基于A3977SED的步进电机驱动电路设计

1、浙沪上辔宁波理工学院课程设计题目基于A3977SED的步进电机驱动电路设计姓名吴镛学号专业班级07通信工程2班指导教师范胜利分院信息科学与工程分院日期2011年1月10日 摘要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A3977DMOS转换目录TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookm

2、ark4 摘要1 HYPERLINK l bookmark6 目录2 HYPERLINK l bookmark8 第一章概述3 HYPERLINK l bookmark10 步进电机概述3 HYPERLINK l bookmark12 步进电机驱动技术概述3 HYPERLINK l bookmark16 第二章驱动电路设计5 HYPERLINK l bookmark14 总体电路5 HYPERLINK l bookmark18 2.2芯片概述5芯片特点62.2.2外形结构6 HYPERLINK l bookmark20 2.2.3方框图72.2.4引脚定义及说明7 HYPERLINK l bo

3、okmark22 第3章电路图设计12 HYPERLINK l bookmark24 原理图设计12PCB板设计13 HYPERLINK l bookmark26 实验结果14 HYPERLINK l bookmark28 第4章总结+展望16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Steppermotor、Steppingmotor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

4、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

5、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

6、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。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。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

7、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。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。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

8、。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总体电路档，土We巧IflXrK白曲41卅2HLHAUSmbU蜩MT图2.1总体电路22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812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

9、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

10、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40口A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。221芯片特点额定输出为：2.5A，35V。低输出阻抗，源端0.45Q，接收端0.36Q。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3.05.5V。HOME输出。降低功

11、耗的同步整流功能。内部低压关断、热停车电路及环流保护。222外形结构图2.2A3977SED外形结构图2.2.3方框图IDGCSUPPLYREF.SUPPLYLAWFAULTQM=E5CP2CPI!_REGU-AILR一FCWGEPUMPBNCXW2VRC1FAM*才IRMEXGk-tZSTS3Q-HRCHy-MS1O-MS2Q-HDMEQr9-EEFQ-4TBO-+ENABLEQiO*proPWMTIMERILCftDSIJFPLYWT1AewePWMTIMERl-xrM0UT2AO八一CUTS-O-SJWthC.vZVCPGNDGKDGNDVKE右STEPNCNC3?38373635342

12、2更ITn29:二a寸ic二CCCMCJir-Jc-j0r-4CC图3.1a3977芯片V-.1-一”图3.2原理图3.2PCB板设计图3.3PCB板33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

13、。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

14、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，也培养了独立思考和设计的能力，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，

15、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