動(dòng)起來(lái)！步進(jìn)電機(jī)控制解惑

本文導(dǎo)讀

近幾年新能源汽車快速發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)大量應(yīng)用于電子水閥、空調(diào)電子出風(fēng)口、儀表盤(pán)、隨動(dòng)轉(zhuǎn)向大燈、主動(dòng)進(jìn)氣格柵等部件。步進(jìn)電機(jī)是什么？怎么才能讓它轉(zhuǎn)起來(lái)？本文將帶您了解步進(jìn)電機(jī) ，讓步進(jìn)電機(jī)動(dòng)起來(lái)！

步進(jìn)電機(jī)的介紹

1.簡(jiǎn)介步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電動(dòng)機(jī)。每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步，其輸出的角位移或線位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和分類方法較多，一般按勵(lì)磁方式分為磁阻式、永磁式和混磁式三種；按相數(shù)可分為單相、兩相、三相和多相等形式。 步進(jìn)電機(jī)價(jià)格便宜，擁有優(yōu)秀的啟停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)，因?yàn)闆](méi)有電刷，可靠性和壽命都較高，并且控制簡(jiǎn)單，由于其沒(méi)有過(guò)載能力，且不能高速運(yùn)行，常常被使用在低速、低負(fù)載有位置控制要求的場(chǎng)合，在各個(gè)領(lǐng)域都被廣泛應(yīng)用。 步距角是步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)，步距角越小步進(jìn)電機(jī)的控制精度越高。例如步距角1.8°，整步驅(qū)動(dòng)控制時(shí)，給1個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)1.8°，給200個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)機(jī)械角度轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。

圖1 2.驅(qū)動(dòng)方式步進(jìn)電機(jī)種類很多，下文將介紹兩相四線雙極性步進(jìn)電機(jī)的3種驅(qū)動(dòng)方式。

整步驅(qū)動(dòng)

圖2

整步驅(qū)動(dòng)可以單拍導(dǎo)通或雙拍導(dǎo)通。圖2為單拍導(dǎo)通：A –> B -> A- -> B- -> A ，由A導(dǎo)通切換成B導(dǎo)通時(shí)（(a)到(b)的過(guò)程），吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到B,因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)內(nèi)部有Z個(gè)齒數(shù)，這個(gè)過(guò)程實(shí)際上是最近的齒轉(zhuǎn)動(dòng)到B方向，即一個(gè)步距角。

雙拍導(dǎo)通：AB –> BA- -> A-B- -> B-A -> AB ,由于兩相導(dǎo)通，電流更大，可提供更大的轉(zhuǎn)矩。導(dǎo)通順序反過(guò)來(lái)即可實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)。 整步驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但控制精度低且振動(dòng)明顯。

半步驅(qū)動(dòng)

圖3

半步驅(qū)動(dòng)和整步驅(qū)動(dòng)相似，半步驅(qū)動(dòng)為單、雙拍混合導(dǎo)通：A –> AB –> B -> BA- -> A- -> A-B- -> B- -> B-A -> A 。使用半步驅(qū)動(dòng)，步距角縮小一半，控制精度提高、振動(dòng)降低，但轉(zhuǎn)矩不平穩(wěn)。 3.細(xì)分驅(qū)動(dòng)

圖4

圖5

步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)實(shí)際上是矢量控制。圖4是步進(jìn)電機(jī)的四細(xì)分控制，一個(gè)步距角細(xì)分成4步，以提高控制精度，其原理為：控制A相輸出電流大小為IA=I*cosθ，B相的為 IB=I*sinθ時(shí)，合成X方向，大小為I的電流，相當(dāng)于合成X方向的磁場(chǎng)，讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到X方向的位置。細(xì)分角度順時(shí)針增大為2θ、3θ等，通過(guò)控制A、B相電流大小，合成對(duì)應(yīng)角度的電流，就實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)楹铣纱艌?chǎng)大小和電流大小成正比，當(dāng)相電流I1=I*k時(shí)（0

高集成度電機(jī)控制芯片——NSUC1610

步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用除了考慮驅(qū)動(dòng)方式，還需要選擇一塊主控芯片，不同的主控芯片的控制方案不相同。一般步進(jìn)電機(jī)的控制方案為：MCU+驅(qū)動(dòng)器+步進(jìn)電機(jī)，由于使用驅(qū)動(dòng)器，需要占用不少的板載空間，而且成本也相對(duì)較高。而使用高集成度的電機(jī)控制芯片，可以將方案簡(jiǎn)化為：MCU+步進(jìn)電機(jī)，這樣的方案無(wú)疑可以節(jié)省空間和開(kāi)發(fā)成本。NSUC1610是納芯微推出的一款高集成度的電機(jī)控制芯片，非常適合應(yīng)用于車載步進(jìn)電機(jī)控制。

1.芯片特點(diǎn)

ARM Cortex-M3 內(nèi)核

64KBytes Flash, 4KBytes SRAM, 512 Bytes EEPROM

32MHz 高精度振蕩器，35KHz低功耗低速時(shí)鐘

工作電壓 5.5V~18V ,可承受40V短時(shí)間過(guò)壓

1個(gè)12bit 高精度1MSPS ADC

2個(gè)8bit DAC

3個(gè)快速反電勢(shì)比較器BEMFC

支持3線4線SPI通信

1個(gè)LINUART模塊，集成LIN PHY，支LIN2.X通信

3個(gè)16bit 輸入捕獲模塊

2個(gè)16bit 定時(shí)器

1個(gè)窗口看門(mén)狗和1個(gè)數(shù)字看門(mén)狗

4路半橋輸出 ，4路增強(qiáng)型互補(bǔ) EPWM 輸出，內(nèi)部有過(guò)流保護(hù)，可輸出100%占空比

每路MOUT輸出電流可達(dá)1A，1個(gè)軟件可控制的高邊驅(qū)動(dòng)

1個(gè)5V輸出的LDO和1個(gè)1.8V輸出的LDO

1個(gè)溫度傳感器 ，內(nèi)部集成過(guò)溫關(guān)斷功能，可以保護(hù)橋臂，防止出現(xiàn)過(guò)溫

支持環(huán)境溫度-40~150，結(jié)溫-40~175，全溫范圍內(nèi)靜態(tài)功耗小于50uA

QFN32封裝，僅5x5mm，符合AEC - Q100

圖6NSUC1610框圖

NSUC1610內(nèi)部集成驅(qū)動(dòng)和4路半橋，可支持驅(qū)動(dòng)直流有刷電機(jī)、直流無(wú)刷電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和繼電器等。此芯片可以用來(lái)設(shè)計(jì)車用小尺寸、小功率、高效率電機(jī)智能執(zhí)行器應(yīng)用，例如熱管理系統(tǒng)中的電子水閥、空調(diào)電子出風(fēng)口、主動(dòng)進(jìn)氣柵格系統(tǒng)執(zhí)行器(AGS/AGM)、座椅通風(fēng)無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）驅(qū)動(dòng)、隨燈轉(zhuǎn)向大燈（AFS）、旋轉(zhuǎn)/升降大屏控制、自動(dòng)充電口和自動(dòng)門(mén)把手等。 2.步進(jìn)電機(jī)控制方案 如圖7所示，NSUC1610芯片的硬件控制方案非常簡(jiǎn)單，幾乎不需要搭建外部電路，LIN是直連芯片的LIN的輸入引腳，不用收發(fā)器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式也是直連芯片。如圖8為NSUC1610芯片的總線架構(gòu)，芯片內(nèi)核使用獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線和地址總線，能夠提高取指令和取數(shù)據(jù)的效率。 步進(jìn)電機(jī)的控制使用到的關(guān)鍵模塊為： DACCMP(BEMFC模塊)、ADC、LINPORT、LINUART、TIMER0、TIMER1和EPWM模塊。 其中LINPORT和LINUART用于LIN通信；EPWM用于4路MOUT的PWM輸出；DACCMP用于電流控制，兩個(gè)8bit的DAC用于控制A、B相的電流大小，合成相應(yīng)的電流矢量以實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)；TIMER0和TIMER1可分別用于細(xì)分步的定時(shí)（控制每個(gè)細(xì)分步的執(zhí)行時(shí)間）和各種任務(wù)的定時(shí)調(diào)度；ADC可用于芯片溫度監(jiān)測(cè)和其他模擬信號(hào)的采集。

圖7步進(jìn)電機(jī)控制方案框圖

圖8NSUC1610總線架構(gòu)

3.芯片優(yōu)勢(shì) 1. 封裝小巧，內(nèi)部集成4路半橋，無(wú)需外部搭建半橋電路、LIN收發(fā)器等，僅需電源防反接等少量外圍電路設(shè)計(jì)，減少PCB設(shè)計(jì)成本、難度、空間。 2. 支持兩相四線小功率步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制，可支持32細(xì)分。 3. 支持小功率BLDC的無(wú)感控制和帶HALL的有感控制（圖9）。 4. 支持兩個(gè)小功率BDC電機(jī)的控制，或一個(gè)較大功率的BDC電機(jī)控制（圖10）。 5. 可配置的DAC，用于過(guò)流保護(hù)和步進(jìn)電機(jī)的微步控制。具有過(guò)流保護(hù)，橋臂過(guò)流自動(dòng)關(guān)斷的功能。 6. 每路MOUT輸出電流可達(dá)1A，內(nèi)部半橋高邊采用電荷泵驅(qū)動(dòng)，支持100%占空比導(dǎo)通。 7. PWMIO可復(fù)用到LIN引腳，便于客戶使用12V高壓PWMIO直接來(lái)做電機(jī)控制。 8. 雙路溫度傳感器：一個(gè)位于功率側(cè)做過(guò)溫?zé)彡P(guān)斷，一個(gè)位于低壓側(cè)做芯片溫度檢測(cè)。 9. Cortex M3處理器，編譯環(huán)境采用Keil標(biāo)準(zhǔn)編譯和開(kāi)發(fā)工具，編程器資源通用，開(kāi)發(fā)調(diào)試簡(jiǎn)單。 10. 晶圓結(jié)溫高達(dá)175°C，滿足車規(guī)Grade 0應(yīng)用目標(biāo)。

圖9BLDC控制方案

圖10兩種BDC控制方案

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式多種多樣，需要結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景的控制精度選擇不同的控制方式與主控芯片。NSUC1610支持12V汽車電池供電，可滿足大部分使用場(chǎng)景，有助于客戶減小PCB尺寸，簡(jiǎn)化生產(chǎn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)更高效、更緊湊以及高性價(jià)比的電機(jī)控制應(yīng)用設(shè)計(jì)。立功科技可提供芯片外設(shè)模塊例程、步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的例程和相關(guān)軟硬件設(shè)計(jì)參考，降低開(kāi)發(fā)難度和成本，協(xié)助廠商實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)發(fā)。

審核編輯 ：李倩