(shè)置參考值以及通過相輸入完成電流極性控制等。許多改進型驅(qū)動器仍然需要一些輸入來調(diào)整PWM電流控制模式使其工作在慢、快或混合衰減模式。這就需要系統(tǒng)的微處理器額外負擔8～12個需依靠D／A變換處理的輸入端。如果一個系統(tǒng)需要如此多的控制輸入，而且其微處理器還要存儲實現(xiàn)其控制的時序表，這就增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜程度。
A3977可以通過其特有的譯碼器來使這些功能實現(xiàn)簡單化，如圖1所示，其最簡單的步進輸入只需“STEP”（步進）和“DIR”（方向）2條輸入線，輸出由DMOS的雙H橋完成。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擔過重的場合。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。
另外，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2．5A，35V。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40μA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。
集成電路的主要特點：
???? （1）額定輸出為：±2．5A，35V。
???? （2）低輸出阻抗，源端0．45Ω，接收端0．36Ω。
（3）自動電流衰減檢測并選擇混合、快和慢等電流衰減模式。
???? （4）邏輯電平范圍為3．0～5．5V。
???? （5）HOME輸出。
???? （6）降低功耗的同步整流功能。
（7）內(nèi)部低壓關(guān)斷、熱停車電路及環(huán)流保護。
3 A3977引腳說明
A3977有兩種封裝：一種是44引腳銅標塑封（后綴為ED，A3977SED），另一種是28引腳帶散熱襯墊的塑封（后綴為LP，A3977SLP），其引腳功能說明如表1所示。
電荷泵CP1、CP2可以產(chǎn)生一個高于VBB的門電平，用來驅(qū)動DMOS源端的門。其實現(xiàn)方法是在CP1和CP2之間接一個0．22μF的陶瓷電容。同時VCP和VBB間也需要一個0．22μF的陶瓷電容作為一個蓄能器，用來操作DMOS的高端設(shè)備。
VREG是由系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生，用于對DMOS漏端輸出進行操作。VREG引腳須對地加一個0．22μF的陶瓷電容作為一個蓄能器，用來操作DMOS的高端設(shè)備。
VREG是由系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生，用于對DMOS漏端輸出進行操作。VREG引腳須對地加一個0．22μF的電容去耦。VREG是受內(nèi)部的電平調(diào)節(jié)器控制的，發(fā)生故障時其輸出是被禁止的。
RC1和RC2引腳是為內(nèi)部PWM電路提供固定截止時間的。A3977的內(nèi)部PWM控制電路是用一個脈沖來控制器件的截止時間的。而這個脈沖的—84—截止時間toff就是由RC1和RC2引腳對地所接的電阻RT和電容CT決定的，即：
toff＝RT CT
式中，電阻RT和電容CT的取值范圍分別為12～100kΩ及470～1 500pF〉
另外，除了可以為內(nèi)部PWM控制提供截止時間外，CT還為比較器提供了關(guān)斷時間tBLANK。A3977的設(shè)計要求當其輸出由內(nèi)部電流控制電路切換時，電路取樣比較器的輸出是被禁止的。從而可以防止對過電流檢測作出誤判斷。tBLANK的取值為：
tBLANK＝1400CT
ENABLE輸入為低電平有效，它是DMOS輸出的使能控制信號。RESET輸入也是低電平有效，當其為低電平時，DMOS的輸出將被關(guān)斷，所有的步進邏輯輸入也將被忽略直至其輸入變高為止。
4 基本功能說明及應(yīng)用電路
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。具體功能實現(xiàn)如下：
?。?）步進控制：步進控制信號有步進輸入（STEP）、步進模式邏輯輸入（MS1，MS2）以及方向控制信號（DIR）。每一次上電或復(fù)位（RESET＝0）后，在內(nèi)置譯碼器的作用下將H橋的輸出預(yù)置到HOME輸入所對應(yīng)的輸出狀態(tài)，然后當STEP輸入的上升沿到來后，內(nèi)置譯碼器將根據(jù)步進邏輯的輸入值（步進模式見表2）控制H橋的輸出，使電機在當前步進模式下產(chǎn)生1次步進。
步進的方向由DIR的輸入邏輯控制，其高、低電平分別控制雙相電機正反轉(zhuǎn)。
???? 注：①全步進轉(zhuǎn)過的角度為45°。
?。?）內(nèi)部PWM電流控制：每一個H橋都有一個有固定截止時間的PWM電流控制電路，以限制其負載電流在一個設(shè)計值。初始時，對角線上的一對源接收DMOS（一對上下橋臂）處于輸出狀態(tài)，電流流經(jīng)電機繞組和SENCE腳所接的電流取樣電阻（見圖1）。當取樣電阻上的壓降等于D／A的輸出電壓時，電流取樣比較器將PWM鎖存器復(fù)位，從而關(guān)斷源驅(qū)動器（上橋臂），進入慢衰減模式；或同時關(guān)斷源接收驅(qū)動器（上下橋臂）進入快或混合衰減模式，使產(chǎn)生環(huán)流或電流回流至源端。該環(huán)流或回流將持續(xù)衰減至固定截止時間結(jié)束為止。然后，正確的輸出橋臂被再次啟動，電機繞組電流再次增加，整個PWM循環(huán)完成。
其中，最大限流Imax是由取樣電阻RS和電流取樣比較器的輸入電平VREF控制的：
Imax＝VREF／8RS固定截止時間toff的計算如上所述。
?。?）電流衰減模式控制：A3977具有自動檢測電流衰減及選擇電流衰減模式功能，從而能給微步進提供最佳的正弦電流輸出。電流衰減模式由PFD的輸入進行控制，其輸入電平的高低控制輸出電流處于慢、快及混合衰減模式。如果PFD的輸入電壓高于0．6VDD，則選擇慢衰減模式。如果PFD的輸入電壓低于0．21VDD，則選擇快衰減模式。處于二者之間的PFD電平值將選擇混合衰減模式。
其中混合衰減模式將一個PWM周期的固定截止時間分為快、慢兩個衰減部分。當電流達到最大限流Imax后，系統(tǒng)將進入快衰減模式直至SENCE上的取樣電壓衰減至PFD的端電壓VPFD。經(jīng)過tFD的快衰減后，器件將切換至慢衰減模式直至固定截止時間結(jié)束。
???? 其中，器件工作在快衰減模式的時間tFD為：
???? tFD＝RTCrln（0．6VPFD／VPFD）
（4）同步整流控制：同步整流控制是由SR的邏輯輸入控制的。當SR輸入為低電平時，同步整流功能將被啟動。此期間，當檢測到電流為零值時，可通過關(guān)閉同步整流功能來防止負載電流反向，從而防止了電機繞組反方向?qū)ā６擲R輸入為高電平時，同步整流將被禁止。
?。?）休眠模式：當SLEEP引腳輸入為低電平時，器件將進入休眠模式，從而大大降低器件空閑的功耗。進入休眠模式后器件的大部分內(nèi)部電路包括DMOS輸出電路、調(diào)節(jié)器及電荷泵等都將停止工作。當其輸入為高電平時，系統(tǒng)恢復(fù)到正常的操作狀態(tài)并將器件的輸出預(yù)置到HOME狀態(tài)。
?。?）典型應(yīng)用電路：其典型應(yīng)用電路如圖1所示，可見其應(yīng)用電路是非常簡單的，其正常工作時僅需5個邏輯輸入即可。
5 應(yīng)用注意事項
???（1）PFD引入端應(yīng)加一個0．1μF的電容去耦。
?。?）布線時應(yīng)布一個較厚的地層，最好在本器件周圍布上星形地。
???? （3）最好將芯片直接焊接在線路板上。
?。?）為VBB引腳加一個大于47μF的電解電容去耦（越靠近芯片越好）。
?。?）為保證輸出電流取樣的精確，最好使取樣電阻有自己單獨的地，并將其連到器件周圍的星形地
上，而且引線越短越好。
?。?）當系統(tǒng)由休眠模式退出后，最少要延遲1ms才可以輸入步進命令，從而為驅(qū)動DMOS的電荷泵復(fù)位提供充裕的時間
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