基于NSUC1610的步進(jìn)電機(jī)控制原理及其實(shí)際應(yīng)用

納芯微推出“Cube N課堂”系列，該系列聚焦納芯微的嵌入式電機(jī)驅(qū)動(dòng)SoC 產(chǎn)品系列。探索其多元應(yīng)用，與大家共同玩轉(zhuǎn)奇妙的“產(chǎn)品魔方”。

本期內(nèi)容

隨著現(xiàn)代汽車電子技術(shù)的快速發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)作為一種精確且可靠的執(zhí)行元件，在汽車電子系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛。為了實(shí)現(xiàn)車載步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用的精確控制，納芯微推出了集成LIN和MOSFET功率級(jí)的單芯片車用小電機(jī)驅(qū)動(dòng)SoC——NSUC1610，可以幫助客戶實(shí)現(xiàn)安全可靠的車載電機(jī)控制。

本文將結(jié)合步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)方法，重點(diǎn)介紹基于NSUC1610的步進(jìn)電機(jī)控制原理及其實(shí)際應(yīng)用，并為大家提供了相應(yīng)的demo演示。

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步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)方法

與人們熟知的大部分電機(jī)一樣，步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)也是由定子和轉(zhuǎn)子組成。轉(zhuǎn)子由軸承、鐵芯、磁鋼等構(gòu)成。轉(zhuǎn)子鐵芯帶有齒輪，是步進(jìn)電機(jī)單部步距的行程；定子是由鐵芯、定子繞組和支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)成。

步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)

根據(jù)繞組方式，步進(jìn)電機(jī)主要分為兩大類：一類是單極性步進(jìn)電機(jī)，它是由帶中心抽頭（公共線）的單繞組組成，其電流均由1、2、3、4四根線的相線流入中心抽頭公共線，因此電流方向是單向的。另一類是雙極性步進(jìn)電機(jī)，由沒有中心抽頭的繞組構(gòu)成，其電流方向是雙向的。

步進(jìn)電機(jī)的分類

單極性步進(jìn)全步運(yùn)轉(zhuǎn)示意圖

單極性步進(jìn)電機(jī)和雙極性步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式不盡相同，上圖中單極性步進(jìn)電機(jī)的A、B、C、D分別是兩相四線，5為抽頭的公共線。在驅(qū)動(dòng)電機(jī)全步運(yùn)行時(shí)，步驟如下

1

第一步

A相通電，B、C、D相不通電，A相產(chǎn)生磁場(chǎng)，且磁極是S極，吸引轉(zhuǎn)子的N極；

2

第二步

A、B相全部通電且電流相同，產(chǎn)生相同的磁極，兩個(gè)S極磁場(chǎng)矢量合成，吸引轉(zhuǎn)子向A、B相之間旋轉(zhuǎn)；

3

第三步

B相通電，A相斷電，B相產(chǎn)生磁場(chǎng)，且磁極是S極，吸引轉(zhuǎn)子的N極；

4

第四步

B、C相通電且電流相等產(chǎn)生相同的磁性，兩個(gè)S極磁場(chǎng)矢量合成，即可吸引轉(zhuǎn)子向BC相之間旋轉(zhuǎn)。

依次類推五六七八步，使整個(gè)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)起來。

雙極性步進(jìn)全步運(yùn)轉(zhuǎn)示意圖

雙極性步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是直接驅(qū)動(dòng)A+、A-、B+、B-兩相四根線來實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)的。步驟如下

1

第一步

A相通電，B相不通電，A相產(chǎn)生磁場(chǎng)且A+磁極是S極，A-磁極是N極，吸引轉(zhuǎn)子的N極至A+，S極至A-；

2

第二步

A、B相全部通電且電流相同，產(chǎn)生相同的磁極，兩個(gè)S極的N極磁場(chǎng)矢量合成，吸引轉(zhuǎn)子N極向A+、B+相之間旋轉(zhuǎn)；

3

第三步

B相通電，A相斷電，B相產(chǎn)生磁場(chǎng)且磁極是S極，吸引轉(zhuǎn)子的N極至B+；

3

第四步

B相通電，A相斷電且電流相等，產(chǎn)生相同磁性，兩個(gè)S極磁場(chǎng)矢量合成，吸引轉(zhuǎn)子N極，向B+、A-相之間旋轉(zhuǎn)。

依此類推五六七八步，整個(gè)步進(jìn)電機(jī)便旋轉(zhuǎn)起來。

基于NSUC1610的步進(jìn)電機(jī)控制

納芯微NSUC1610采用數(shù)字恒流控制技術(shù)，由PWM 100%控制每個(gè)周期的電流輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的精確調(diào)節(jié)。這意味著，在輸出電流未達(dá)到設(shè)定電流值之前，PWM輸出on，一旦達(dá)到設(shè)定電流值便輸出off；如果在輸出off之后的輸出電流低于設(shè)定值，就會(huì)在下一個(gè)周期重新輸出高電平，繼續(xù)增加輸出電流，以便在PWM輸出off時(shí)使電流及時(shí)衰減至設(shè)定值。

硬件電流控制

NSUC1610的電流控制采用三種衰減方式，以適應(yīng)不同類型和需求的步進(jìn)電機(jī)。第一種是慢衰減（slow decay）方式，打開電流輸出時(shí)，上橋臂輸出PWM波，下橋臂輸出常高；關(guān)閉電流時(shí)，關(guān)閉上橋臂，下橋臂保持常高，通過MOSFET的體二極管實(shí)現(xiàn)泄放。這種方式是將電流的電能轉(zhuǎn)化為熱能，但泄放能力有限。

異步慢衰減

第二種是快衰減（fast decay）方式，打開電流輸出時(shí)，上下橋臂均輸出PWM波；關(guān)閉電流輸出時(shí)，通過打開反向的上下橋臂，直接將能量泄放至電源充電，此時(shí)泄放能力較大。

同步快速衰減

第三種是混合衰減（mix decay）方式，它結(jié)合了前兩種方式，一段時(shí)間采用慢衰減方式，一段時(shí)間采用快衰減方式，并調(diào)控兩者的時(shí)間比例。

至于具體采用哪一種衰減方式來衰減電流，需要根據(jù)電機(jī)的電感參數(shù)及電機(jī)的轉(zhuǎn)速等合理選擇。

混合衰減

在采用NSUC1610驅(qū)動(dòng)雙極性步進(jìn)電機(jī)時(shí)，只需將電機(jī)的A+、A-、B+、B-四根線直接與MOUT0、MOUT1、MOUT2、MOUT3相連，VSS、ISNS管腳直接接地，外圍電路只需加一些必要的電容、電阻及二極管等被動(dòng)元件，即可實(shí)現(xiàn)用單芯片控制雙極性步進(jìn)電機(jī)，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)與LIN主機(jī)的通信，大大地提高系統(tǒng)的集成度和可靠性。

基于NSUC1610的步進(jìn)電機(jī)圖

從步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理來看，通過給電機(jī)的兩相通上交流電流即可使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。實(shí)際上，這是比較粗糙的步進(jìn)電機(jī)控制方式，這種控制方式產(chǎn)生的電流突變點(diǎn)較多，轉(zhuǎn)距不恒定，旋轉(zhuǎn)也就不太平順。

為了讓電機(jī)較為平順絲滑地旋轉(zhuǎn)，通常采用微步驅(qū)動(dòng)方式。微步驅(qū)動(dòng)方式不同于全步驅(qū)動(dòng)方式，它是在8步全步中去掉了4步，插入了中間點(diǎn)臨界電流，即0電流。通過不斷類推，不斷插入中間電流，即可減小電流突變，細(xì)化電機(jī)的電流變化，使之接近正弦，從而實(shí)現(xiàn)微步。微步的目標(biāo)是產(chǎn)生A、B相位差90°的正弦電流。

微步原理

NSUC1610利用數(shù)字恒流控制實(shí)現(xiàn)了微步正弦電流控制，具體實(shí)現(xiàn)原理是采用比較器恒流控制。方法是在正端接入一個(gè)橋臂電流采樣信號(hào)，負(fù)端接入一個(gè)DAC輸出電壓信號(hào)，在每一個(gè)微步控制期間觸發(fā)固定的DAC輸出。

如果橋臂電流信號(hào)大于DAC，則打開相應(yīng)的橋臂輸出；如果橋臂電流小于DAC值，則關(guān)閉相應(yīng)的橋臂輸出，這樣即可實(shí)現(xiàn)每一個(gè)微步期間的閉環(huán)恒流控制。在整個(gè)步進(jìn)區(qū)間中，根據(jù)正弦公式改變DAC輸出，即可實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)的正弦輸出，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的微步控制。

步進(jìn)電機(jī)微步電流控制

在電機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中，會(huì)出現(xiàn)一定概率的堵轉(zhuǎn)而導(dǎo)致電機(jī)失步。為了檢測(cè)電機(jī)是否出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)失步，可以通過測(cè)量電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)來判定。由于電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)與其轉(zhuǎn)速成正比，因此需要為測(cè)量到的反電動(dòng)勢(shì)設(shè)定一個(gè)合理的閾值，小于設(shè)定閾值即可認(rèn)為電機(jī)出現(xiàn)了失步。

在整個(gè)電流控制區(qū)間，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)大部分是不可測(cè)量的。只有當(dāng)電流為0，橋臂沒有導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，測(cè)量的兩個(gè)橋臂電壓才是真實(shí)反電動(dòng)勢(shì)。

步進(jìn)電機(jī)失速檢測(cè)

電機(jī)的啟動(dòng)和停止時(shí)速度為0，如果直接滿速啟動(dòng)或停止，那么電機(jī)的啟停就會(huì)很突然，出現(xiàn)不平順。為了實(shí)現(xiàn)較為平緩的速度控制，可以采用梯形加減速的方式實(shí)現(xiàn)位置控制。由于速度控制的曲線是梯形，位移曲線就是S型。從圖中可以看到，電流波形在加速減速階段較為稀疏，而在勻速階段較為密集。一般步進(jìn)電機(jī)停止前，會(huì)有一段大的穩(wěn)定電流，旨在防止電機(jī)轉(zhuǎn)到目標(biāo)位置時(shí)出現(xiàn)過沖；接著進(jìn)入hold狀態(tài)，利用一個(gè)小的hold電流可使扭矩保持不變。

步進(jìn)電機(jī)位置控制

更高效智能的車載步進(jìn)電機(jī)控制

通過采用數(shù)字恒流控制技術(shù)，NSUC1610實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)電流的精確調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同類型和需求的步進(jìn)電機(jī)。NSUC1610還支持微步驅(qū)動(dòng)方式，使步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)更加平順絲滑。