步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動NSD8381調(diào)試指南

發(fā)布人：納芯微電子時(shí)間：2024-08-29 來源：工程師

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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(shí)現(xiàn)流程，以及堵轉(zhuǎn)檢測的實(shí)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(shí)現(xiàn)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和實(shí)現(xiàn)堵轉(zhuǎn)檢測的實(shí)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(yùn)動。NSD8381支持母線欠壓保護(hù)(VSUV)，過流保護(hù)(OCP)，溫度報(bào)警(OTW/UTW)和過溫保護(hù)(OTSD)；同時(shí)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(yàn)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?cái)?shù)據(jù)，其中包含bit 15~bit 1的數(shù)據(jù)和bit 0 的奇校驗(yàn)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

SPI寄存器配置：

CONFIG_6：0x081013----配置步進(jìn)電機(jī)電流大小(HOLD:50mA; full 571mA)

CONFIG_4：0x060841----配置電流調(diào)制頻率 20k，slew rate 10V/us，filter time 2us，電流slow decay

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

測試條件：1/16微步，滿量程電流571mA，電流調(diào)制頻率20kHz, 電流調(diào)制 filter time 2us，STEP脈沖 1kHz

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(shí)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(yùn)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(yùn)行的噪音比較大一些。

在實(shí)際應(yīng)用的時(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)候，速度為零，此時(shí)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(shí)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(diǎn)：

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(shí)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(shí)間必須大于圖中的△X。為了確保反電勢的采樣點(diǎn)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(diǎn)，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(gè)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(jì)CV_DELAY為0，此時(shí)ADC的采樣點(diǎn)為零電流結(jié)束點(diǎn)。

圖10：正常轉(zhuǎn)動時(shí)反電勢波形

3. 讀取CVA，CVB，CVC，CVD以及設(shè)計(jì)CVLLA和CVLLB的值的時(shí)候，設(shè)置的寄存器位為Bit 1到Bit10，在換算電壓值的時(shí)候注意需要移一位。

3）步進(jìn)電機(jī)堵轉(zhuǎn)檢測實(shí)例

步進(jìn)電機(jī)1：2kHz step頻率，20kHz調(diào)制頻率，正常轉(zhuǎn)動時(shí)之間的OUTA1，OUTA2的反電勢為3.2V，如圖11。堵轉(zhuǎn)時(shí)OUTA1、OUTA2之間的反電勢為0.2V，如圖12。

寄存器CONFIG_5配置為寄存器0x078E00（CV_DELAY=7），根據(jù)圖11計(jì)算為350us，滿足CV_DELAY的延時(shí)采樣點(diǎn)。CVLLA配置為0x0E0027 （0.52V）。當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，可以檢測到FUNCTION_ERR置位，回讀STA_1，STALL置1。