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步進電機分為變磁阻(VR)、永磁(PM)和混合型(Hybrid)步進電機，在車用環境中，最常用的是永磁型步進電機，其轉子是永磁體。在汽車應用環境中，也有許多場合需要用到步進電機，如AFS前大燈水平位置調節、彎道調節和光線幾何形狀調節，都需要用到步進電機作為執行器。圖1是典型的AFS系統示意圖。圖2是英飛凌針對AFS應用的芯片組解決方案。 英飛凌作為領先的汽車半導體提供商，為解決汽車步進電機控制和驅動問題，研發了步進電機專用控制芯片TLE4729G。這顆控制器具有一系列優異的性能，被大多數零部件供應商在系統集成中采用。 英飛凌在提供TLE4729G基本的數據手冊之外還提供了多篇應用筆記以方便客戶快速對系統進行設計，本文在評估板基礎上對步進電機系統和診斷要點進行了闡述和說明，是對英飛凌步進電機控制技術支持的一個補充。TLE4729G用于控制、驅動兩相步進電機的智能功率器件，其內部結構如圖3所示。其中，與應用相關的重要端口說明如表1所示。 步進電機驅動原理和PWM調制 步進電機的運行方式包括全步、半步和微步運行三種方式。TLE4729G支持全步和半步運行這兩種方式，支持微步運行方式將會很快面市。此處主要介紹步進電機全步和半步兩種運行方式。 全步模式下，步進電機的兩個繞組同時充磁，根據充磁電流的方向變化，分為四個狀態，設A相繞組的正向電流為A+，則負向電流為A-，如圖4所示為步進電機的四個狀態1、2、3、4。 半步模式下，步進電機的兩個繞組會出現四個額外的狀態，其中一繞組充磁時，另外一繞組不充電，即沒有電流通過。因此，在步進電機半步模式下有8個狀態，如圖5所示為步進電機的八個狀態1、2、3、4、5、6、7、8。 TLE4729G具有電流設置管腳，在全步模式下，兩個半橋中流過的電流可以設為一樣，不同的電流大小設置對應不同的電流運行模式：全速模式，額定模式，保持模式和零電流模式。在全步模式下，設定電流模式后，步進電機的換相只和Phase1和Phase2有關。具體時序參考圖6，根據圖6可以得出換相表，如表2所示。 TLE4729G的控制方法為電流控制，在半步模式下，由于出現某項繞組零電流的情況，需要用到電流設置管腳構成換相表，和全步模式不一樣的是在狀態切換即換相過程中電流設置管腳的值是變化的。具體時序參考圖7所示，根據該圖可以得出半步換相表，如表3所示。 步進電機峰值電流控制原理和換相分析 由TLE4729G內部結構可以知道，其功率級輸出為兩個全橋，為了分析步進電機換向過程中的電流行為和峰值控制原理，取出其中一個全橋進行分析。圖8是輸出Q11 、Q12構成的全橋換相過程中的電流時序圖，設Q11、Q12上的負載為步進電機繞組A。換相發生在Phase信號由低變高的時候，此時流過繞組A的電流方向改變。 當Phase=L時，設此時的相電流為正，如圖9所示，有三種開關狀態S1、S2、S3三種狀態，其中S1和S2是正常工作狀態，S3是換相發生時的過渡狀態；S1時T12和T13導通，電流流向為正，此時電感電流線性增加，采樣電阻上有電流流過，當電感電流增加到Iset時，T13關斷，此時電感電流線性下降，電流波形表現為三角波，這種限流方式稱為峰值限流方式，這期間取樣電阻上沒有電流通過，T13工作在PWM斬波方式下；當換相命令發生即Phase=L變化為Phase=H時，T12和T13必須先關斷，此時T11和T14尚未導通，電流方向仍未發生變化而是線性減小，通過D11和D14續流，這個時候流過取樣電阻上的電流為負，故取樣電壓對地表現為負。 當Phase=H時，設此時的相電流為負，如圖9所示，有三種開關狀態S4、S5、S6三種狀態，其中S4和S5是正常工作狀態，S6是換相發生時的過渡狀態；具體開關過程如圖9所示，分析方法同上文，同樣存在上管導通，下管PWM控制和二極管續流的過程。 診斷 診斷在汽車電子中必不可少，這是汽車安全性的必然要求。TL4729G支持過熱、開路和短路診斷。客戶在使用TLE4729G時碰到的大多數問題也集中在開路診斷上。TLE4729G的診斷表如表4所示。在全步模式下和半步模式下，由于換相的差異，導致了開路診斷信號有差異。在某些半步換相表下，甚至出現不能診斷的情況。 從表4可以看出，短路到地和開路錯誤同時發生時，診斷結果和短路到地是一樣的，因此可以認為短路到地的優先級比開路錯誤高。 開路診斷的原理是利用感性負載續流的原理。如圖10所示，一般來說，每次換相的時候，內部SR觸發器置位，置位信號由換相信號決定，如圖10左上所示，置位信號使得ERROR1為低電平。SR觸發器的輸出經過一個濾波環節(典型濾波時間為15μs)連接到ERROR1，如果感性負載是良好連接，即未開路的，在負載電流方向改變時，由于續流的作用，全橋兩個輸出中的一個電壓為VS+VFU(VFU為續流二極管導通壓降)，比如圖10中T14由導通到關斷，T12尚未導通時，此時電流經過與T12并聯的二極管續流，這時候Qx2的電壓值為VS+VFU。全橋的兩個輸出分別送入到兩個電壓比較器的同相輸入端，而這兩個電壓比較器的反相輸入端則與電源VS相連，兩個比較器的輸出連接至一個或門的兩個輸入，與門的輸出則連接到RS觸發器的R管腳。所以換相過程由于有續流電壓的存在使得或門的輸出為1，使得RS觸發器復位，一般而言換相過程持續時間遠小于15μs，所以在正常模式下由于復位信號的作用使得ERROR1保持為高。當出現開路的時候，VS+VFU這個條件被破壞，RS觸發器置位，15μs后ERROR1信號為低。 全步模式開路診斷 本例中采用XC800作為處理器，使用P3口作為TLE4729G的電流設置和換相口。定義如表5。 在全步模式下，電流設定和換相是分離的，所以可以用兩個不同的函數來實現，分為為電流設定函數和換相函數，當然也可以統一到一個函數中，換相的時候對應電流管腳不發生變化即可。 全步模式下的開路診斷容易實現，ERROR1指示開路情況，當未出現開路時，ERROR1為高電平，當出現開路時ERROR1為低電平，如圖11所示。 半步模式開路診斷 半步開路診斷是TLE4729G中比較復雜的應用之一。有很多用戶反映無法進行半步開路診斷。其實不然，如果深入分析半步換相表，便可得出可以穩定診斷開路診斷的真值表。 半步診斷的復雜性是由于TLE4729G的Inhibit模式導致的，開路可診斷的一個條件是電流設置管腳至少有一個為高電平，當某相兩個電流設置管腳均為低時，該項為Inhibit模式，ERROR1在第一個續流周期復位。當有開路情況存在時，ERROR1的復位導致診斷信息丟失。由于半步的8個狀態中多次出現Inhibit模式，所以導致了某些情況下開路診斷會有異常。從真值表角度分析，當某相有Inhibit模式出現，即該相兩個電流管腳均為0時，對應的相位管腳可設置為1或者0，這樣便可以得出多組半步換相表，不同的換相表在開路診斷時，結果也不一樣。如表6中粗線所示，有四個狀態S2，S4，S6，S8中的某相位設置信號是可變設置的，可為0或者1，從排列的角度上看有16種不同的真值表，這里取出6種典型表(A-F)舉例說明開路診斷特點。 重新列出半步可變換相表，如表6所示。 管腳設置仍如全步模式，在實際程序中，使用數據建立換相表，如下所示。 //code motor_halfsteps[8]={0x3a, 0x28, 0x2a, 0x02,0x0a,0x18,0x1a,0x32}; //A 0,0,1,1 //code motor_halfsteps[8]={0x3a, 0x38, 0x2a, 0x22,0x0a,0x08,0x1a,0x12}; //B 1,1,0,0 //code motor_halfsteps[8]={0x3a, 0x28, 0x2a, 0x02,0x0a,0x08,0x1a,0x12}; //C All 0 //code motor_halfsteps[8]={0x3a, 0x38, 0x2a, 0x22,0x0a,0x18,0x1a,0x32}; //D All 1 code motor_halfsteps[8]={0x3a, 0x28, 0x2a, 0x22,0x0a,0x18,0x1a,0x32}; //E 0,1,1,1 //code motor_halfsteps[8]={0x3a, 0x28, 0x2a, 0x02,0x0a,0x08,0x1a,0x32}; //F 0 0 0 1 圖12是真值表為A時ERROR1的波形，在該真值表下僅有一種波形，無法區分兩相開路、一相開路和無開路的情況，所以無法完成開路OL診斷。 圖13是真值表為B時 ERROR1的波形，在該真值表下可以穩定分析出一路開路、兩路開路和無開路診斷。 圖14是真值表為C、D時ERROR1的波形，在該真值表下可以分析出開路故障和無開路故障，但是不能分析出一路開路和兩路開路故障，因為在一路開路有兩種情況，即A相開路和B相開路，其中有一相開路和兩相均開路的診斷波形一樣，故不能做區分。 圖15是真值表為E、F時ERROR1的波形，該真值表下有兩種波形，但是由于存在無開路和一路開路故障是同一種波形情況，故不能完全分析出開路和無開路兩種情況。 短路到負載和電源 短路到負載和電源在數據手冊和應用筆記已經有完備的敘述，此處不再贅述。 EMC問題 EMC問題是客戶實際使用TLE4729非常關注的問題。EMC設計需要考慮的是系統的開關頻率和輸出電容的問題，另外還有PCB布線也需要考究。 開關頻率 TLE4729G的振蕩頻率是可以調整，在EMC測試的時候可以根據需要調整振蕩頻率。頻率變化范圍為18kHz~30kHz。調整的方法為改變外部振蕩電容C，電容計算的方法是A = f * C，該公式未在數據手冊中給出，但是在芯片設計時振蕩頻率是按此設計。其中A是常數，也就是說頻率和電容成反比，A為55kHz.nF。根據數據手冊，典型振蕩頻率25kHz時對應的電容為2.2nF，滿足該公式。 TLE4729G另外一種調整方法是使用外部時鐘同步的方法，TLE4729G內部有一個推挽式電流源，輸出能力為120μA，這個電流源可以驅動振蕩器產生鋸齒波振蕩信號。當使用外部時鐘同步時，內部電流源失效，振蕩器由外部振蕩器驅動，驅動信號要求低電平介于0V~0.8V，高電平要求在3V~5V之間。 輸出電容 除了在邏輯電源和功率電源處添加去耦電容保證供電電源的品質之外，為了降低功率輸出的開關噪聲和電磁輻射，可在四個功率輸出管腳處對地接電容，可以有效降低電路EMI問題。 TLE4729G 評估板 英飛凌提供TLE4729G的評估板，如圖16所示，圖中電機不包含在評估套件內。該評估板上位機是在NI的Labview環境開發，在某些操作系統中可能會遇到驅動問題而不能成功運行上位機軟件。幸運的是，該評估板上有XC866的下載口，硬件工程師可以通過手工編程實現對TLE4729G的評估。本文使用的下載器是MiniWiggler，編程環境是keil uVision4。 |
