纳芯微推出“Cube N课堂”系列,该系列聚焦纳芯微的嵌入式电机驱动SoC 产品系列。探索其多元应用,与大家共同玩转奇妙的“产品魔方”。
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随着现代汽车电子技术的快速发展,步进电机作为一种精确且可靠的执行元件,在汽车电子系统中的应用日益广泛。为了实现车载步进电机应用的精确控制,纳芯微推出了集成LIN和MOSFET功率级的单芯片车用小电机驱动SoC——NSUC1610,可以帮助客户实现安全可靠的车载电机控制。
本文将结合步进电机的结构与驱动方法,重点介绍基于NSUC1610的步进电机控制原理及其实际应用,并为大家提供了相应的demo演示。
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步进电机结构及其驱动方法
与人们熟知的大部分电机一样,步进电机的结构也是由定子和转子组成。转子由轴承、铁芯、磁钢等构成。转子铁芯带有齿轮,是步进电机单部步距的行程;定子是由铁芯、定子绕组和支撑结构构成。
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步进电机结构
根据绕组方式,步进电机主要分为两大类:一类是单极性步进电机,它是由带中心抽头(公共线)的单绕组组成,其电流均由1、2、3、4四根线的相线流入中心抽头公共线,因此电流方向是单向的。另一类是双极性步进电机,由没有中心抽头的绕组构成,其电流方向是双向的。
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步进电机的分类
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单极性步进全步运转示意图
单极性步进电机和双极性步进电机的驱动方式不尽相同,上图中单极性步进电机的A、B、C、D分别是两相四线,5为抽头的公共线。在驱动电机全步运行时,步骤如下👇
1
第一步
A相通电,B、C、D相不通电,A相产生磁场,且磁极是S极,吸引转子的N极;
2
第二步
A、B相全部通电且电流相同,产生相同的磁极,两个S极磁场矢量合成,吸引转子向A、B相之间旋转;
3
第三步
B相通电,A相断电,B相产生磁场,且磁极是S极,吸引转子的N极;
4
第四步
B、C相通电且电流相等产生相同的磁性,两个S极磁场矢量合成,即可吸引转子向BC相之间旋转。
依次类推五六七八步,使整个步进电机旋转起来。
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双极性步进全步运转示意图
双极性步进电机的驱动是直接驱动A+、A-、B+、B-两相四根线来实现运转的。步骤如下👇
1
第一步
A相通电,B相不通电,A相产生磁场且A+磁极是S极,A-磁极是N极,吸引转子的N极至A+,S极至A-;
2
第二步
A、B相全部通电且电流相同,产生相同的磁极,两个S极的N极磁场矢量合成,吸引转子N极向A+、B+相之间旋转;
3
第三步
B相通电,A相断电,B相产生磁场且磁极是S极,吸引转子的N极至B+;
3
第四步
B相通电,A相断电且电流相等,产生相同磁性,两个S极磁场矢量合成,吸引转子N极,向B+、A-相之间旋转。
依此类推五六七八步,整个步进电机便旋转起来。
基于NSUC1610的步进电机控制
纳芯微NSUC1610采用数字恒流控制技术,由PWM 100%控制每个周期的电流输出,实现对输出电流的精确调节。这意味着,在输出电流未达到设定电流值之前,PWM输出on,一旦达到设定电流值便输出off;如果在输出off之后的输出电流低于设定值,就会在下一个周期重新输出高电平,继续增加输出电流,以便在PWM输出off时使电流及时衰减至设定值。
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硬件电流控制
NSUC1610的电流控制采用三种衰减方式,以适应不同类型和需求的步进电机。第一种是慢衰减(slow decay)方式,打开电流输出时,上桥臂输出PWM波,下桥臂输出常高;关闭电流时,关闭上桥臂,下桥臂保持常高,通过MOSFET的体二极管实现泄放。这种方式是将电流的电能转化为热能,但泄放能力有限。
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异步慢衰减
第二种是快衰减(fast decay)方式,打开电流输出时,上下桥臂均输出PWM波;关闭电流输出时,通过打开反向的上下桥臂,直接将能量泄放至电源充电,此时泄放能力较大。
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同步快速衰减
第三种是混合衰减(mix decay)方式,它结合了前两种方式,一段时间采用慢衰减方式,一段时间采用快衰减方式,并调控两者的时间比例。
至于具体采用哪一种衰减方式来衰减电流,需要根据电机的电感参数及电机的转速等合理选择。
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混合衰减
在采用NSUC1610驱动双极性步进电机时,只需将电机的A+、A-、B+、B-四根线直接与MOUT0、MOUT1、MOUT2、MOUT3相连,VSS、ISNS管脚直接接地,外围电路只需加一些必要的电容、电阻及二极管等被动元件,即可实现用单芯片控制双极性步进电机,同时还可以实现与LIN主机的通信,大大地提高系统的集成度和可靠性。
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基于NSUC1610的步进电机图
从步进电机的驱动原理来看,通过给电机的两相通上交流电流即可使电机旋转。实际上,这是比较粗糙的步进电机控制方式,这种控制方式产生的电流突变点较多,转距不恒定,旋转也就不太平顺。
为了让电机较为平顺丝滑地旋转,通常采用微步驱动方式。微步驱动方式不同于全步驱动方式,它是在8步全步中去掉了4步,插入了中间点临界电流,即0电流。通过不断类推,不断插入中间电流,即可减小电流突变,细化电机的电流变化,使之接近正弦,从而实现微步。微步的目标是产生A、B相位差90°的正弦电流。
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微步原理
NSUC1610利用数字恒流控制实现了微步正弦电流控制,具体实现原理是采用比较器恒流控制。方法是在正端接入一个桥臂电流采样信号,负端接入一个DAC输出电压信号,在每一个微步控制期间触发固定的DAC输出。
如果桥臂电流信号大于DAC,则打开相应的桥臂输出;如果桥臂电流小于DAC值,则关闭相应的桥臂输出,这样即可实现每一个微步期间的闭环恒流控制。在整个步进区间中,根据正弦公式改变DAC输出,即可实现电流信号的正弦输出,从而实现步进电机的微步控制。
步进电机微步电流控制
在电机旋转过程中,会出现一定概率的堵转而导致电机失步。为了检测电机是否出现堵转失步,可以通过测量电机的反电动势来判定。由于电机的反电动势与其转速成正比,因此需要为测量到的反电动势设定一个合理的阈值,小于设定阈值即可认为电机出现了失步。
在整个电流控制区间,电机的反电动势大部分是不可测量的。只有当电流为0,桥臂没有导通驱动电机时,测量的两个桥臂电压才是真实反电动势。
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步进电机失速检测
电机的启动和停止时速度为0,如果直接满速启动或停止,那么电机的启停就会很突然,出现不平顺。为了实现较为平缓的速度控制,可以采用梯形加减速的方式实现位置控制。由于速度控制的曲线是梯形,位移曲线就是S型。从图中可以看到,电流波形在加速减速阶段较为稀疏,而在匀速阶段较为密集。一般步进电机停止前,会有一段大的稳定电流,旨在防止电机转到目标位置时出现过冲;接着进入hold状态,利用一个小的hold电流可使扭矩保持不变。
步进电机位置控制
更高效智能的车载步进电机控制
通过采用数字恒流控制技术,NSUC1610实现了对步进电机电流的精确调节,以适应不同类型和需求的步进电机。NSUC1610还支持微步驱动方式,使步进电机的旋转更加平顺丝滑。
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