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隨著現代汽車電子技術的快速發展，步進電機作為一種精確且可靠的執行元件，在汽車電子系統中的應用日益廣泛。為了實現車載步進電機應用的精確控制，納芯微推出了集成LIN和MOSFET功率級的單芯片車用小電機驅動SoC——NSUC1610，可以幫助客戶實現安全可靠的車載電機控制。 本文將結合步進電機的結構與驅動方法，重點介紹基于NSUC1610的步進電機控制原理及其實際應用 步進電機結構及其驅動方法 與人們熟知的大部分電機一樣，步進電機的結構也是由定子和轉子組成。轉子由軸承、鐵芯、磁鋼等構成。轉子鐵芯帶有齒輪，是步進電機單部步距的行程;定子是由鐵芯、定子繞組和支撐結構構成。 步進電機結構 根據繞組方式，步進電機主要分為兩大類：一類是單極性步進電機，它是由帶中心抽頭(公共線)的單繞組組成，其電流均由1、2、3、4四根線的相線流入中心抽頭公共線，因此電流方向是單向的。另一類是雙極性步進電機，由沒有中心抽頭的繞組構成，其電流方向是雙向的。 步進電機的分類 單極性步進全步運轉示意圖 單極性步進電機和雙極性步進電機的驅動方式不盡相同，上圖中單極性步進電機的A、B、C、D分別是兩相四線，5為抽頭的公共線。在驅動電機全步運行時，步驟如下： 第一步： A相通電，B、C、D相不通電，A相產生磁場，且磁極是S極，吸引轉子的N極; 第二步： A、B相全部通電且電流相同，產生相同的磁極，兩個S極磁場矢量合成，吸引轉子向A、B相之間旋轉; 第三步： B相通電，A相斷電，B相產生磁場，且磁極是S極，吸引轉子的N極; 第四步： B、C相通電且電流相等產生相同的磁性，兩個S極磁場矢量合成，即可吸引轉子向BC相之間旋轉。 依次類推五六七八步，使整個步進電機旋轉起來。 雙極性步進全步運轉示意圖 雙極性步進電機的驅動是直接驅動A+、A-、B+、B-兩相四根線來實現運轉的。步驟如下： 第一步： A相通電，B相不通電，A相產生磁場且A+磁極是S極，A-磁極是N極，吸引轉子的N極至A+，S極至A-; 第二步： A、B相全部通電且電流相同，產生相同的磁極，兩個S極的N極磁場矢量合成，吸引轉子N極向A+、B+相之間旋轉; 第三步： B相通電，A相斷電，B相產生磁場且磁極是S極，吸引轉子的N極至B+; 第四步： B相通電，A相斷電且電流相等，產生相同磁性，兩個S極磁場矢量合成，吸引轉子N極，向B+、A-相之間旋轉。 依此類推五六七八步，整個步進電機便旋轉起來。 基于NSUC1610的步進電機控制 納芯微NSUC1610采用數字恒流控制技術，由PWM 100%控制每個周期的電流輸出，實現對輸出電流的精確調節。這意味著，在輸出電流未達到設定電流值之前，PWM輸出on，一旦達到設定電流值便輸出off;如果在輸出off之后的輸出電流低于設定值，就會在下一個周期重新輸出高電平，繼續增加輸出電流，以便在PWM輸出off時使電流及時衰減至設定值。 硬件電流控制 NSUC1610的電流控制采用三種衰減方式，以適應不同類型和需求的步進電機。第一種是慢衰減(slow decay)方式，打開電流輸出時，上橋臂輸出PWM波，下橋臂輸出常高;關閉電流時，關閉上橋臂，下橋臂保持常高，通過MOSFET的體二極管實現泄放。這種方式是將電流的電能轉化為熱能，但泄放能力有限。 異步慢衰減 第二種是快衰減(fast decay)方式，打開電流輸出時，上下橋臂均輸出PWM波;關閉電流輸出時，通過打開反向的上下橋臂，直接將能量泄放至電源充電，此時泄放能力較大。 同步快速衰減 第三種是混合衰減(mix decay)方式，它結合了前兩種方式，一段時間采用慢衰減方式，一段時間采用快衰減方式，并調控兩者的時間比例。 至于具體采用哪一種衰減方式來衰減電流，需要根據電機的電感參數及電機的轉速等合理選擇。 混合衰減 在采用NSUC1610驅動雙極性步進電機時，只需將電機的A+、A-、B+、B-四根線直接與MOUT0、MOUT1、MOUT2、MOUT3相連，VSS、ISNS管腳直接接地，外圍電路只需加一些必要的電容、電阻及二極管等被動元件，即可實現用單芯片控制雙極性步進電機，同時還可以實現與LIN主機的通信，大大地提高系統的集成度和可靠性。 基于NSUC1610的步進電機圖 從步進電機的驅動原理來看，通過給電機的兩相通上交流電流即可使電機旋轉。實際上，這是比較粗糙的步進電機控制方式，這種控制方式產生的電流突變點較多，轉距不恒定，旋轉也就不太平順。 為了讓電機較為平順絲滑地旋轉，通常采用微步驅動方式。微步驅動方式不同于全步驅動方式，它是在8步全步中去掉了4步，插入了中間點臨界電流，即0電流。通過不斷類推，不斷插入中間電流，即可減小電流突變，細化電機的電流變化，使之接近正弦，從而實現微步。微步的目標是產生A、B相位差90°的正弦電流。 微步原理 NSUC1610利用數字恒流控制實現了微步正弦電流控制，具體實現原理是采用比較器恒流控制。方法是在正端接入一個橋臂電流采樣信號，負端接入一個DAC輸出電壓信號，在每一個微步控制期間觸發固定的DAC輸出。 如果橋臂電流信號大于DAC，則打開相應的橋臂輸出;如果橋臂電流小于DAC值，則關閉相應的橋臂輸出，這樣即可實現每一個微步期間的閉環恒流控制。在整個步進區間中，根據正弦公式改變DAC輸出，即可實現電流信號的正弦輸出，從而實現步進電機的微步控制。 步進電機微步電流控制 在電機旋轉過程中，會出現一定概率的堵轉而導致電機失步。為了檢測電機是否出現堵轉失步，可以通過測量電機的反電動勢來判定。由于電機的反電動勢與其轉速成正比，因此需要為測量到的反電動勢設定一個合理的閾值，小于設定閾值即可認為電機出現了失步。 在整個電流控制區間，電機的反電動勢大部分是不可測量的。只有當電流為0，橋臂沒有導通驅動電機時，測量的兩個橋臂電壓才是真實反電動勢。 步進電機失速檢測 電機的啟動和停止時速度為0，如果直接滿速啟動或停止，那么電機的啟停就會很突然，出現不平順。為了實現較為平緩的速度控制，可以采用梯形加減速的方式實現位置控制。由于速度控制的曲線是梯形，位移曲線就是S型。從圖中可以看到，電流波形在加速減速階段較為稀疏，而在勻速階段較為密集。一般步進電機停止前，會有一段大的穩定電流，旨在防止電機轉到目標位置時出現過沖;接著進入hold狀態，利用一個小的hold電流可使扭矩保持不變。 步進電機位置控制 更高效智能的車載步進電機控制 通過采用數字恒流控制技術，NSUC1610實現了對步進電機電流的精確調節，以適應不同類型和需求的步進電機。NSUC1610還支持微步驅動方式，使步進電機的旋轉更加平順絲滑。 |
