步進電機控制解惑

步進電機的介紹

1.簡介

步進電機是一種將電脈沖信號轉換成相應角位移或線位移的電動機。每輸入一個脈沖信號，轉子就轉動一個角度或前進一步，其輸出的角位移或線位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉速與脈沖頻率成正比。因此，步進電動機又稱脈沖電動機。步進電動機的結構形式和分類方法較多，一般按勵磁方式分為磁阻式、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。 ?

步進電機價格便宜，擁有優(yōu)秀的啟停和反轉響應，因為沒有電刷，可靠性和壽命都較高，并且控制簡單，由于其沒有過載能力，且不能高速運行，常常被使用在低速、低負載有位置控制要求的場合，在各個領域都被廣泛應用。 ?

步距角是步進電機的一個重要參數(shù)，步距角越小步進電機的控制精度越高。例如步距角1.8°，整步驅動控制時，給1個脈沖信號，電機就轉動1.8°，給200個脈沖信號，電機機械角度轉動一圈。 ?

圖1 ?

2.驅動方式

步進電機種類很多，下文將介紹兩相四線雙極性步進電機的3種驅動方式。

整步驅動

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圖2

整步驅動可以單拍導通或雙拍導通。圖2為單拍導通：A –> B -> A- ?-> B- -> A ，由A導通切換成B導通時（(a)到(b)的過程），吸引轉子轉到B,因為步進電機內部有Z個齒數(shù)，這個過程實際上是最近的齒轉動到B方向，即一個步距角。

雙拍導通：AB –> BA- ?-> A-B- -> B-A -> AB ,由于兩相導通，電流更大，可提供更大的轉矩。導通順序反過來即可實現(xiàn)反轉。 ?

整步驅動實現(xiàn)簡單，但控制精度低且振動明顯。

半步驅動

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圖3

半步驅動和整步驅動相似，半步驅動為單、雙拍混合導通：A –> AB –> B -> BA- ?-> A- -> A-B- -> B- -> B-A -> A 。使用半步驅動，步距角縮小一半，控制精度提高、振動降低，但轉矩不平穩(wěn)。 ? ? ?

3.細分驅動

圖4

圖5

步進電機的細分驅動實際上是矢量控制。圖4是步進電機的四細分控制，一個步距角細分成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，合成X方向，大小為I的電流，相當于合成X方向的磁場，讓轉子轉動到X方向的位置。細分角度順時針增大為2θ、3θ等，通過控制A、B相電流大小，合成對應角度的電流，就實現(xiàn)步進電機順時針轉動。因為合成磁場大小和電流大小成正比，當相電流I1=I*k時（0
使用細分驅動轉矩平穩(wěn)、控制精度高，但控制更復雜。理論上，細分步越多，控制效果越好，但對控制器的性能要求也更高，一般8細分以上，控制效果沒有很明顯的差異，實際使用時應綜合考慮，選擇合適的細分步數(shù)。 ? ? ?

高集成度電機控制芯片——NSUC1610

步進電機的實際應用除了考慮驅動方式，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。一般步進電機的控制方案為：MCU+驅動器+步進電機，由于使用驅動器，需要占用不少的板載空間，而且成本也相對較高。而使用高集成度的電機控制芯片，可以將方案簡化為：MCU+步進電機，這樣的方案無疑可以節(jié)省空間和開發(fā)成本。NSUC1610是納芯微推出的一款高集成度的電機控制芯片，非常適合應用于車載步進電機控制。

1.芯片特點

ARM Cortex-M3 內核

64KBytes Flash, 4KBytes SRAM, 512 Bytes EEPROM

32MHz 高精度振蕩器，35KHz低功耗低速時鐘

工作電壓 5.5V~18V ,可承受40V短時間過壓

1個12bit 高精度1MSPS ADC

2個8bit DAC

3個快速反電勢比較器BEMFC

支持3線4線SPI通信

1個LINUART模塊，集成LIN PHY，支LIN2.X通信

3個16bit 輸入捕獲模塊

2個16bit 定時器

1個窗口看門狗和1個數(shù)字看門狗

4路半橋輸出，4路增強型互補 EPWM 輸出，內部有過流保護，可輸出100%占空比

每路MOUT輸出電流可達1A，1個軟件可控制的高邊驅動

1個5V輸出的LDO和1個1.8V輸出的LDO

1個溫度傳感器，內部集成過溫關斷功能，可以保護橋臂，防止出現(xiàn)過溫

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

QFN32封裝，僅5x5mm，符合AEC - Q100

圖6?NSUC1610框圖

NSUC1610內部集成驅動和4路半橋，可支持驅動直流有刷電機、直流無刷電機、步進電機和繼電器等。此芯片可以用來設計車用小尺寸、小功率、高效率電機智能執(zhí)行器應用，例如熱管理系統(tǒng)中的電子水閥、空調電子出風口、主動進氣柵格系統(tǒng)執(zhí)行器(AGS/AGM)、座椅通風無刷直流電機（BLDC）驅動、隨燈轉向大燈（AFS）、旋轉/升降大屏控制、自動充電口和自動門把手等。 ?

2.步進電機控制方案 ?

如圖7所示，NSUC1610芯片的硬件控制方案非常簡單，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、電機驅動方式也是直連芯片。如圖8為NSUC1610芯片的總線架構，芯片內核使用獨立的數(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。 ? 步進電機的控制使用到的關鍵模塊為： 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8bit的DAC用于控制A、B相的電流大小，合成相應的電流矢量以實現(xiàn)細分驅動；TIMER0和TIMER1可分別用于細分步的定時（控制每個細分步的執(zhí)行時間）和各種任務的定時調度；ADC可用于芯片溫度監(jiān)測和其他模擬信號的采集。 ? ?

圖7?步進電機控制方案框圖 ?

圖8?NSUC1610總線架構

3.芯片優(yōu)勢 ?

1. 封裝小巧，內部集成4路半橋，無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計，減少PCB設計成本、難度、空間。

2. 支持兩相四線小功率步進電機細分控制，可支持32細分。

3. 支持小功率BLDC的無感控制和帶HALL的有感控制（圖9）。

4. 支持兩個小功率BDC電機的控制，或一個較大功率的BDC電機控制（圖10）。

5. 可配置的DAC，用于過流保護和步進電機的微步控制。具有過流保護，橋臂過流自動關斷的功能。

6. 每路MOUT輸出電流可達1A，內部半橋高邊采用電荷泵驅動，支持100%占空比導通。

7. PWMIO可復用到LIN引腳，便于客戶使用12V高壓PWMIO直接來做電機控制。

8. 雙路溫度傳感器：一個位于功率側做過溫熱關斷，一個位于低壓側做芯片溫度檢測。

9. Cortex M3處理器，編譯環(huán)境采用Keil標準編譯和開發(fā)工具，編程器資源通用，開發(fā)調試簡單。

10. 晶圓結溫高達175°C，滿足車規(guī)Grade 0應用目標。

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圖9?BLDC控制方案 ? ?