摘要：MC33991是Motorola公司生產的兩相步進電機驅動器，可以準確地控制步進電機的運動并及時反饋步時電機的工作狀態。該電路有良好的抗干擾能力，可以靈活地控制驅動步時電機，是汽車電子設備特別是汽車儀表中的理想驅動器。

    關鍵詞：步時電動機 驅動器 SPI MC33991 汽車儀表

1 MC33991的主要特點

MC33991是單獨封裝、通過SPI（同步串行外設接口）進行通信、可同時控制二個步進電機的驅動電路。該電路由4個可驅動線圈的功率H橋和輔助邏輯控制器組成。每組H橋的驅動可用來控制步時電機的速度、旋轉方向及每相線圈中電流的大小。MC33991有良好的抗干擾能力，可以十分靈活地驅動步進電機，因此是汽車電子設備特別是汽車儀表的理想驅動器。只要做一些外圍設備的改進，該電路也可以仿照氣隙磁通的運行，把普通電機轉化為步進電機來控制。MC33991的特性如下：

·最小的上層處理器（不需其他外設即可直接驅動電機）；

·仿效普通電機的運動進行控制，使電機有完美的動態和靜態性能；

·有4096個靜態指示位置；

·最大指針掃過范圍為340°；

·最大指針速度為400 deg/s;

·最大指針加速度為4500deg/s2;

·應用微步距控制技術（每步細分為12個微步）；

·指針回零校準；

·有16位SPI；

·內部時鐘校準；

·睡眠模式下的耗電量較小。

2 結構原理與引腳功能

2．1 內部結構

MC33991的內部結構框圖如圖1所示，它由PI、邏輯電路、電壓/溫度檢測及功率H橋等模塊組成。MC33991主控電路先將驅動命令通過SPI以串行數據的方式輸出，再通過邏輯電路將命令轉化成驅動信號以驅動功率H橋，H橋輸出電流直接驅動步進電機，同時MC33991中的電壓/溫度等檢測模塊可以隨時檢測電機的動轉狀態，并將檢測結果通過SPI以串行輸出方式將數據反饋給主控電路。

2．2 引腳功能

COS+、COS-、SIN+與SIN-：H橋輸出端。它們分別是H功率橋中各個半橋的輸出端。H功率橋可以直接線性控制步進電機的二組線圈，使其在4象限中運動。

GND：接地端，包括與晶閘管相連的輸出地及邏輯地，同時具備散熱作用。

CS：片選輸入端，與片選信號相連。

SCLK：串行時鐘，該引腳與主控電路的時鐘相連，決定串行外圍接口的時鐘頻率的大小。信號的占空比為50%，由CMOS電平驅動。

SO：串行輸出端，該引腳與主控電路外圍串行接口的輸入端或者與其他驅動電路的串行輸入端相連。輸出為CMOS電平，輸出的數據為狀態反饋信息或報錯信息。

SI：串行輸入端，該引腳與主控電路外圍串行接口的輸入端相連，接收主控電路提供的控制信號，SI端在電路內部有上拉電阻器，要由CMOS電平驅動。

RTX：多元輸出。指針回零時要用此引腳。

VDD：電源輸入端，為邏輯電路及SPI供電，電壓為4.5～5.5。

RST：復位端，當主控電路要復位或者要使電路進入睡眠狀態時，應將此引腳置0使電路回到默認狀態。該引腳在電路內部接有上拉電阻器。

VPWR：電池電壓，電源輸出端。電壓范圍為6.5V～26.0V，工作電流小于6.0mA。

圖2

3 SPI的引腳及通信協議

SPI為同步串行外部設備接口，可以進行16位數據的雙向傳輸，MC33991中有4個引腳：SI、SO、SCLK、CS與之相關。其中SI與SO引腳遵循先入先出（FIFO）協議進行數據輸入和輸出。所有輸入引腳都需要5.0V的CMOS驅動電平。下面具體加以介紹：

片選端CS：是主控電路與MC33991進行通訊的使能端。當CS為0時，MC33991型步進電機驅動器與主控電路傳輸數據。MC33991在CS端輸入信號的上升沿鎖存輸入數據，當CS為0時，輸出端SO輸出信號有效；當CS為1時，SI與SCLK引腳的輸入信號被忽略，SO端為高阻狀態。只有當SCLK為0時，CS端的信號才可以由1轉換為0，CS端在電路內部接上拉電阻器，專門控制I/O端口。

串行時鐘輸入端SCLK（同步時鐘）：SCLK端口為MC33991內部寄存器轉換提供時鐘信號。在其下降沿SI的信號被轉換到寄存器內部，在其上升沿同時SO的信號將寄存器中的數據轉換成輸出信號，SCLK引腳在電路內部接下拉電阻器。

串行輸入端SI：SPI的輸入端，串行輸入信號在SCLK的下降沿被讀取。輸入的數據為16位，從最高位（MSB）開始傳輸。其他的多重數據信息（16位以后的數據）將被忽略，傳輸完16位數據后，在傳輸新數據之前CS必須置1。當CS為高電平時，輸入數據被忽略。

串行輸出端SO：寄存器的輸出端口，有3種狀態（0、1、高阻）。數據在SCLK信號的上升沿被輸出，當CS為高電平時，SO引腳為高阻狀態。

4 MC33991的寄存器

MC33991型驅動器可以與微處理器直接相連，并通過16位SPI進行數據傳輸，微處理器向驅動器輸入控制數據，驅動器向微處理器輸出反饋信息。MC33991內部的寄存器及其功能如表1所列。

表1 MC33991內部寄存器

MC33991內部有6個寄存器，分別用來控制和記錄4個H橋的輸出狀態，它們的地址由SPI所輸入的16位數據中的15-13位來決定，主要功能如下：

（1）控制方面

·獨立控制每個電機的工作；

·控制電源的升降；

·校準內部時鐘；

·決定步進電機指針的位置和移動的速度；

·控制指針的回零校準。

（2）狀態輸出方面

·分別指示玩二個步進電機是否有過熱現象；

·指示電池電壓是否過高；

·指針回零狀態指示；

·內部時鐘狀態指示；

·指示輸出與指針運動是否相符。

在這6個寄存器中，能量、使能及校準寄存器（PECR）能夠使主控電路獨立控制每個步進電機驅動信號的輸出或禁止。同時還可以幫助校準電路的內部時鐘，發出空指令以得到狀態位的數據，還可以控制MC33991使其工作在“睡眠狀態”。

圖3

    最大運行速度寄存器（VELR）的第0-7位可以表示0-255個不同的數據，用來設定電機運行的最高速度，第8位和第9位分別用來控制是否將這一最大速度應用到各個步進電機上。

步進電機0/1的位置寄存器（POS0R/POS1R）可以分別確定0號步進電機和1號步進電機指針的位置。寄存器的0-11位表示4096個不同的數據，從而使電機批易地的位置在0-4095之間變化。

回零寄存器（RTZR）的第0位決定是哪個電機回零，第1位為回零的使能位。2-3位決定輸出哪8位數據，第4位為決定是無條件回零還是自動回零，5-12位必須置0。

回零配置寄存器（RTZCR）用來設定指針回零需用的參數，主要包括每一整步所用的時間、速率及空白時間的大小。空白時間指一相線圈斷電與下一相線圈通電之間的延遲時間（512μs或768μs）。該寄存器還可用來判斷指針的狀態是運動還是靜止。

狀態輸出寄存器：當CS為低電平時，狀態輸出寄存器會把它其中的16位數據通過SO端輸入到主控電路，為主控電路提供步進電機驅動及運行狀況的信息。此寄存器為只讀寄存器。其中15-8位和第7位用來指示內部時鐘是否需要校準；第6位用來指示驅動電源電壓是否正常；第5/4位用來指示在上一條指令發出后1/0號步進電機的狀態（正步/運動）；第3/2位指示步進電機1/0是否處在回零狀態；第1/0位指示步進電機1/0的溫度是否正常。圖2和圖3分別示出MC33991的輸入、輸出時序。