步进电机微步进驱动芯片A3977的基本功能说明及应用电路
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，其内部集成了步进和直接译码接口、正反转控制电路、双H桥驱动，电流输出2．5A，最大输出功率可接近90W。它主要的设计功能包括：自动混合模式电流衰减控制，PWM电流控制，同步整流，低输出阻抗的DMOS电源输出，全、半、1／4及1／8步进操作，HOME输出，休眠模式以及易实现的步进和方向接口等。其应用电路结构简单、使用及控制方便，有着极其广泛的应用价值。
2、A3977工作特点
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。
集成电路的主要特点：
（1）额定输出为：±2．5A，35V。
（2）低输出阻抗，源端0．45Ω，接收端0．36Ω。
（3）自动电流衰减检测并选择混合、快和慢等电流衰减模式。
（4）逻辑电平范围为3．0～5．5V。
（5）HOME输出。
（6）降低功耗的同步整流功能。
（7）内部低压关断、热停车电路及环流保护。
3、A3977引脚说明
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），其引脚功能说明如表1所示。
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。
4、基本功能说明及应用电路
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。
注：①全步进转过的角度为45°。
（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，以限制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。
（6）典型应用电路：其典型应用电路如图1所示，可见其应用电路是非常简单的，其正常工作时仅需5个逻辑输入即可。
5、应用注意事项
（1）PFD引入端应加一个0．1μF的电容去耦。
（2）布线时应布一个较厚的地层，最好在本器件周围布上星形地。
（3）最好将芯片直接焊接在线路板上。
（4）为VBB引脚加一个大于47μF的电解电容去耦（越靠近芯片越好）。
（5）为保证输出电流取样的精确，最好使取样电阻有自己单独的地，并将其连到器件周围的星形地
上，而且引线越短越好。
（6）当系统由休眠模式退出后，最少要延迟1ms才可以输入步进命令，从而为驱动DMOS的电荷泵复位提供充裕的时间。
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A3979驱动电路偶发停机故障诊断及分析
§01 故障描述
2021年初，因噪音过大问题， SST59D1200 电机四个固定螺母处增加硅胶管和橡胶减震垫。
▲ 图1.1 SST59D1200 电机外观及其外部引线
2021年5月起，在空载情况下，出现20台运行过程中偶发突然停机，停机后驱动电路 A3979 芯片、电阻R1和78M05迅速升温1至80°以上，步进电机处于松脱状态。断电后，再次通电芯片恢复正常，再次运行再次停机。间隔一晚后，再次运行故障没有重现，间隔某个时间后故障重现。故障仪器均基于A3979芯片设计驱动电路。更换TA8435芯片驱动电路，该故障没有重现。
▲ 图1.2 电机驱动电路信号逻辑电源转换部分电路图
▲ 图1.3 A3979内部功能图
A3979 驱动电路于2017年12月7日，采购20套作为第一批次测试；2018年1月18号生产300片，作为第二批次供应市场；2018年12月7日生产500套，作为第三批次供应市场；2020年8月生产500套，作为第四批次。前三批次偶发出现，无具体数量。该故障在第四批次出现，已连续出现20台。
§02 诊断与分析
2.1 输入信号分析
2.1.1 故障猜测
SST59D1200驱动电路输入端接线端子的STEP驱动信号、DIR换向信号、12V电源和电源地输入异常。
2.1.2 猜测验证
未接驱动电路，示波器测量STEP信号如图 1，脉冲周期为1ms，脉冲宽度为12μs（脉冲非等分设计，脉冲占空比 为1.2%）。其余信号类似方式测量。
▲ 图2.1.1 步进电机驱动STEP信号
▲ 图2.1.2 正常的STEP信号
2.1.3 结论
STEP驱动信号、DIR换向信号、12V电源和电源地输入信号可保持4h以上正常，符合A3979手册设计需求（最小STEP脉冲宽度为1.0μs）。该故障非输入端接线端子信号异常导致。
2.2 芯片元器件分析
2.2.1 故障猜测
SST59D1200驱动电路的采购元器件、芯片为翻新件，性能不稳定导致。
2.2.2 验证猜测
采购5片原厂芯片更换测试，或更换新的核心电阻电容器件，或更换为18年焊接生产的驱动电路，故障依然存在！
2.2.3 结论
该故障非翻新芯片或其他核心元器件导致。
2.3 市电偶发脉冲
对静电、市电偶发电脉冲分析。
2.3.1 故障猜测
静电、市电偶发脉冲，导致芯片逻辑混乱。
2.3.2 猜测验证
加液结构未接地，直接测量加液结构对地波形，接线方式见图 2。存在50Hz与24KHz混合波形，故障发生时，伴随明显的电脉冲。人体触摸加液结构，故障偶发率增高。加液结构单元接地后，可以明显降低人体静电的脉冲强度，见图 3。
▲ 图2.3.1 加液结构对地测量脉冲时参考地线接线示意图
▲ 图2.3.2 测量波形
▲ 图2.3.3 测量波形展开后的波形
▲ 图2.3.4 未接地人体触碰机械结构出现的脉冲
▲ 图2.3.5 接地后出现的脉冲
加液结构对地脉冲信号示意图：
左上图，未接地整体脉冲轮廓图。
右上图，未接地脉冲局部放大图。
左下图，未接地，人体静电带来的较大脉冲，峰高-25V。
右下图，加液结构接地后，人体静电带来脉冲，峰高-10V。
▲ 图2.3.6 抓拍DIR， STEP信号
▲ 图2.3.7 抓拍DIR， STEP信号
▲ 图2.3.8 监测STEP和DIR输入电压波形，捕捉故障点时，两者的异常波形
2.3.3 结论
静电（或市电脉冲，未模拟）可能会带来巨大脉冲，STEP、DIR均伴随故障出现异常脉冲信号，12V功率电压未见异常波形，造成驱动电路击穿或逻辑混乱，导致芯片功能异常，并出现发热等异常现象。
◎ 评述： 对于出现故障时出现的脉冲波形的检测，只能够说明这两种现象之间存在着时间上的同时性。但对于这两种现象之间的因果关系并不能够给出说明。此间存在三种可能性：
测量的脉冲是引起芯片发热的原因；
芯片发热是引起干扰脉冲的原因；
两者都是有第三个因素引起的；
2.4 芯片桥式电路分析
2.4.1 故障猜测
桥式电路上下桥失控，对地短路。
2.4.2 猜测验证
在采样电阻与GND之间串联电流表，人为热插拔电机接线端子后，芯片出现类似突然停机现象。电流表连接方式见图 5，此时电流表测量值为0mA（电极A、B两相绕组均未通电）。但人为切断上下桥电流表插头，无论单独插拔还是同时插拔，此现象没有重现，但上下桥电路随机出现某路大电流、另一路无电流，或两路均分电流值的情况。
在偶发热停机时，监测A+、B+、A-、B-四路电压，发现四路电压均为0V概率高于四路均为12V的概率。分析可知，四路电压均为0V时上桥全断下桥全通，四路均为12V时上桥全通下桥全断。
2.4.3 结论
热插拔可导致类似驱动电路发热故障现象，但两者现象完全不同，不存在关联。另外，插拔驱动板接线端子和电流表插头现象也不一致，仍需探究。
▲ 图2.4.1 人为模拟芯片发热故障，监测上下桥电流接线示意图
2.5 故障发热点分析
2.5.1 故障猜测
5V逻辑控制电路对地短路。
2.5.2 猜测验证
无论人为热插拔（同2.4.1），还是加液单元热停机，R1电压约为5.15V，计算回路电流为0.515A，78M05输入为5.67V、输出为3.46V，该部分电路图 见图 7。两种情况下，电阻R1发热功率最大，A3979次之，78M05芯片最小，三者组成故障发热回路。
▲ 图2.5.1 A3979其它电路部分分压情况，该部分与故障关联不大
2.5.3 结论
人为热插拔，或加液单元热停机，芯片发热原因在逻辑电路5V回路上。导致电阻R1、78M05和A3979短接回路，故障原因待查。
2.6 PCB接地干扰分析
2.6.1 故障猜测
PCB布线不规范，12V功率地干扰5V逻辑地。
2.6.2 猜测验证
将采样电阻地单独使用接地线直接接回12V功率地，详细改动见图 8。故障依然存在。按照A3979手册电路增加采集电路电容，故障仍未排除。
2.6.3 结论
12V功率地未干扰5V逻辑地，该故障非PCB布线接地不规范导致。
驱动电路接地改造电路实物图。信号采集处直接使用粗导线连接电源地，以去除12V接地影响。同时两个信号采集电阻并联两个22μF电容，以保证驱动电路符合A3979手册要求。
▲ 图2.6.1 驱动电路改造接地实物图
2.7 减震装置分析
2.7.1 故障猜测
加液单元步进电机SST59D1200加装减震后，由于加装电机与挡板之间的硅胶管、橡胶垫引起步进电机与机械结构完全悬空，失去电气连接，导致电机运行过程中与尼龙齿轮摩擦产生的静电无泄放回路，或电机自身电感产生高频电压对尼龙轮，进行储能而无泄放回路，串扰进驱动电路造成驱动电路逻辑混乱，进而出现热停机。加装减震结构详见图 9。
进电机加装减震实物示意图。左上图为整体四角紧箍图，右上图为局部单个紧箍图，下方两个图显示了减震硅胶套装螺钉细节图。
▲ 图2.7.1 步进电机加装减震
▲ 图2.7.2 减震硅胶套装螺钉细节图
2.7.2 猜测分析与问题复现
现有7台步进加液结构已经连续测试两周，在尼龙齿轮上面已经产生大量黑色衍生物，且这些加液装置热停机故障率已大幅度降低，部分甚至连续两天均未出现。估计其中原因为：黑色衍生物可以减小摩擦，进而减少静电的产生，因此在第二周的测试过程中7台仪器均为出现热停机现象；或黑色衍生物为铜粉末，可将电机电感产生电荷均匀分布于尼龙轮，从而降低尼龙轮局部静电电压，从而大大降低故障率。
为此，更换为全新的尼龙齿轮，使用电子打火机的压电陶瓷对其中6台设备电机或机械结构进行放电，立刻出现热停机现象，另1台仪器立刻出现热重启现象（主板芯片混乱，重启滴定仪）。不进行放电，有6台设备运行一个或多个行程也出现热停机现象。
2.7.3 解决方案
维持现有的减震效果，对上述有7台步进加液结构均采取电机与机械结构电气连接后，再与大地相接，连续运行8小时，未出现热停机，电路连接详见图 10。且使用电子打火机的压电陶瓷对电机或机械结构连续放电20回，仪器仍能正常工作。选取一型一台；二型、三型、600型电位滴定仪各三台，同时开展无故障运行168小时，并生成对应的10份无故障运行报告。
▲ 图2.7.3 电机与机械结构接地实物示意图
（1）三型滴定仪接地实施方案
使用黄绿专用接地线，分两段进行连接。第一段：电机固定螺钉与加液结构支撑柱（长度：约5cm接头方式：焊接）；第二段：加液结构任意支撑柱与电路板支撑柱连接处，首先加装厚红色垫片，然后加装黄绿接地线焊片，最后加固（长度：约15cm接头方式：焊接）。接地线固定方式采取悬空。使用万用表测量电机外壳体（至少3点）与加液结构任意金属位置、AC220V接地线必须导通。
▲ 图2.7.4 左图为电机接地位置图；中间图为加液结构接地图；右侧为机壳接地图
（2）600型滴定仪接地实施方案
使用黄绿专用接地线，分两段进行连接。第一段：电机固定螺钉与加液结构支撑柱（长度：约5cm接头方式：焊接）；第二段：加液结构任意支撑柱与电路板支撑柱连接处相接后接入AC220V接地处（长度：约20cm接头方式：焊接）。使用万用表测量电机外壳体（至少3点）与加液结构任意金属位置、AC220V接地线必须导通。
▲ 图2.7.5 左图为600型滴定仪接地位置图；
右图为一型滴定仪接地图
§03 诊断总结
3.1 故障诊断结论
A3979驱动电路偶发停机故障原因为：步进电机SST59D1200与机械结构间加装减震装置，以减小加液单元噪声，造成电机与机械结构完全悬空，失去电气连接，电机与尼龙轮之间静电逐渐积蓄，导致最后放电，影响A3979驱动电路逻辑，产生偶发停机发热现象。
使用导线将步进电机SST59D1200和机械结构同时接地，提供静电泄放回路，减少静电放电效应，该故障即可完全消除。
3.2 展望与讨论
该故障属于典型技术革新后，为仪器局部性能提升或优化而做的升级改造，另外导致了仪器其他功能或部件故障。
任何仪器设备的工作均需整体配合完成，仪器性能也同样由每一个局部组成的整体决定。牵一发而动全身，窥一斑可知全豹。任何局部设计、改动，同样需从整体考虑，从机械配合、机械精度考虑，从电气控制、电路逻辑、接地回路考虑，从应用场景的物理、化学等角度考虑，从公司决策、管理、研发、生产和质量控制等多部门考虑。
在管理决策层面上，建议"建立健全项目负责人制度"。首先，由项目负责人牵头，成立项目小组，项目小组应尽量涵盖多专业、多部门的人员。然后，项目负责人发挥带头作用，调动组内所有人员积极性，整体考虑，消除各方面故障隐患和问题，顺利完成项目。最后，项目负责人对该项目负主要责任，后续所有相关责权利均由项目负责人承担。针对此故障，管理层应考虑"增加减震装置由哪些人、哪些部门负责"等问题。
在技术研发层面上，在模块选型时应注意抗干扰、接地等问题。电路和机械设计时，应充分考虑接地问题，尤其是金属导体、机壳、非测量电路。电路设计 时，应充分考虑芯片的选型，尤其芯片耐受静电等的冲击能力和抗干扰能力。针对此故障，技术研发人员应考虑"如何设计抗干扰能力强的控制电路"、"电路如何能降低干扰的产生"等问题。
在生产层面上，应建立量化的、过程的质量控制，确保产品的整体性能。针对此故障，生产人员应考虑"减震效果如何评价"、"减震增加会带来哪些改变，优点和缺点各有哪些"等问题。
3.3 问题与讨论
1. 尼龙齿轮长时间运行产生的黑色衍生物，有什么作用，为什么会降低热停机故障率？
解答：
2. 为什么热停机故障在几个相对固定位置，静电干扰回路如何分析？
解答：
3. 为什么热插拔方式不同（过程详见2.4），故障现象不同？
解答：
4. 什么是步进电机同步整流？
解答：
5. 对于芯片手册Control Logic与Translator的区别（是不是有些是触发器有些不是，有什么区别吗）
解答：
▲ 图3.3.1 A3979 手册截图
6. 为何步进电机芯片无ESD参数，而ADC均有此参数？
解答：
升温:为什么会温度升高。此处的80℃是如何测量的？ ↩︎
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