摘 要：SPI- 7210M是兩相步進/雙極性電機驅(qū)動IC，可用于電機電源電壓為36V （max） 、電機電流為±1.0A的2相勵磁1～2相勵磁電機產(chǎn)品。文章詳細闡述了SPI- 7210M的工作原理、設(shè)計要點，給出了與目前市場主流產(chǎn)品UDN2916LB的性能比較。 關(guān)鍵詞：步進電機驅(qū)動 SPI- 7210M UDN2916LB 引言 步進電機是一種數(shù)字元件，易于與數(shù)字電路接口，但一般數(shù)字電路的信號能量遠遠不足以驅(qū)動步進電機。因此，必須有一個與之匹配的驅(qū)動電路來驅(qū)動步進電機。本文介紹的SPI-7210M是SANKEN公司生產(chǎn)的新一代步進電機驅(qū)動產(chǎn)品，與目前市場上多款主流產(chǎn)品相比，SPI-7210M能確保步進電機的精確控制以及長期可靠工作。 工作原理 SPI-7210M是兩相步進電機驅(qū)動器，該電路采用雙電源 步進電機驅(qū)動：級電源 和控制邏輯電源VBB （8～30V）電壓。該器件由基極驅(qū)VDD （3～5.5 V）動電路、電流控制 電路、過熱保PWM護電路等組成。SPI-7210M的外接器件較少（電源檢出電阻2個、電源設(shè)定電阻2個） ，采用HSOP型16PIN封裝。 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能 SPI-7210M的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖所示。表1所列是其引腳功能。其中內(nèi)部電源控制電路用于給VBB端子供電，電壓范圍為8～30V。而其TSD回路 （過熱保護回路） 則可在芯片溫度超過160℃時強制停止工作，以保證產(chǎn)品的使用壽命。因此，設(shè)計時應(yīng)確保芯片工作時的溫度低于160℃，否則將導致產(chǎn)品壽命急劇縮短。電機控制信號的輸入回路通過控制端子的邏Ph，可實現(xiàn)對OutA、OutB輸出相輯電平位的控制。Ph信號為低時，OUTB電流從流入OUTA ； 而當Ph為高時，電流從OUTA流入OUTB。其控制邏輯真值表如表2所列：電機PWM電流控制回路的作用是對通過REF端輸入的基準電壓（V[sub]REF[/sub]）和SENSE端的電壓（V[sub]SENSE[/sub]）進行比較，以向前置驅(qū)動電路（Logic&PRI-Drive）輸出PWM控制信號，從而控制輸出電流。 應(yīng)用設(shè)計舉例 目前在ECR、POS、稅控收款機等領(lǐng)域使用較多的EPSON MU-110打印機芯，圖2是用SPI-7210M驅(qū)動電機的應(yīng)用電路。該打印機芯中走紙電機的電流參數(shù)如下： 加減速驅(qū)動電流：300±21 mA （2相勵磁） 定速驅(qū)動時電流：300±21 mA （2相勵磁） 保持狀態(tài)電流： 相勵90±20mA（2相勵磁） 從上述參數(shù)可知，該電路需要設(shè)計的電機驅(qū)動電流I[sub]TRIPMAX [/sub]為300 mA；若選擇參數(shù) 為V[sub]DO[/sub]電阻為5V，R[sub]1[/sub]為7 kΩ1，R[sub]2[/sub]為3kΩ，R[sub]S[/sub]為1kΩ2，那么： V[sub]REF[/sub] =V[sub]DO[/sub]R[sub]2[/sub]/（R[sub]1[/sub]+R[sub]2[/sub]）=1.5V I[sub]TRIPMAX [/sub]= V[sub]REF[/sub] /（5R[sub]s[/sub]）=300mA 具體設(shè)計中，在加減速驅(qū)動以及定速驅(qū)動時，若設(shè)置I0、I1 均為低電平，那么，此時走紙電機的驅(qū)動電流應(yīng)為I[sub]TRIPMAX [/sub]=300 mA ； 而在保持狀態(tài),若設(shè)置I0為低電平、I1為高電平，則此時走紙電機的驅(qū)動電流應(yīng)為1/3,即：I[sub]TRIPMAX [/sub]=90mA。 圖給出使用該驅(qū)動電路時的相3關(guān)電流波形。 根據(jù)該波形可計算出： 走紙電機加速時的電流為60×5=300 mA （符合理論值300±21 mA）； 走紙電機保持狀態(tài)電流為17×5=85 mA （符合理論值90±20mA） 。 設(shè)計時，可將PWM振蕩頻率固定為25 kHz左右。事實上，在低壓控制電路的控制下，當馬達電源及邏輯電源低于工作電壓范圍時，芯片將停，以防止誤動作和異常損耗。止動作在此狀態(tài)下，所有輸出口線全都處于OFF狀態(tài)。 當內(nèi)部PWM處于OFF狀態(tài)時，負荷電流將進行電流回升。在此期間，SPI-7210M可在適當?shù)臅r候使MOSFET（絕緣柵型場效應(yīng)管見圖一的內(nèi)部框圖） 導通。MOSFET沒有將電流流入驅(qū)動晶體管,相反流入了內(nèi)阻低的MOSFET本身，這樣減少了驅(qū)動本身的損耗，降低了整個芯片的溫升，因此，在SPI-7210M芯片的外部，不需要額外接肖特基二極管。 與品UDN2916LB的比較 圖4所示是基于UDN2916LB和SPI-7210M的電機驅(qū)動電路的比較圖。表3所示是它們的幾個主要參數(shù)比較。表3中的功率損耗和溫升是在24V/0.4A條件下得到的。實際上，UDN2916LB和SPI-7210M的異同點主要體現(xiàn)在以下幾點： （1）UDN2916LB為Allegro公司 20多年前的產(chǎn)品，工藝相對比較落后,封裝較大，發(fā)熱較多； 而SPI-7210M是SANKEN公司2005年生產(chǎn)的產(chǎn)品使用目前業(yè)界較先進的工藝，封裝較小，發(fā)熱較小。 （2） SPI-7210M將PWM振蕩頻率固定為25 kHz左右，減少了外圍阻容元件； 而UDN2916LB的PWM振蕩頻率需要在芯片外連接阻容元件進行調(diào)節(jié),這就額外增加了器件占用PCB的空間,由于電容值受溫度影響較大，且在設(shè)計中一般將阻容緊靠驅(qū)動芯片，驅(qū)動芯片的發(fā)熱會直接影響到阻容元件的工作溫度，從而導致溫度升高后，受阻容影響的PWM振蕩頻率偏移，從而引起驅(qū)動電流的偏差，最終燒壞電機或驅(qū)動芯片本身（而當環(huán)境溫度變化時,也有類似的隱患） 。筆者在設(shè)計、生產(chǎn)中就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了驅(qū)動芯片以及電機的燒毀很多時候與該部分外接阻容元件的選擇不當有關(guān)。 （3） SPI-7210M內(nèi)部的MOSFET在負荷電流進行電流回升時，其內(nèi)部較低的內(nèi)阻將消耗大部分電流，這樣可減少驅(qū)動晶體管本身的損耗，降低整個芯片的溫升； 而UDN2916LB需要在輸出外接4個肖特基二極管，來分散電流回升時產(chǎn)生的部分熱能和降低驅(qū)動芯片本身的溫升。 （4）成本優(yōu)勢： 目前市場參考價，SPI-7210M較UDN2916LB便宜1.5右元左； 對于整套控制方案，由于SPI-7210M外圍少了4個電阻、4個電容以及4個肖特基二極管，故整體方案成本可減少2～2.5元； 如果加上由于SPI-7210M的封裝減小以及外圍器件減少PCB面積的成本，其成本優(yōu)而減小的勢將更加明顯。 （5）在軟件控制上，SPI-7210M與UDN2916LB完全一致； 也就是說，對于老的UDN2916LB產(chǎn)品，只需在硬件行相關(guān)參數(shù)電路上稍作改動，同時進的調(diào)整就可以使用SPI-7210M，而不涉及軟件的更改，因此，替換起來相對比較方便。 結(jié)束語 SPI -7210M與目前主流產(chǎn)品UDN2916LB相比，外接元器件少，損耗低，整套方案成本低，占用的PCB空間少； 同時替換時不需更改軟件，相對來說比較方便。該芯片已經(jīng)在國外的產(chǎn)品中大批量使用并已得到可靠驗證，但是在國內(nèi)的使用還較少。目前該芯片通過筆者小批量驗證，總體來說，性能比較穩(wěn)定，可有效提高產(chǎn)品的可靠性。 參考文獻 [1]何立民 單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京 北京航空航天大學出版社,1999. [2]高種敏 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計[M].北京 機械工業(yè)出版1997. [3]王曉明 電動機的單片機控制[M].北京 北京航空航天大學出版社,2002.