芯耀
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本文將結(jié)合具體的案例，針對納芯微全新發(fā)布的微步控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動NSD8381，在用于步進(jìn)電機(jī)控制的實現(xiàn)流程，以及堵轉(zhuǎn)檢測的實現(xiàn)流程做詳細(xì)的介紹，幫助工程師能夠快速構(gòu)建用NSD8381驅(qū)動芯片實現(xiàn)控制步進(jìn)電機(jī)運轉(zhuǎn)和實現(xiàn)堵轉(zhuǎn)檢測的實操能力。
一、NSD8381步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片介紹
NSD8381是納芯微全新發(fā)布的車規(guī)級高集成式雙相雙極步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，可廣泛適用于汽車頭燈步進(jìn)控制（ADB/AFS），HUD位置調(diào)節(jié)電機(jī)，熱管理系統(tǒng)閥門中步進(jìn)電機(jī)或BDC電機(jī)的驅(qū)動等。
該芯片支持最大1.35A滿量程電流，包括電流斬波調(diào)節(jié)，內(nèi)部最高1/32微步轉(zhuǎn)換器和多種衰減模式選擇使步進(jìn)電機(jī)平穩(wěn)運動。NSD8381支持母線欠壓保護(hù)(VSUV)，過流保護(hù)(OCP)，溫度報警(OTW/UTW)和過溫保護(hù)(OTSD)；同時還支持輸出負(fù)載的開路診斷和過流保護(hù)。此外，NSD8381還集成了堵轉(zhuǎn)檢測功能，可以用于堵轉(zhuǎn)故障輸出。
二、?NSD8381用于步進(jìn)電機(jī)控制配置以及測試案例
1）NSD8381的SPI框架結(jié)構(gòu)
1.?SDI的輸入幀由24bit構(gòu)成以下的結(jié)構(gòu)??
???2bit 操作指令C1/C0，其中 00代表寫操作，01代表讀操作，10代表讀清
???6 bit的寄存器地址
???16bit數(shù)據(jù)，其中包含bit 15~bit 1的數(shù)據(jù)和bit 0的奇校驗位
表1：SPI 輸入幀結(jié)構(gòu)
2.?SDO的輸出幀由24bit構(gòu)成以下的結(jié)構(gòu)?
??8bit全局狀態(tài)字節(jié)，顯示返回的全局狀態(tài)，如果有故障和告警，相應(yīng)的bit會反饋故障狀態(tài)
??16bit返回數(shù)據(jù)，其中包含bit 15~bit 1的數(shù)據(jù)和bit 0 的奇校驗位
表2：SPI 輸出幀結(jié)構(gòu)
2）NSD8381步進(jìn)電機(jī)模式工作流程圖
圖1：步進(jìn)電機(jī)工作流程圖
3）NSD8381步進(jìn)電機(jī)測試硬件組成以及軟件配置
硬件設(shè)備：NSD8381?Demo?Board一塊，步進(jìn)電機(jī)，12V直流電源，USB轉(zhuǎn)TTL小工具連接到上位機(jī)，信號發(fā)生器一臺
注意：這里采用默認(rèn)slew rate ，10v/us, ? 在應(yīng)用中推薦把 slew rate 調(diào)快， slew rate 調(diào)快之后， dead time 也減小。調(diào)快對芯片在比較大的電流的工作場景下的功耗是有明顯的好處。比如，可以配置CONFIG_4: ?0x060A40， ----配置電流調(diào)制頻率 20k，slew rate 70V/us，filter time 2us， 電流slow decay
CONFIG_1：0x030428----配置CTRLx (默認(rèn)配置采用步進(jìn)電機(jī)模式)
CONFIG_3：0x058000----使能輸出，設(shè)置微步（1/16微步）
4）NSD8381步進(jìn)電機(jī)測試波形
1.?Slow decay模式測試波形
圖2：步進(jìn)電機(jī)繞組電流波形
a. 電流上升decay
b. 電流下降decay
圖3：步進(jìn)電機(jī)繞組電流波形decay波形
2.?Mix decay模式測試波形
圖4：步進(jìn)電機(jī)繞組電流波形
a. 電流上升decay
b. 電流下降decay
圖5：步進(jìn)電機(jī)繞組電流波形decay波形
>3.?Auto decay模式測試波形
圖6：步進(jìn)電機(jī)繞組電流波形
a. 電流上升decay
b. 電流下降decay
圖7：步進(jìn)電機(jī)繞組電流波形decay波形
對比三組波形，實測現(xiàn)象總結(jié)如下：Slow decay和Auto decay的模式下，其電流上升decay波形比較緩和，正弦波的峰值處毛刺較小，電機(jī)運行的聲音比較輕微。Mix decay電流上升decay的波形分成兩段，正弦波的峰值處毛刺較大，電機(jī)運行的噪音比較大一些。
在實際應(yīng)用的時候，可以根據(jù)調(diào)試decay模式來獲得合適電機(jī)的工作狀態(tài)。
三、NSD8381用于步進(jìn)電機(jī)控制堵轉(zhuǎn)檢測使用
1）堵轉(zhuǎn)檢測的原理?
圖8是步進(jìn)電機(jī)繞組的等效模型。當(dāng)電機(jī)正常轉(zhuǎn)動的時候，根據(jù)公式1 可以得到電機(jī)繞組兩側(cè)的電壓Vmotor。根據(jù)公式2可得到電機(jī)的反電勢BEMF，其中N為線圈的繞組數(shù)量，B代表磁場強(qiáng)度，A是被電機(jī)磁場所包圍的面積，w是電機(jī)轉(zhuǎn)動的角速度。
由公式1可知，當(dāng)流過電機(jī)的電流為零時，電機(jī)繞組兩側(cè)的電壓是BEMF，即反電勢電壓。由公式2 可知，反電勢電壓和電機(jī)的角速度成正比，當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)的時候，速度為零，此時反電勢為理論上也為零。因此，可以利用檢測繞組電流為零時的繞組電壓來檢測反電勢。
公式1
公式2
圖8：步進(jìn)電機(jī)繞組等效模型
2）堵轉(zhuǎn)檢測步驟
圖9：NSD8381 堵轉(zhuǎn)檢測流程
堵轉(zhuǎn)檢測過程注意點：
1. 如果涉及正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的應(yīng)用，需要在電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的時候分別執(zhí)行1-6步，記錄高值和低值。設(shè)置CVLLA的值要滿足大于正、反轉(zhuǎn)的堵轉(zhuǎn)值，但是遠(yuǎn)小于正、反轉(zhuǎn)正常轉(zhuǎn)動的反電勢值。
2. CV_DELAY設(shè)置：以圖10作為例子，CV_DELAY的時間必須大于圖中的△X。為了確保反電勢的采樣點是在圖中平坦的那一段，即△X后的那一段線圈電流為零的點，采集的值才準(zhǔn)確。圖10顯示△X =108us，內(nèi)部PWM的頻率是20kHz（50us），則這個波形的CV_DELAY值需要 大于3，即大于3×50=150us。另外需要注意的是當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動很快的情況，可以直接設(shè)計CV_DELAY為0，此時ADC的采樣點為零電流結(jié)束點。
圖10：正常轉(zhuǎn)動時反電勢波形
3. 讀取CVA，CVB，CVC，CVD以及設(shè)計CVLLA和CVLLB的值的時候，設(shè)置的寄存器位為Bit 1到Bit10，在換算電壓值的時候注意需要移一位。
3）步進(jìn)電機(jī)堵轉(zhuǎn)檢測實例
步進(jìn)電機(jī)1：2kHz step頻率，20kHz調(diào)制頻率，正常轉(zhuǎn)動時之間的OUTA1，OUTA2的反電勢為3.2V，如圖11。堵轉(zhuǎn)時OUTA1、OUTA2之間的反電勢為0.2V，如圖12。
圖11：電機(jī)1正常轉(zhuǎn)動時OUTA1和OUTA2之間波形
圖12：電機(jī)1堵轉(zhuǎn)時OUTA1、OUTA2波形
步進(jìn)電機(jī)2：1.65kHz step頻率，20kHz調(diào)制頻率，正常轉(zhuǎn)動時OUTA1、OUTA2反電勢為11.5V，如圖13。堵轉(zhuǎn)時OUTA1、OUTA2之間的反電勢為1.9V，如圖14。
寄存器CONFIG_5配置為寄存器0x078001（CV_DELAY=0）在零電流結(jié)束位置采樣。CVLLA配置 為0x0E00DB（2.98V）。當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時，可以檢測到FUNCTION_ERR置位，回讀STA_1，STALL置1。
圖13：電機(jī)2正常轉(zhuǎn)動時OUTA1和OUTA2之間波形
圖14：電機(jī)2正常堵轉(zhuǎn)時OUTA1和OUTA2之間波形
下載ECAD模型
