MS41959——低噪声、256 细分、微步进电机驱动

 产品简述

MS41959 是一款四通道步进电机驱动芯片，其中两个通

道为 12V 电压驱动，另两个通道为 5V 电压驱动，总共可以同

时驱动四个通道的步进电机。通过具有电流细分的电压驱动方

式以及扭矩纹波修正技术，实现超低噪声微步进电机驱动。

芯片另外内置一个 5V 直流电机驱动器。

主要特点

◼电压驱动方式，256 细分微步进驱动电路（四通道八个 H

桥）：12V 驱动的每个 H 桥最大驱动电流±1.0A，5V 驱动

每个 H 桥最大驱动电流±0.8A

◼四线串行总线通信控制电机

◼负载电压范围：

12V 通道：2.7V~15V

5V 通道：4.5V~5.5V

◼内置直流电机驱动，最大驱动电流±0.5A

◼QFN48 封装（背部散热片）

应用

◼机器人，精密工业设备

◼摄像机

◼监控摄像机

◼云台

产品规格分类

管脚图

管脚说明

如有需求请联系——三亚微科技 王子文（16620966594）

内部框图

极限参数

绝对最大额定值

  芯片使用中，任何超过极限参数的应用方式会对器件造成永久的损坏，芯片长时间处于极限工作

状态可能会影响器件的可靠性。极限参数只是由一系列极端测试得出，并不代表芯片可以正常工作在

此极限条件下。

注： 1. 绝对最大额定值，是指在容损范围内使用的场合。

2. 容损值，是指在Ta = 85°C时封装单体的值。实际使用时，希望在参考技术资料和PD – Ta特性图的基

础上，依据电源电压、负荷、环境温度条件，进行不超过容损值的散热设计。

3. 容损值，工作环境温度，以及存储温度的项目以外，所有温度为 Ta = 25°C。

4. 输入电压(DVDD+0.3)电压不可超过6.0V。

5. 测试条件：A通道正弦波峰值880mA，B通道正弦波峰值840mA,C通道正弦波峰值180mA，D通道正弦

波峰值220mA。

6. C，D通道内阻较大，C通道单独工作最大正弦波峰值电流不超过900mA，C，D通道同时工作时每个

通道电流不超过600mA。

工作电源电压范围

注：使用中每个电源需要供电，否则会触发欠压保护，芯片停止工作。DVDD 一般情况下为 5V 供电，

如果使用 3.3V 供电，OSC 系统时钟最高频率 20MHz，推荐使用 16MHz。

端子容许电流电压范围

注意：—容许端子电流电压范围，是指不任何情况下不允许超过这个电气参数范围。

—额定电压值，是指对 GND 的各端子的电压。GND 是指 AGND、DGND、MGNDx 的电压。

—5V 电源，是指 DVDD，AVDD 的电压。

—在下面没有记述的端子以外，严禁从外界输入电压和电流。

—关于电流，“+”表示流向 IC 的电流，“-”表示从 IC 流出的电流。

注：(DVDD + 0.3) 电压不可超过5.5V。

电气参数

MVCCA=MVCCB=12V, MVCCC=MCVCCD=MVCCE=5V, AVDD=3.3V, DVDD=5V

注意：没有特别规定，环境温度为 Ta = 25°C ±2°C。

如有需求请联系——三亚微科技 王子文（16620966594）

功能描述

1. 串行接口

注：1. 读写模式中，每个周期 CS 默认都是从 0 开始的。

2. 写模式时，必须从 OSCIN 端输入系统时钟。

电气参数（设计参考值）

MVCCx = 5V, DVDD = 5V, AVDD = 3.3V

注意：没有特别规定，环境温度为 Ta = 25°C ±2°C。本特性为设计参考值，仅供参考。

1.1 串行口输入

1. 数据转换在 CS 的上升沿开始，在 CS 的下降沿停止。

2. 一次转换的数据流单位是 24 位。

3. 从 SIN 引脚输入地址和数据时，在 CS = 1 的条件下，时钟信号 SCK 保持一致。

4. 在 SCK 信号的上升沿，数据被打入 IC。同时，数据输出时，在 SOUT 引脚读出（数据在 SCK 的上升

沿输出）。

5. 当 CS=0 时，SOUT 输出高阻态。并且当 CS=1 时，输出“0”除非有数据读出。

6. 当 CS=0 时，复位整个串行接口控制。

1.2 数据格式

C0：寄存器读写选择： 0：写模式；1：读模式

C1：不使用

A5~A0：寄存器地址

D15~D0：写入寄存器的数据

1.3 寄存器分布图

1.4 寄存器列表

1.5 寄存器建立时刻

  * 0→1：起作用于DT1x ；1→0:起作用于DT2x

  原则上来说，用于细分步进的寄存器的建立，应该在起始点延时的这段时间段执行完（参考17页

图）。在起始点延时这段时间外，写入的数据也能被存入寄存器。然而，如果写操作在刷新时间后继

续执行的话，好比在起始点激励延时的最后，建立刷新时刻不会在计划的时刻有效。举例说明：如果

在起始点激励延时后更新的数据1 4如下图一样被写入，数据1和2在a时刻立即被更新，数据3和4在b

时刻被更新。即使数据是连续写入的，更新的时间间隔了1个VFx的周期。

  由于上述原因，为了数据及时更新，寄存器数据的建立需要在起始点延时的这段时间段执行完。

2. VFx信号内部处理

  这个系统中，步进电机的反应时间和旋转时间分别基于VFx的上升沿。VFx的极性能通过下面的寄

存器设置。

寄存器细节描述

MODESEL_FZ （VFx 极性选择）

MODESEL_FZ设置输入IC内部的VFx的极性。

当设置为“0”，极性基于VFx的上升沿。当设置为“1”，极性基于VFx的下降沿。

MODESEL_FZ选择输入VFx的极性。当MODESEL_FZ的翻转时刻，如下图所示，内部会产生一个VFx信

号，此时刻与VFx的边沿无关。

3. 步进电机细分步进驱动

3.1 模块框图

  上图中模块是一个步进电机驱动内部示意图。下面的一些设置可以用来执行一系列的控制。

（下面是对 A 通道步进电机：H 桥驱动器 α/β 的描述。通道 B，C，D 与通道 A 电机执行一样的算法）

主要的设置参数：

相位矫正：驱动器 α 和驱动器 β 的相位差目标在 90°；

可以实现-22.5° +21.8°的相位修正 。                                      ——>PHMODx[5:0]

幅度设置：能独立设置驱动器 α/β 的负载驱动电流                        ——>PPWAα[7:0],PPWAβ[7:0]

PWM 频率：驱动器输出的 PWM 波频率设置                              ——>PWMMODEAB[4:0],PWMRESAB[1:0]

微步进分频数：微步数能设置成 64,128 和 256 微步进模式             ——>MICROAB[1:0]

步进周期：电机旋转速度设置。

电机旋转速度与正弦波的的微步进模式无关                                  ——>INTCTA[15:0]

3.2 相关设置的建立时刻

建立时刻和相关时间如下所示

  地址 07h 到 0Ah 的设置同 02h 到 05h 的设置相同，所以 07h 到 0Ah 的描述就省略了。如果相关寄

存器被刷新，则每一个 VF 周期来到时，会实现一次设置的加载刷新。当同样的设置被执行时超过 2 个

VF 脉冲时，没有必要在每个 VF 脉冲都写入寄存器数据。

DT1AB[7:0]（起始点延时，地址 20h）

  更新数据时间设置。在系统硬件复位后（48 引脚 RSTB：低→高），开始激励和驱动电机前

（DT1AB 结束），必须设置此项。

由于这个设置在每次 VF 脉冲来到时更新，没有必要一定在起始点延迟时间段内写入。

PWMMODEAB[4:0],PWMRESAB[1:0]（微步进输出 PWM 波频率，地址 20h）

  设置微步进输出 PWM 波频率。需要在开始激励和驱动电机前设置执行（DT1AB 结束）。

DT2A[7:0]（起始点激励延时，地址 22h）

  更新数据时间设置。复位后（48 引脚 RSTB：低→高），需要在开始激励和驱动电机前被设置执行

（DT1AB 结束）。

PHMODA[5:0]（相位矫正，地址 22h）

  通过矫正线圈 α 和 β 的相位差，驱动器产生的噪声会减少。合适的相位矫正必须依据于电机的旋

转方向和速度，此设置需要随着旋转方向 (CCWCWA)或者旋转速度 (INTCTA)的变化而改变。

PPWAα[7:0],PPWAβ[7:0]（峰值脉冲宽度，地址 23h）

  设置 PWM 最大占空比。设置需要在开始激励和驱动电机前被设置执行（DT1AB 结束）。

PSUMA[7:0]（步进电机步进数，地址 24h）

  1 个 VFx 的时间间隔内的电机的转动次数设置。

  每次 VFx 脉冲输入时，电机转动所设置的次数。因此，设置次数为“0”是可以停止电机的转动。当

设置的转动次数总额超过了 1 个 VFx 脉冲的时间，超出部分会被取消。

CCWCWA（转动方向，地址 24h）

  电机转动方向设置，只要在选择转动方向前设置即可。

BRAKEA(电机刹车设置，地址 24h）

  刹车时设置电流为 0。由于执行此设置时，很难得到电机的最终位置，所以此设置一般用于立即

停止电机。

ENDISA（电机工作 Enable/Disable，地址 24h）

  设置电机工作使能。当设置为不使能时，电机引脚输出高阻态，电机正在转动时不要设置成

disable。

MICROA[1:0]（正弦波分频数，地址 24h）

  设置正弦波的分频数。这个设置不改变转动次数和转动速度。只有当转速达不到要求时，才需要

设置此项。复位后（48 引脚 RSTB：低→高），设置有效。

INTCTA[15:0]（脉冲周期，地址 25h）

  脉冲周期设置。转动速度决定于这个设置。

3.4 寄存器细节描述

注：（1） 通道 AB 与 CD 是设置是一样的，只是寄存器的地址分别是 0Xh 与 2Xh 的区别，CD 通道

不做重复描述，如 DT1AB 做了描述，DT1CD 没有描述。

（2）通道 A 与通道 B 为镜像通道，同名寄存器如 PPWAα 与 PPWBα，DT2A 与 DT2B 设置方法也一

致，也不做重复描述。

DT1AB[7:0]（A 与 B 通道电机起始点等待时间）

DT1CD[7:0]（C 与 D 通道电机起始点等待时间）

DT1AB[7:0]设置数据写入系统的延时时间（起始点等待时间）

  电机可以精确地在起始点等待时间从“1”到“0”翻转后被激活。起始点等待时间从视频同步信号

(VFx)的上升沿开始计算。

  由于起始点延时时间是主要是用来等待串行数据的写入。应该设置寄存器值大于“0”，如果是“0”

的话，相应的数据不能更新。

  DT2A[7:0]和 DT2B[7:0]设置通道 A 电机和通道 B 电机开始转动前的等待延迟时间。

  在起始点激励等待时间从“1”到“0”翻转后，电机开始转动。起始点激励等待时间是在起始点等待

时间结束时刻开始计算。

  这个信号是 A，B 通道的单独延迟。应该设置寄存器值大于“0”，如果是“0”的话，相应的数据不能

更新。

  PWMMODEAB[4:0]通过设置系统时钟 OSCIN 的分频数来设置微步进输出 PWM 的频率。

  PWMMODEAB[4:0]能在 131 的范围内设置，PWM 波的频率在 PWMMODE = 0 和 PWMMODE = 1

时候的取值是一样的。

  PWMRESAB[1:0]与 PWMMODEAB[4:0]一起决定 PWM 频率

PWM 频率由下面的式子进行计算

                                      PWM 频率 = OSCIN 频率 / ((PWMMODE × 23 ) × 2PWMRES)  

PHMODD[5:0]（D 通道电机相位矫正）

  通道 A 步进电机的 α 相 H 桥电流和 β 相 H 桥电流的相位差由 PHMODA[5:0]设置。默认为 90°，设

置 1 个单位为 0.7°，同时数据可以取正反偏差。

  步进电机两相线圈之间的相位差一般为 90°。但是，因为电机的不同或者工艺偏差，相位差也会

偏移出 90°。因此，即使驱动波形电流的相位差 90°，但是电机本身不是相差 90°，也会产生转矩纹

波，噪声还是存在的。

  这个设置主要是减少由于电机变化时产生的转矩纹波。

PPWAx[7:0]到 PPWDx[7:0]设置 PWM 波的最大占空比，决定驱动器 A 到 D 两相输出电流峰值的位置。

最大占空比由下式进行计算：

                                    驱动器 X 最大占空比 = PPWxx/ (PWMMODExx × 8)

当 PPWxx = 0，线圈电流为 0。

举例，当 PPWAx[7:0] = 200，PWMMODEAB[4:0] = 28，最大占空比为：

                                                                                                 200 / (28 × 8) = 0.89

根据 PWMMODExx 和 PPWxx 的值，最大占空比可能超过 100%，

实际中，PWM 中占空比当然不可能超过 100% ，正弦波峰值点会被削去如下图所示：

举例说明，当 PWMMODExx = 10，PPWxx = 96，

                                                     最大占空比 = 90/(10 × 8) = 120%

目标电流的波形如下显示：

  只要 PWM 波最大占空比设置不为“0”，当 PSUMx[7:0]=0 时，电机都可以保持在释放时状态。

一个实例来看此设定的意义：

  当 PSUMA[7:0]=8 被设定，在 64 细分模式下运行 2x8=16 步，即 16/64=1/4 个 sin 周期。同理，在

128 与 256 细分模式下，同样是 1/4 个正弦波周期。

                                         ENDISA 和 ENDISB 分别设置通道 A 电机和通道 B 电机的输出控制。

                                         当 ENDISx = 0 时输出高阻态。然而，内部的激励位置计数器在 ENDISxx = 0 仍然保持计数。因此，

                                     当在正常状态下想要停止电机，设置 PSUMx[7:0] = 0，而不是设置 ENDISx = 0。

                                 当 INTCTA[15:0]=0，只要 PWM 最大占空比不为 0，电机就保持在释放时状态。

                                     举例说明：当 INTCTA[15:0]=400 时，64 细分下每步周期：

                                                                            12×400/27MHz=0.178ms

                              因此，每个正弦波周期为 0.178x64=11.4ms (87.9Hz)；同样计算，128 细分与 256 细分下也为 11.4ms。

典型应用电路图

1. MS41959 具有背部散热 PAD，大功率应用时必须接地。

2. 在 OSCIN 管脚(PIN41) 与 OSCOUT(PIN42) 之间，内置放大电路与 SMIT 电路，所以 OSCIN 与 OSCOUT

之间可以使用低成本的无源晶振；也可以在 OSCIN 管脚接有源晶振的输出（OSCOUT 悬空），或者其

他 MCU 的 CLK 输出。直流输入与交流输入幅度要求有差异。

——爱研究芯片的小王

审核编辑 黄宇