1 L9942 的微步模式

L9942步進電機控制器具有全步、半步和微步模式。微步模式提供32個可編程電流調(diào)節(jié)步進，步進角度超過360°。這意味著每個象限有8個不同的電流水平。

圖 1 L9942的微步模式

每一步電流都由PWM控制調(diào)節(jié)，PWM開啟時間由振蕩器固定，關(guān)閉時間由測量的電流設(shè)置。通過查找表將高壓側(cè)開關(guān)提供的內(nèi)部電流鏡反饋與預(yù)設(shè)（可編程）電流值進行比較。當相位中的電流與查找表中的值匹配時，相位將關(guān)閉，直到下一次PWM接通。因此，通過輸出的PWM控制，電流正弦波以32步近似。這也適用于半步和全步操作模式。

圖2 L9942電流調(diào)節(jié)框圖

2 通用電機概念

電機電壓可以用一個由電阻、電動和電感三個分量組成的方程表示。

公式1

電阻分量（Rwindings）在確定預(yù)期的堵轉(zhuǎn)電流方面起著很大的作用。當電機不旋轉(zhuǎn)時，唯一限制電流的是繞組電阻。

當應(yīng)用PWM信號時，電機（Lwindings）的電感被利用。當設(shè)置PWM頻率時，電感會產(chǎn)生恒定或平滑相位的電流，以便電感在PWM關(guān)閉期間支持繞組中的電流。

BEMF是當永磁電樞在定子內(nèi)部（或周圍）旋轉(zhuǎn)時，電機產(chǎn)生的電壓。當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，繞組會經(jīng)歷一個變化的磁場，這種變化的磁場會產(chǎn)生與變化磁場速度直接相關(guān)的BEMF電壓。

電機中有兩個普遍的概念總是正確的。第一個是BEMF與電樞速度成正比，實際上，沒有其他任何概念。反電動勢方程很清楚地說明了這一點：

公式2

其中：

• N是線圈匝數(shù)
• B代表磁場
• A是電機磁場包圍的區(qū)域面積
• ω是角速度

請注意，N、B和A都是特定于電動機結(jié)構(gòu)的常數(shù)。它們不會改變。最終結(jié)果是反電動勢（EMF）與電機速度（ω）成正比。

下一個通用概念是電機轉(zhuǎn)矩和電機電流之間的關(guān)系。同樣，方程式清楚地描述了這一點：

公式3

其中：

• N是線圈匝數(shù)
• P是極數(shù)
• θ是磁通量

再次注意電流（I）和轉(zhuǎn)矩（T）是成正比的。還有其他影響電流的因素，如銅的溫度和電阻率。銅電阻率提高了轉(zhuǎn)矩電勢（冷態(tài)）或限制了轉(zhuǎn)矩電勢差（熱態(tài)），但不會改變轉(zhuǎn)矩與電流的關(guān)系。

2.1 適用于步進電機的通用電機概念

步進電機通常是恒流驅(qū)動系統(tǒng)（譯者注：原文是A stepper motor is typically a fixed current system.）。如果進入電機的固定電流產(chǎn)生固定扭矩，則步進電機如何在固定驅(qū)動電流、固定轉(zhuǎn)速的情況下，適應(yīng)各種負載和扭矩？答案是，自動調(diào)整反電動勢相對于驅(qū)動電流的相位。

電流根據(jù)前面的方程產(chǎn)生扭矩。施加扭矩的方向取決于外部負載。對于輕負載步進電機，電機轉(zhuǎn)矩僅有一小部分用于驅(qū)動負載，而很大一部分用于降低電機轉(zhuǎn)速。為了永遠不超過指令轉(zhuǎn)速，電流首先驅(qū)動電機加速，然后制動電機減速。對于空載電機，輸出軸輸出的總扭矩為零。

轉(zhuǎn)子位置也是轉(zhuǎn)子磁場相對于定子磁場的位置指示。轉(zhuǎn)子磁場固定在轉(zhuǎn)子上，并隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。定子磁場與定子中的電流有關(guān)?！罢彪娏鳟a(chǎn)生“正”磁場，反之亦然。

圖3 無負載電機的BEMF相位移動

電機加載時，反電動勢移動，將更多扭矩轉(zhuǎn)換為向前運動。

圖 4 部分負載電機的BEMF相移

在部分負載的電機中，反電動勢發(fā)生了變化，以增加驅(qū)動轉(zhuǎn)矩占制動轉(zhuǎn)矩的百分比。隨著外部載荷的增加，這種變化會繼續(xù)，直到載荷超過潛在扭矩能力。此時，電氣旋轉(zhuǎn)和機械旋轉(zhuǎn)之間的同步停止，將會造成電機堵轉(zhuǎn)。

下圖中，在滿載電機中，扭矩需求增加，在反電動勢進一步移動的瞬間，輸出扭矩減小，最后電機停止旋轉(zhuǎn)。

圖5 滿負載電機的BEMF相移

上圖中注意到：注意電流和BEMF的完全對齊（譯者注：指的是相位相同）。

3 LP9942堵轉(zhuǎn)檢測方法

3.1 電流檢測

L9942具有通過查看電機電流上升時間來檢測堵轉(zhuǎn)的功能。

堵轉(zhuǎn)期間，由于沒有BEMF，電機電流升高。缺乏BEMF會產(chǎn)生兩種影響。首先，反電動勢缺失會導(dǎo)致電機相電阻兩端的電壓變大，最終導(dǎo)致電機繞組中的電流增大（譯者注：原文為it increases the potential current in a winding at a given voltage per Ohm's law）。其次，它增加了繞組電流的變化率，因為電感中電流的變化速率與電感兩端的電壓成正比。在電機繞組中只有很少或沒有BEMF時，電流會快速上升。

圖 6 典型的電機相繞組部件

然而，L9942通過在達到預(yù)編程電流閾值時關(guān)閉相位來調(diào)節(jié)電機相電流。因此，當電機堵轉(zhuǎn)時，電機電流不會產(chǎn)生尖峰電流（譯者注：尖峰電流指的是spike）。當電流控制算法補償BEMF的損失時，占空比減小到相當小的值。因此，L9942通過觀察并報告給定指令電流的異常低占空比來檢測BEMF的損失。

這種方法的困難在于，有許多與電機電流相關(guān)的參數(shù)可以在步進電機的正常工作空間內(nèi)移動。溫度、電池電壓、負載或扭矩等因素會對電流調(diào)節(jié)占空比產(chǎn)生重大影響。不幸的是，正常光譜一端的工作點可能看起來像另一端的堵轉(zhuǎn)電機（譯者注：原文是：Unfortunately, the operating point at one end of the normal spectrum can look like a stalled motor at the other end. 沒有弄懂要表達什么意思）。這些重疊的參數(shù)使得通過電流占空比來檢測堵的方法測變得不可靠。

為了最小化電機電阻、電池電壓和溫度的影響，堵轉(zhuǎn)檢測算法可以直接查看BEMF。

3.2 BEMP檢測說明

通過對比非堵轉(zhuǎn)操作期間的一個步進電機相位的線圈電流和感應(yīng)BEMF電壓，可以看出電流和BEMF壓力之間存在90°的相位差。

圖7 反電動勢和相電流

BEMF堵轉(zhuǎn)檢測算法利用了這一現(xiàn)象。當電機電流從一個極性過渡到另一個極時，有一步的電流通常設(shè)置為0A。因此，當階躍電流為零時，檢查BEMF不會干擾電機的控制。

圖8 主動步進電機上的反電動勢波形

在電流為零或接近零的空載電機繞組中，BEMF最強。

當您考慮電機負載對BEMF相位的影響時，就會出現(xiàn)問題。由于此算法僅在相位未驅(qū)動時查找BEMF，因此“查找”窗口非常短。當電機加載時，BEMF移動，使其更符合驅(qū)動電壓/電流。因此，電機負載給BEMF檢測增加了一些變化。堵轉(zhuǎn)邊緣的滿載電機看起來與完全堵轉(zhuǎn)的電機相同。幸運的是，步進電機不打算用那么多負載驅(qū)動。

3.2.1步進電機上的BEMF

為了更容易地看到轉(zhuǎn)矩對反電動勢的影響，以下是一個以全步進模式驅(qū)動的電機。下圖9顯示了在全步進模式下驅(qū)動的空載電機。紅色是電流，紫色是相位上的電壓。細黑線估計反電動勢。

圖9 以全步進模式驅(qū)動的空載電機

在空載電機中（圖9），反電動勢引導(dǎo)相電流。這表明旋轉(zhuǎn)磁場提供的能量比保持轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所需的能量更多。反電動勢電壓的不規(guī)則形狀表明在360°循環(huán)中存在旋轉(zhuǎn)加速和減速。

在負載水平較高的電機中（圖10），反電動勢信號與實際驅(qū)動器信號更加一致。換句話說，原因和結(jié)果之間的相位差較小。如果負載增加到一定水平以上，則在驅(qū)動電機時可能會出現(xiàn)階躍損耗。

圖10 以全步進模式驅(qū)動的負載電機

使用步進電機的系統(tǒng)會大幅度過驅(qū)動電機（譯者注：這里指的是在額定電流下，驅(qū)動電流對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩要大于負載，且要留有較大余量），以確保在所有正常操作條件下不會堵轉(zhuǎn)。

3.2.2 堵轉(zhuǎn)電機上的BEMF

將圖9和圖10與堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子波形（圖11）進行比較，說明堵轉(zhuǎn)電機和運行電機之間的差異。同樣，這些數(shù)字是使用全步進電機完成的，以更好地說明這些條件下的BEMF。

圖11 硬堵轉(zhuǎn)模式下的電機

圖11顯示了在非驅(qū)動間隔期間幾乎沒有反電動勢。這是可以理解的，因為BEMF是轉(zhuǎn)子運動的直接結(jié)果。如果堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子中有一些移動，則可以看到BEMF（圖12）。圖12顯示了“松散”堵轉(zhuǎn)電機中BEMF的不規(guī)則性質(zhì)。

圖 12 電機堵轉(zhuǎn)但允許“振動”的兩種情況

將這些波形與之前的運行波形進行比較，我們可以看到有些重疊。當然，圖12顯示了全步進模式驅(qū)動電機的行為。

4 BEMF檢測的統(tǒng)計學分析

以下簡化框圖（圖13）說明了微步進模式下給定電機的BEMF檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)與步進電機相位同步檢查BEMF。

圖 13 反電勢檢測電路的簡化框圖

通過微處理器模擬數(shù)字采樣，可以在短時間內(nèi)獲得數(shù)千個BEMF讀數(shù)。根據(jù)該信息生成了值的直方圖。這提供了對預(yù)期的理解。

對于以下直方圖，如圖所示，使用了L9942和8位微控制器。L9942的步進時鐘頻率設(shè)置為2 kHz，微步進模式下的峰值電流設(shè)置為400 mA。

每個ADC樣本都是在零電流步驟結(jié)束時采集的。這確保了最一致的BEMF讀數(shù)。

圖14 20℃下空載電機的BEMF直方圖

其中：

• 檢測到的最小BEMF電壓=3.6 V
• 檢測到的最大BEMF電壓=6.6 V
• 平均檢測到的BEMF電壓=4.7278 V
• 標準偏差=0.2007 V

現(xiàn)在比較堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子BEMF和運行中的BEMF。

圖15 空載和堵轉(zhuǎn)電機在熱態(tài)和冷態(tài)下的組合直方圖

從圖中可以看出，有些情況下，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的BEMF與運行的BEMF值重疊。這只是由于轉(zhuǎn)子振動導(dǎo)致BEMF高于零。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，這種重疊是最小的，因為大多數(shù)情況下，BEMF比平時低得多。

在這個例子中，BEMF閾值被設(shè)置為大約2 V。由于絕大多數(shù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的BEMF測量值都遠低于這個水平，因此使用該閾值可以進行可靠的檢測。如果您查看有效檢測此電機堵轉(zhuǎn)所需的時間，我們發(fā)現(xiàn)獨鉆可以在電機的一個機械旋轉(zhuǎn)內(nèi)檢測到。

圖16 一臺電機堵轉(zhuǎn)檢測時間直方圖（右側(cè)是左側(cè)的縮放比例）

“電流周期”是指進行一次360°電旋轉(zhuǎn)的持續(xù)時間。在本例中，轉(zhuǎn)換為以2 kHz或16 ms的頻率步進32次。在10個半周期或80 ms內(nèi)，100%的時間檢測到堵轉(zhuǎn)。

5 限制

這些情況比較了空載電機和堵轉(zhuǎn)電機。這兩種狀態(tài)之間的差異是顯著的，并且很容易察覺。從上述分析中，我們可以看到，當BEMF移動與電流更加一致時，負載電機會導(dǎo)致檢測到的BEMF閾值下降。在考慮可接受的堵轉(zhuǎn)閾值時，必須考慮這種下降。對于每個應(yīng)用，都有一個應(yīng)用的最大預(yù)期扭矩要求。在確定BEMF堵轉(zhuǎn)閾值時，必須考慮該最大扭矩要求。

其他可能限制這種方法的因素包括傳動裝置松動或松軟，或轉(zhuǎn)子“彈跳”的“軟”堵轉(zhuǎn)。在當前占空比方法中，這些限制更難克服。由于BEMF檢測是在IC外部進行的，因此可以通過識別堵轉(zhuǎn)閾值的統(tǒng)計方法在一定程度上克服這一限制。

6 總結(jié)

用于檢測堵轉(zhuǎn)的BEMF方法可靠且經(jīng)濟高效。該方法使用隨時間或溫度變化很小的電機參數(shù)。因此，它克服了更傳統(tǒng)的電流/占空比檢測堵轉(zhuǎn)檢測方法中的許多限制。