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10-23

步進(jìn)電機(jī)堵轉(zhuǎn)檢測技術(shù)詳解

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摘要

電機(jī)堵轉(zhuǎn)檢測是確保電機(jī)控制系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對于預(yù)防電機(jī)損壞、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和滿足行業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)都有著重要作用。

本期聚焦步進(jìn)電機(jī)的堵轉(zhuǎn)檢測，解析其重要性、介紹納芯微驅(qū)動(dòng)芯片的堵轉(zhuǎn)檢測原理，演示NSD8381堵轉(zhuǎn)檢測流程，同時(shí)介紹NSD8381與NSD8389步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的優(yōu)勢與特點(diǎn)。

為什么需要對電機(jī)進(jìn)行堵轉(zhuǎn)檢測

進(jìn)行電機(jī)堵轉(zhuǎn)檢測的原因主要包括以下幾點(diǎn)：

1. 防止電機(jī)損壞，保護(hù)電機(jī)。

2. 防止大電流損壞驅(qū)動(dòng)器，保護(hù)驅(qū)動(dòng)器。

3. 避免引發(fā)系統(tǒng)故障，提高系統(tǒng)可靠性。

4. 滿足安全標(biāo)準(zhǔn)：在某些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，會(huì)用于評估電動(dòng)機(jī)的性能和安全要求。

5. 性能評估：可以反映出電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子繞組及磁路的合理性和一些質(zhì)量問題。

6. 診斷和改進(jìn)，可以作為故障診斷的一部分，幫助識別電機(jī)缺陷。

納芯微驅(qū)動(dòng)芯片堵轉(zhuǎn)檢測的原理

電機(jī)繞組等效模型

納芯微步進(jìn)電機(jī)采用反電勢法進(jìn)行堵轉(zhuǎn)檢測，在正常情況下，電機(jī)運(yùn)行時(shí)繞組會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢（BEMF）。

公式1

公式1表達(dá)了電機(jī)繞組電壓的計(jì)算，由公式1可知，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，繞組電壓包含反電勢電壓。當(dāng)電機(jī)電流為零時(shí)，繞組兩側(cè)電壓即為反電勢電壓。

公式2

（其中：N為繞組的匝數(shù)，B代表磁場強(qiáng)度，A是被電機(jī)磁場所包圍的面積，ω是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度）

公式2表達(dá)了電機(jī)繞組中反電勢的計(jì)算。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)時(shí)，角速度為零，反電勢也為零，即可以通過檢測電流為零時(shí)反電勢變化，來判斷電機(jī)是否堵轉(zhuǎn)。

步進(jìn)電機(jī)堵轉(zhuǎn)檢測流程演示：

以NSD8381為例

第一步：配置好寄存器，讓電機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)

硬件配置

上位機(jī)界面

硬件配置：

NSD8381 demo板、步進(jìn)電機(jī)、通信串口工具、12V直流電源、示波器、信號發(fā)生器、串口發(fā)送上位機(jī)界面。

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，slew rate等

CONFIG_1: 0x030428 ---配置CTRLx (默認(rèn)采用步進(jìn)電機(jī)模式)

CONFIG_3: 0x05A901 ---使能輸出，設(shè)置微步（1/8微步）

電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)演示如以上動(dòng)圖所示：1.連接上位機(jī)和串口，2.給demo板供電，3.提供脈沖信號，4.發(fā)送寄存器配置的指令，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來。

第二步：正常轉(zhuǎn)動(dòng)反電勢波形測試

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來后，用示波器測試OUTA1、OUTA2或者OUTB1、OUTB2對地的波形，即測量電機(jī)繞組兩端的電壓，記錄此時(shí)的反電勢值以及需要設(shè)置的CV_DELAY值。

測試點(diǎn)OUTA1和OUTA2

測試波形圖

如波形所示，其中會(huì)有一段兩個(gè)OUT的電壓均不進(jìn)行PWM調(diào)制的部分，這部分波形代表電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流為零，箭頭所指黃色的電壓，即為反電勢電壓。黃色虛線兩端的時(shí)間長度，為反電勢被穩(wěn)定測量到所需要的延時(shí)，記為CV-DELAY，如圖測試反電勢為2V，CV_DELAY為350 us。

第三步：堵轉(zhuǎn)檢測寄存器CONFIG_5 (0x07)參數(shù)配置

寄存器映射表

配置CONFIG_5寄存器，需要配置CV_DELAY[4:0]、使能CV_EN、配置CV_STALL_NUM[2:0]。

CV_DELAY[4:0]是線圈BEMF反電勢電壓轉(zhuǎn)換延時(shí)配置位，可配置從1到31的值，對應(yīng)了從零開始的PWM周期數(shù)延時(shí)，該延時(shí)之后，線圈反電勢電壓開始轉(zhuǎn)換。步驟二測試的CV_DELAY即為該配置的參考值。如果該值為0，則在零電流結(jié)束時(shí)，進(jìn)行電壓采樣，適用于轉(zhuǎn)速比較快的電機(jī)。

CV_STALL_NUM[2:0]是線圈BEMF反電勢電壓堵轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)換數(shù)量配置位。可配置堵轉(zhuǎn)檢測時(shí)，線圈反電勢電壓連續(xù)轉(zhuǎn)換的次數(shù)，其最小值為1。其中檢測到超出范圍[CVLLA, CUL]，判斷失速檢測。

最后，配置CONFiG_5寄存器為0x8000，在零電流結(jié)束時(shí)，對線圈電壓進(jìn)行采樣，反電勢電壓連續(xù)轉(zhuǎn)換次數(shù)為1。

第四步：電機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)回讀反電勢值演示

配置好CONFiG_5寄存器后，電機(jī)還是正常轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)，此時(shí)通過串口去回讀CVA，CVB，CVC，CVD。記錄此時(shí)的CV值，并和示波器測試的反電勢值進(jìn)行比較。此步驟需要讓CONFIG_5的配置使回讀的CV值盡可能接近示波器測試的反電勢值。如回讀值和測試值存在偏差，需要調(diào)整CONFiG_5的CV_DELAY和CV_STALL_NUM。

此時(shí)，寄存器CVA，CVB，CVC，CVD返回的值0x008E（最大值），換算過來高值為1.94V，接近實(shí)測反電勢2V。

第五步：測試電機(jī)堵轉(zhuǎn)波形

第五步，讓電機(jī)堵轉(zhuǎn)，同步驟二，再次測量OUTA1對地和OUTA2對地的波形。如波形顯示，反電勢電壓顯示0V。

第六步：配置好寄存器，讓電機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)

第六步，此時(shí)電機(jī)仍是堵轉(zhuǎn)的狀態(tài)。如演示，再次讀取CVA，CVB，CVC和CVD。堵轉(zhuǎn)情況下回讀的值0x001B（最大值）和0x0000（最小值），換算過來低值為0.35V（最大值）和0V（最小值），和示波器測試基本一致。

第七步：配置CVLLA和CVLLB

根據(jù)記錄的“高值”和“低值”配置CVLLA和CVLLB。CVLLA和CVLLB可以選擇這兩個(gè)記錄值的中間值，其中CVLLA的值需要比反電勢大，但比CVLLB小（CUVL可以采用默認(rèn)值）。

由第三步得到“高值”1.94V，由第六步得到“低值”0V，由此設(shè)置CVLLA為0x0027 (0.52V)，設(shè)置CVLLB為0x0000 (0V)，CVUL可設(shè)置0x07FF 默認(rèn)值(28V)。

第八步：電機(jī)堵轉(zhuǎn)后回讀STA_1寄存器演示

讓電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后發(fā)生堵轉(zhuǎn)，當(dāng)電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，同時(shí)回讀STA_1寄存器。設(shè)置CONFiG_5寄存器，配置CVLLA，電機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，回讀01寄存器以及CVA，CVB，CVC，CVD，此時(shí)CV返回值在8E附近，狀態(tài)寄存器無故障上報(bào)。然后堵轉(zhuǎn)電機(jī)，回讀狀態(tài)寄存器，此時(shí)返回05，報(bào)堵轉(zhuǎn)故障。同時(shí)回讀CVA，CVB，CVC，CVD，返回反電勢為0值，說明堵轉(zhuǎn)檢測成功。

NSD8381 & NSD8389

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品介紹

NSD8381是納芯微車規(guī)級高集成式雙相雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，適用于汽車頭燈步進(jìn)控制、熱管理系統(tǒng)電子膨脹閥驅(qū)動(dòng)、HUD位置調(diào)節(jié)等應(yīng)用場景。

該芯片支持最大1.35A滿量程電流，支持16檔電流調(diào)節(jié)，內(nèi)部最高32細(xì)分，多種衰減模式選擇，同時(shí)可支持四個(gè)半橋獨(dú)立工作。NSD8381支持母線欠壓保護(hù)，過流保護(hù)，溫度報(bào)警和過溫保護(hù)；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還集成了本文介紹的堵轉(zhuǎn)檢測功能，可以用于堵轉(zhuǎn)故障輸出，可以幫助客戶應(yīng)用于堵轉(zhuǎn)檢測場合。

NSD8381功能框圖

產(chǎn)品特性

◆ 寬工作電壓：4.5V ~ 36V（最大值40V）

◆ 電流高達(dá)1.35A，16檔電流調(diào)節(jié)

◆ 可編程多種細(xì)分模式，最高可達(dá)32細(xì)分模式

◆ 四種可編程衰退模式：慢衰退/混合衰退/自動(dòng)衰退1/自動(dòng)衰退2模式

◆ STEP/DIR/HOLD 三個(gè)輸入引腳或 SPI 控制

◆ 用于高精度位置控制的相位計(jì)數(shù)器

◆ 獨(dú)立4路半橋控制模式（僅適用于 QFN32）

◆ 無感堵轉(zhuǎn)檢測（反電勢過零點(diǎn)檢測）

◆ PWM展頻及壓擺率配置

◆ 24位 SPI 接口

◆ 超低功耗睡眠模式

◆ AEC-Q100認(rèn)證

全功能的保護(hù)和故障輸出

◆ SPI 報(bào)錯(cuò)

◆ 過流保護(hù)

◆ 電荷泵欠壓

◆ 過溫警告和關(guān)斷

◆ ON狀態(tài)下的開路、短路到 Vbat、短路到 GND 檢測

◆ 堵轉(zhuǎn)檢測（支持不自動(dòng)進(jìn)入保持模式）

應(yīng)用場景

◆ 頭燈位置控制 (ADB/AFS)

◆ 電子膨脹閥 (EVX)

◆ 抬頭顯示/駕駛員檢測 (HUD/DMS)

NSD8389是納芯微最新發(fā)布的車規(guī)級雙相雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，適用于汽車頭燈步進(jìn)控制、熱管理系統(tǒng)電子膨脹閥驅(qū)動(dòng)、HUD位置調(diào)節(jié)等應(yīng)用場景。其優(yōu)勢是提高了步進(jìn)電機(jī)的電流，支持到1.5A；提高了電機(jī)控制的微步數(shù)，支持256細(xì)分模式，增加更多衰減模式，支持8種decay模式。集成母線欠壓保護(hù)，過流保護(hù)，過溫保護(hù)，負(fù)載開路診斷和過流保護(hù)等多種保護(hù)功能。同時(shí)也支持堵轉(zhuǎn)檢測功能，適用于對步進(jìn)電機(jī)精度要求更高的場合。