AMEYA360：納芯微高集成單芯片SoC如何高效智能控制車載步進電機？

AMEYA360

　隨著現(xiàn)代汽車電子技術的快速發(fā)展，步進電機作為一種精確且可靠的執(zhí)行元件，在汽車電子系統(tǒng)中的應用日益廣泛。為了實現(xiàn)車載步進電機應用的精確控制，納芯微推出了集成LIN和MOSFET功率級的單芯片車用小電機驅(qū)動SoC——NS**1610，可以幫助客戶實現(xiàn)安全可靠的車載電機控制。

　　本文將結(jié)合步進電機的結(jié)構與驅(qū)動方法，重點介紹基于NS**1610的步進電機控制原理及其實際應用

　　步進電機結(jié)構及其驅(qū)動方法

　　與人們熟知的大部分電機一樣，步進電機的結(jié)構也是由定子和轉(zhuǎn)子組成。轉(zhuǎn)子由軸承、鐵芯、磁鋼等構成。轉(zhuǎn)子鐵芯帶有齒輪，是步進電機單部步距的行程;定子是由鐵芯、定子繞組和支撐結(jié)構構成。

　　步進電機結(jié)構

　　根據(jù)繞組方式，步進電機主要分為兩大類：一類是單極性步進電機，它是由帶中心**(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**公共線，因此電流方向是單向的。另一類是雙極性步進電機，由沒有中心**的繞組構成，其電流方向是雙向的。

　　步進電機的分類

　　單極性步進全步運轉(zhuǎn)示意圖

　　單極性步進電機和雙極性步進電機的驅(qū)動方式不盡相同，上圖中單極性步進電機的A、B、C、D分別是兩相四線，5為**的公共線。在驅(qū)動電機全步運行時，步驟如下：

　　第一步：

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

　　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S極磁場矢量合成，吸引轉(zhuǎn)子向A、B相之間旋轉(zhuǎn);

　　第三步：

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

　　第四步：

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

　　依次類推五六七八步，使整個步進電機旋轉(zhuǎn)起來。

　　雙極性步進全步運轉(zhuǎn)示意圖

　　雙極性步進電機的驅(qū)動是直接驅(qū)動A+、A-、B+、B-兩相四根線來實現(xiàn)運轉(zhuǎn)的。步驟如下：

　　第一步：

　　A相通電，B相不通電，A相產(chǎn)生磁場且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-;

　　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S極的N極磁場矢量合成，吸引轉(zhuǎn)子N極向A+、B+相之間旋轉(zhuǎn);

　　第三步：

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

　　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S極磁場矢量合成，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，整個步進電機便旋轉(zhuǎn)起來。

　　基于NS**1610的步進電機控制

　　納芯微NS**1610采用數(shù)字恒流控制技術，由PWM 100%控制每個周期的電流輸出，實現(xiàn)對輸出電流的精確調(diào)節(jié)。這意味著，在輸出電流未達到設定電流值之前，PWM輸出on，一旦達到設定電流值便輸出off;如果在輸出off之后的輸出電流低于設定值，就會在下一個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時使電流及時衰減至設定值。

　　硬件電流控制

　　NS**1610的電流控制采用三種衰減方式，以適應不同類型和需求的步進電機。第一種是慢衰減(slow decay)方式，打開電流輸出時，上橋臂輸出PWM波，下橋臂輸出常高;關閉電流時，關閉上橋臂，下橋臂保持常高，通過MOSFET的體二極管實現(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，上下橋臂均輸出PWM波;關閉電流輸出時，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，一段時間采用慢衰減方式，一段時間采用快衰減方式，并調(diào)控兩者的時間比例。

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

　　混合衰減

　　在采用NS**1610驅(qū)動雙極性步進電機時，只需將電機的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元件，即可實現(xiàn)用單芯片控制雙極性步進電機，同時還可以實現(xiàn)與LIN主機的通信，**地提高系統(tǒng)的集成度和可靠性。

　　基于NS**1610的步進電機圖

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

　　為了讓電機較為平順絲滑地旋轉(zhuǎn)，通常采用微步驅(qū)動方式。微步驅(qū)動方式不同于全步驅(qū)動方式，它是在8步全步中去掉了4步，插入了中間點臨界電流，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，細化電機的電流變化，使之接近正弦，從而實現(xiàn)微步。微步的目標是產(chǎn)生A、B相位差90°的正弦電流。

　　微步原理

　　NS**1610利用數(shù)字恒流控制實現(xiàn)了微步正弦電流控制，具體實現(xiàn)原理是采用比較器恒流控制。方法是在正端接入一個橋臂電流采樣信號，負端接入一個DAC輸出電壓信號，在每一個微步控制期間觸發(fā)固定的DAC輸出。

　　如果橋臂電流信號大于DAC，則打開相應的橋臂輸出;如果橋臂電流小于DAC值，則關閉相應的橋臂輸出，這樣即可實現(xiàn)每一個微步期間的閉環(huán)恒流控制。在整個步進區(qū)間中，根據(jù)正弦公式改變DAC輸出，即可實現(xiàn)電流信號的正弦輸出，從而實現(xiàn)步進電機的微步控制。

　　步進電機微步電流控制

　　在電機旋轉(zhuǎn)過程中，會出現(xiàn)一定概率的堵轉(zhuǎn)而導致電機失步。為了檢測電機是否出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)失步，可以通過測量電機的反電動勢來判定。由于電機的反電動勢與其轉(zhuǎn)速成正比，因此需要為測量到的反電動勢設定一個合理的閾值，小于設定閾值即可認為電機出現(xiàn)了失步。

　　在整個電流控制區(qū)間，電機的反電動勢大部分是不可測量的。只有當電流為0，橋臂沒有導通驅(qū)動電機時，測量的兩個橋臂電壓才是真實反電動勢。

　　步進電機失速檢測

　　電機的啟動和停止時速度為0，如果直接滿速啟動或停止，那么電機的啟停就會很突然，出現(xiàn)不平順。為了實現(xiàn)較為平緩的速度控制，可以采用梯形加減速的方式實現(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。一般步進電機停止前，會有一段大的穩(wěn)定電流，旨在防止電機轉(zhuǎn)到目標位置時出現(xiàn)過沖;接著進入hold狀態(tài)，利用一個小的hold電流可使扭矩保持不變。

　　步進電機位置控制

　　更高效智能的車載步進電機控制

　　通過采用數(shù)字恒流控制技術，NS**1610實現(xiàn)了對步進電機電流的精確調(diào)節(jié)，以適應不同類型和需求的步進電機。NS**1610還支持微步驅(qū)動方式，使步進電機的旋轉(zhuǎn)更加平順絲滑。