動起來！步進電機控制解惑

本文導(dǎo)讀

近幾年新能源汽車快速發(fā)展，步進電機大量應(yīng)用于電子水閥、空調(diào)電子出風口、儀表盤、隨動轉(zhuǎn)向大燈、主動進氣格柵等部件。步進電機是什么？怎么才能讓它轉(zhuǎn)起來？本文將帶您了解步進電機 ，讓步進電機動起來！

步進電機的介紹

1.簡介步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電動機。每輸入一個脈沖信號，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)響應(yīng)，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(lǐng)域都被廣泛應(yīng)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(qū)動控制時，給1個脈沖信號，電機就轉(zhuǎn)動1.8°，給200個脈沖信號，電機機械角度轉(zhuǎn)動一圈。

圖1 2.驅(qū)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(qū)動方式。

整步驅(qū)動

圖2

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

雙拍導(dǎo)通：AB –> BA- -> A-B- -> B-A -> AB ,由于兩相導(dǎo)通，電流更大，可提供更大的轉(zhuǎn)矩。導(dǎo)通順序反過來即可實現(xiàn)反轉(zhuǎn)。 整步驅(qū)動實現(xiàn)簡單，但控制精度低且振動明顯。

半步驅(qū)動

圖3

半步驅(qū)動和整步驅(qū)動相似，半步驅(qū)動為單、雙拍混合導(dǎo)通：A –> AB –> B -> BA- -> A- -> A-B- -> B- -> B-A -> A 。使用半步驅(qū)動，步距角縮小一半，控制精度提高、振動降低，但轉(zhuǎn)矩不平穩(wěn)。 3.細分驅(qū)動

圖4

圖5

步進電機的細分驅(qū)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(yīng)角度的電流，就實現(xiàn)步進電機順時針轉(zhuǎn)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

高集成度電機控制芯片——NSUC1610

步進電機的實際應(yīng)用除了考慮驅(qū)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(qū)動器+步進電機，由于使用驅(qū)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(yīng)用于車載步進電機控制。

1.芯片特點

ARM Cortex-M3 內(nèi)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(nèi)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(qū)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(nèi)部集成過溫關(guān)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(jié)溫-40~175，全溫范圍內(nèi)靜態(tài)功耗小于50uA

QFN32封裝，僅5x5mm，符合AEC - Q100

圖6NSUC1610框圖

NSUC1610內(nèi)部集成驅(qū)動和4路半橋，可支持驅(qū)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(shè)計車用小尺寸、小功率、高效率電機智能執(zhí)行器應(yīng)用，例如熱管理系統(tǒng)中的電子水閥、空調(diào)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(qū)動、隨燈轉(zhuǎn)向大燈（AFS）、旋轉(zhuǎn)/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(qū)動方式也是直連芯片。如圖8為NSUC1610芯片的總線架構(gòu)，芯片內(nèi)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(guān)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(yīng)的電流矢量以實現(xiàn)細分驅(qū)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(wù)的定時調(diào)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8NSUC1610總線架構(gòu)

3.芯片優(yōu)勢 1. 封裝小巧，內(nèi)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(shè)計，減少PCB設(shè)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(guān)斷的功能。 6. 每路MOUT輸出電流可達1A，內(nèi)部半橋高邊采用電荷泵驅(qū)動，支持100%占空比導(dǎo)通。 7. PWMIO可復(fù)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(cè)做過溫熱關(guān)斷，一個位于低壓側(cè)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(diào)試簡單。 10. 晶圓結(jié)溫高達175°C，滿足車規(guī)Grade 0應(yīng)用目標。

圖9BLDC控制方案

圖10兩種BDC控制方案

步進電機驅(qū)動的方式多種多樣，需要結(jié)合應(yīng)用場景的控制精度選擇不同的控制方式與主控芯片。NSUC1610支持12V汽車電池供電，可滿足大部分使用場景，有助于客戶減小PCB尺寸，簡化生產(chǎn)設(shè)計，實現(xiàn)更高效、更緊湊以及高性價比的電機控制應(yīng)用設(shè)計。立功科技可提供芯片外設(shè)模塊例程、步進電機細分驅(qū)動的例程和相關(guān)軟硬件設(shè)計參考，降低開發(fā)難度和成本，協(xié)助廠商實現(xiàn)快速開發(fā)。

審核編輯 ：李倩