随着微步进电机应用的日益广泛，其驱动电路的发展也相当迅速，各类控制芯片的功能 越来越丰富，操作也越来越简便。A3977 是一种新近开发出来、专门用于双极型步进电机的微步进电机驱动集成电路。本文的主要内容是以A3977SED芯片为核心，设计一块步进电机驱动电路，利用protel软件设计出原理图及PCB板，最后制作成实物。

关键词： 步进电机驱动  A3977    DMOS 转换

第一章 概述

1.1 步进电机概述

步进电机又称脉冲电机或阶跃电机，国外一般称为Stepper motor、Stepping motor或Stepper 等。它是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转化成相应的角位移或线位移的控制电机。它可以看作是一种特殊运行方式的同步电动机，由专用电源供给电脉冲，每输入一个脉冲，步进电机就移动一步。这种电动机的运动形式与普通迅速旋转的电动机有一定的差别，它是步进式运动的，所以称为步进电动机。又因其绕组上所加的电源式脉冲电压，有时也称它为脉冲电动机。 

步进电机受脉冲信号控制，它的直线位移量或角位移量与电脉冲数成正比，所以电机的线速度或转速也与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率的高低就可以在很大的范围内调节电机的转速，并能快速起动、制动和反转。所以，电机步距角和转速大小都不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件如温度、气压、冲击和振动等影响。它每转一周都有固定的步数，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。这些特点使它广泛使用于数字控制的开环系统中，并使整个系统大为简化而又运行可靠。 

步进电机有多种不同的结构，主要类型可分为反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机。近20多年来，步进电机驱动技术和电机结构都得到了很大的发展，逐渐形成以混合式及反应式为主的产品格局。混合式步进电动机是在同步电动机或者说是在永磁感应子式同步电动机的基础上发展起来的，其综合了该两类步进电机的特点，因而性能更好。 

1.2 步进电机驱动技术概述 

步进电机的工作必须使用专用设备—步进电机驱动器。驱动器针对每一个步进脉冲，按一定的规律向电机各相绕组通电(励磁)，以产生必要的转矩，驱动转子运动。步进电机、驱动器和控制器构成了不可分割的三大部分。步进电机驱动系统的性能除与电机自身的性能有关外，在很大程度上取决于驱动器的优劣。当电机和负载已经确定之后，整个驱动系统的性能就完全取决于驱动控制方法。 

步进电机驱动方式的发展先后有单电压驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、调频调压驱动和细分驱动等。 

(l)单电压驱动:主要特点是结构简单、成本低，通常在绕组回路中串接电阻，以改善电路的时间常数来提高电机的高频特性。缺点是串接电阻将产生大量的热，对驱动器的正常工作极其不利，尤其是在高频工作时更加严重，因而它只适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动。 

(2)高低压驱动:电机每相绕组导通时，首先施加高电压，使电流快速上升，当电流上升到额定值时， 将高电压切断，回路电流以低电压电源维持。这种方式由于电流波形得到了很大改善，电机的矩频特性较好，起动和运行频率得到了较大提高。但由于电机旋转反电势、相间互感等因素的影响易使电流波形

的顶部呈凹形，致使电机的输出转矩有所下降且需要双电源供电。 

(3)斩波恒流驱动:为了弥补高低压驱动电路中电流波形的下凹，提高输出转矩，人们研制出斩波电路，采用斩波技术使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动，流过绕组的有效电流相应增加，故电机的输出转矩增大，而且不需外接电阻，整个系统的功耗下降，效率较高，因而斩波恒流驱动应用相当广泛。 

(4)调频调压驱动:特点是施加在电机绕组的电压随工作频率的变化作相应的改变，步进电机在低频时工作在低压状态，减少能量的注入，从而抑制振荡;在高频时工作在高压状态，使电机有足够的驱动力矩。因而系统效率、运行特性等都有了明显改善。 

(5)细分驱动:它是将电机绕组中的电流细分，由常规的矩形波供电改为阶梯波供电。这样，绕组中的电流经过若干个阶梯上升到额定值，或以同样的方式从额定值下降。

第二章 驱动电路设计

2.1 总体电路

图2.1 总体电路

2.2芯片概述

  大多数微步进电机驱动器都需要一些额外的控制线，通过 D／A 转换器为 PWM 电流调节 器设置参考值以及通过相输入完成电流极性控制等。 许多改进型驱动器仍然需要一些输入来 调整 PWM 电流控制模式使其工作在慢、 快或混合衰减模式。 这就需要系统的微处理器额外负担 8～12 个需依靠 D／A 变换处理的输入端。如果一个系统需要如此多的控制输入，而且其 微处理器还要存储实现其控制的时序表，这就增加了系统的成本和复杂程度。

A3977 可以通过其特有的译码器来使这些功能实现简单化，如图 1 所示，其最简单的步 进输入只需“STEP”（步进）和“DIR”（方向）2 条输入线，输出由 DMOS 的双 H 桥完成。 通过“STEP”脚简单的输入 1 个脉冲就可以使电机完成 1 次步进， 省去了相序表， 高频控制线及复杂的编程接口。这使其更适于应用在没有复杂的微处理器或微处理器负担过重的场 合。同时 A3977 的内部电路可以自动地控制其 PWM 操作工作在快、慢及混合衰减模式。这不 但降低了电机工作时产生的噪声，也同时省去了一些额外的控制线。 

   另外，其内部低输出阻抗的 N 沟道功率 DMOS 输出结构，可以使其输出达到 2．5A，35V。 这一结构的另一优点是，使它能完成同步整流功能。由于有同步整流流功能，既降低了系统 的功耗，又可以在应用时省去外加的肖特基二极管。 

A3977 的休眠功能可以使系统不工作时的功耗达到最低。休眠时芯片的大部分内部电 路，如输出 DMOS、比较器及电荷泵等都将停止工作。从而在休眠模式时，包括电机驱动电 流在内的总电流消耗在 40μA 以内。此外，内部保护电路还有利用磁滞实现的热停车、低压 关断及换流保护等功能。 

2.2.1 芯片特点 

额定输出为：±2．5A，35V。 

低输出阻抗，源端 0．45Ω，接收端 0．36Ω。 

自动电流衰减检测并选择混合、快和慢等电流衰减模式。

逻辑电平范围为 3．0～5．5V。 

HOME 输出。 

降低功耗的同步整流功能。 

内部低压关断、热停车电路及环流保护。

2.2.2外形结构

图2.2 A3977SED外形结构图

2.2.3方框图

图2.3  A3977原理框图

2.2.4引脚定义及说明 

    A3977 有两种封装：一种是 44 引脚铜标塑封（后缀为 ED，A3977SED） ，另一种是 28 引 脚带散热衬垫的塑封（后缀为 LP，A3977SLP）

图2.4 A3977引脚图

电荷泵CP1、CP2可以产生一个高于VBB的门电平，用来驱动DMOS源端的门。其实现方法是在CP1和CP2之间接一个0．22μF的陶瓷电容。同时VCP和VBB间也需要一个0．22μF的陶瓷电容作为一个蓄能器，用来操作DMOS的高端设备。                  VREG是由系统内部产生，用于对DMOS漏端输出进行操作。VREG引脚须对地加一个0．22μF的陶瓷电容作为一个蓄能器，用来操作DMOS的高端设备。

　　VREG是由系统内部产生，用于对DMOS漏端输出进行操作。VREG引脚须对地加一个0．22μF的电容去耦。VREG是受内部的电平调节器控制的，发生故障时其输出是被禁止的。

　　RC1和RC2引脚是为内部PWM电路提供固定截止时间的。A3977的内部PWM控制电路是用一个脉冲来控制器件的截止时间的。而这个脉冲的—84—截止时间toff就是由RC1和RC2引脚对地所接的电阻RT和电容CT决定的，即：

　　                         toff＝RT CT

式中，电阻RT和电容CT的取值范围分别为12～100kΩ及470～1 500pF。

　　另外，除了可以为内部PWM控制提供截止时间外，CT还为比较器提供了关断时间tBLANK。A3977的设计要求当其输出由内部电流控制电路切换时，电路取样比较器的输出是被禁止的。从而可以防止对过电流检测作出误判断。tBLANK的取值为：

　　                        tBLANK＝1400CT

　　ENABLE输入为低电平有效，它是DMOS输出的使能控制信号。RESET输入也是低电平有效，当其为低电平时，DMOS的输出将被关断，所有的步进逻辑输入也将被忽略直至其输入变高为止。

2.2.5基本功能说明

　　由于采用了内置译码器技术，A3977可以很容易的使用最少的控制线对步进电机实施微步进控制。具体功能实现如下：

　　（1）步进控制：步进控制信号有步进输入（STEP）、步进模式逻辑输入（MS1，MS2）以及方向控制信号（DIR）。每一次上电或复位（RESET＝0）后，在内置译码器的作用下将H桥的输出预置到HOME输入所对应的输出状态，然后当STEP输入的上升沿到来后，内置译码器将根据步进逻辑的输入值（步进模式见表2）控制H桥的输出，使电机在当前步进模式下产生1次步进。步进的方向由DIR的输入逻辑控制，其高、低电平分别控制双相电机正反转。  

                          图2.5 逻辑控制图                                          

　　（2）内部PWM电流控制：每一个H桥都有一个有固定截止时间的PWM电流控制电路，以其负载电流在一个设计值。初始时，对角线上的一对源接收DMOS（一对上下桥臂）处于输出状态，电流流经电机绕组和SENCE脚所接的电流取样电阻（见图1）。当取样电阻上的压降等于D／A的输出电压时，电流取样比较器将PWM锁存器复位，从而关断源驱动器（上桥臂），进入慢衰减模式；或同时关断源接收驱动器（上下桥臂）进入快或混合衰减模式，使产生环流或电流回流至源端。该环流或回流将持续衰减至固定截止时间结束为止。然后，正确的输出桥臂被再次启动，电机绕组电流再次增加，整个PWM循环完成。其中，最大限流Imax是由取样电阻RS和电流取样比较器的输入电平VREF控制的：

　　Imax＝VREF／8RS固定截止时间toff的计算如上所述。

　　（3）电流衰减模式控制：A3977具有自动检测电流衰减及选择电流衰减模式功能，从而能给微步进提供最佳的正弦电流输出。电流衰减模式由PFD的输入进行控制，其输入电平的高低控制输出电流处于慢、快及混合衰减模式。如果PFD的输入电压高于0．6VDD，则选择慢衰减模式。如果PFD的输入电压低于0．21VDD，则选择快衰减模式。处于二者之间的PFD电平值将选择混合衰减模式。

　　其中混合衰减模式将一个PWM周期的固定截止时间分为快、慢两个衰减部分。当电流达到最大限流Imax后，系统将进入快衰减模式直至SENCE上的取样电压衰减至PFD的端电压VPFD。经过tFD的快衰减后，器件将切换至慢衰减模式直至固定截止时间结束。

    其中，器件工作在快衰减模式的时间tFD为：

　　               tFD＝RTCrln（0．6VPFD／VPFD）

　 （4）同步整流控制：同步整流控制是由SR的逻辑输入控制的。当SR输入为低电平时，同步整流功能将被启动。此期间，当检测到电流为零值时，可通过关闭同步整流功能来防止负载电流反向，从而防止了电机绕组反方向导通。而当SR输入为高电平时，同步整流将被禁止。

　　（5）休眠模式：当SLEEP引脚输入为低电平时，器件将进入休眠模式，从而大大降低器件空闲的功耗。进入休眠模式后器件的大部分内部电路包括DMOS输出电路、调节器及电荷泵等都将停止工作。当其输入为高电平时，系统恢复到正常的操作状态并将器件的输出预置到HOME状态。

第3章  电路图设计

3.1 原理图设计

图3.1 a3977芯片

图3.2 原理图

3.2 PCB板设计

图3.3 PCB板

3.3 实验结果

图3.4 板子实物图

图3.5 正面图

图3.6 侧面图

第4章 总结+展望

总结：通过这几周的课程设计学习，我们感觉有很大的收获：首先，通过学习使自己对课本上的知识可以应用于实际，使的理论与实际相结合，加深自己对课本知识的更好理解，同时实习也锻炼了我个人的动手能力：能够充分利用图书馆去查阅资料，增加了许多课本以外的知识。能对Protel等软件进行操作，能达到学以致用。对我们学生来说，理论与实际同样重要，这是我们以后在工作中说明自己能力的一个重要标准。

此次“步进电机驱动板设计”这个题目的学习，使我学到了很多新的东西，而且对以前学过的东西有了进一步的，更深的了解。在以前的学习中，所学的东西是分散的，在很多时候我都不知道学这些东西有什么用，会在哪些地方用到，经过这次学习，使我把以前所学的零散的东西可以联系起来，对它们的用途和方法，有了更深的理解，在以前，总觉得这些东西很简单。而现在使我深刻的体会到，我所学的东西还远远不够，还要学习的东西很多很多，一个很简单的电路所要考虑的因素就有可能包括很多方面的东西。也要考虑到环境等各方面的因素。所以在以后的学习中，我全尽量提高我的总和的专业水平，更多的进行实习，提高我的动手能力，争取在以后能够设计出更好的电路来。

另一方面要充分利用网上的资料，图书馆的资源，添补课上所学的空白，掌握最先进的知识，使自己的知识系统化，更加完善，更能出色的完成设计题目。

总之，在设计过程中学到了许多。作为现代的大学生，如果仅停留在以往的层次上，是远远跟不上时代的步伐，也无法使自己立足在竞争如此激烈的社会里，通过此次设计，让我看到了自己的水平和差距。

在本次大作业中，我感受到了范老师对学生的那种悔人不卷的精神，每天的固定时间，老师都来给我们指导，使我们少走弯路。

在整个设计过程中懂得了许多东西，也培养了思考和设计的能力，树立了对知识应用的信心，相信会对今后的学习工作和生活有非常大的帮助，并且提高了自己的动手实践操作能力， 使自己充分体会到了在设计过程中的成功喜悦。虽然这个设计做的不怎么好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。

    展望：步进电机今后的发展，依赖于新材料的应用，设计手段的，以及与驱动技术的最佳匹配。首先，精确的分析和设计，模型的建立和完善，是一项重要的基础研究，至今还有许多工作要做，它可以为各类问题的深入分析提供基础，为优化设计指出方向。其次，随着自动控制技术、计算机网络通信技术在众多领域中的进一步应用与发展以及数字化、智能化技术的日益发展，步进电机将会在更加深入广泛的领域中得以应用，尤其是智能化应用技术方向的发展将会成为步进电机下一阶段的发展趋势。最后，电力电子技术、微电子技术的发展，高性能永磁材料的应用及优化设计技术对步进电机的发展起到重要作用，同时驱动技术改进的作用也不容忽视，特别是微步驱动技术的应用和成熟，对步进电机的设计和发展产生了很多的影响，也提出了一系列研究的新课题和新方向。

【参考文献】

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[4] ，彭荣群.Protel DXP 2004 SP2原理图与PCB设计.电子工业出版社，2010.

[5]李秀霞, 郑春厚等.Protel DXP 2004电路设计与仿真教程.北京航空航天大学出版社,2010.下载本文