步进电机控制解惑

1.简介

步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步，其输出的角位移或线位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。因此，步进电动机又称脉冲电动机。步进电动机的结构形式和分类方法较多，一般按励磁方式分为磁阻式、永磁式和混磁式三种；按相数可分为单相、两相、三相和多相等形式。  

步进电机价格便宜，拥有优秀的启停和反转响应，因为没有电刷，可靠性和寿命都较高，并且控制简单，由于其没有过载能力，且不能高速运行，常常被使用在低速、低负载有位置控制要求的场合，在各个领域都被广泛应用。  

步距角是步进电机的一个重要参数，步距角越小步进电机的控制精度越高。例如步距角1.8°，整步驱动控制时，给1个脉冲信号，电机就转动1.8°，给200个脉冲信号，电机机械角度转动一圈。  

图1  

2.驱动方式

步进电机种类很多，下文将介绍两相四线双极性步进电机的3种驱动方式。

整步驱动

   

图2

整步驱动可以单拍导通或双拍导通。图2为单拍导通：A –> B -> A-  -> B- -> A ，由A导通切换成B导通时（(a)到(b)的过程），吸引转子转到B,因为步进电机内部有Z个齿数，这个过程实际上是最近的齿转动到B方向，即一个步距角。

双拍导通：AB –> BA-  -> A-B- -> B-A -> AB ,由于两相导通，电流更大，可提供更大的转矩。导通顺序反过来即可实现反转。  

整步驱动实现简单，但控制精度低且振动明显。

半步驱动

   

图3

半步驱动和整步驱动相似，半步驱动为单、双拍混合导通：A –> AB –> B -> BA-  -> A- -> A-B- -> B- -> B-A -> A 。使用半步驱动，步距角缩小一半，控制精度提高、振动降低，但转矩不平稳。      

3.细分驱动

图4

图5

步进电机的细分驱动实际上是矢量控制。图4是步进电机的四细分控制，一个步距角细分成4步，以提高控制精度，其原理为：控制A相输出电流大小为IA=I*cosθ，B相的为 IB=I*sinθ时，合成X方向，大小为I的电流，相当于合成X方向的磁场，让转子转动到X方向的位置。细分角度顺时针增大为2θ、3θ等，通过控制A、B相电流大小，合成对应角度的电流，就实现步进电机顺时针转动。因为合成磁场大小和电流大小成正比，当相电流I1=I*k时（0使用细分驱动转矩平稳、控制精度高，但控制更复杂。理论上，细分步越多，控制效果越好，但对控制器的性能要求也更高，一般8细分以上，控制效果没有很明显的差异，实际使用时应综合考虑，选择合适的细分步数。      

高集成度电机控制芯片——NSUC1610

步进电机的实际应用除了考虑驱动方式，还需要选择一块主控芯片，不同的主控芯片的控制方案不相同。一般步进电机的控制方案为：MCU+驱动器+步进电机，由于使用驱动器，需要占用不少的板载空间，而且成本也相对较高。而使用高集成度的电机控制芯片，可以将方案简化为：MCU+步进电机，这样的方案无疑可以节省空间和开发成本。NSUC1610是纳芯微推出的一款高集成度的电机控制芯片，非常适合应用于车载步进电机控制。

1.芯片特点

ARM Cortex-M3 内核

64KBytes Flash, 4KBytes SRAM, 512 Bytes EEPROM

32MHz 高精度振荡器，35KHz低功耗低速时钟

工作电压 5.5V~18V ,可承受40V短时间过压

1个12bit 高精度1MSPS ADC

2个8bit DAC

3个快速反电势比较器BEMFC

支持3线4线SPI通信

1个LINUART模块，集成LIN PHY，支LIN2.X通信

3个16bit 输入捕获模块

2个16bit 定时器

1个窗口看门狗和1个数字看门狗

4路半桥输出 ，4路增强型互补 EPWM 输出，内部有过流保护，可输出100%占空比

每路MOUT输出电流可达1A，1个软件可控制的高边驱动

1个5V输出的LDO和1个1.8V输出的LDO

1个温度传感器 ，内部集成过温关断功能，可以保护桥臂，防止出现过温

支持环境温度-40~150，结温-40~175，全温范围内静态功耗小于50uA

QFN32封装，仅5x5mm，符合AEC - Q100

图6 NSUC1610框图

NSUC1610内部集成驱动和4路半桥，可支持驱动直流有刷电机、直流无刷电机、步进电机和继电器等。此芯片可以用来设计车用小尺寸、小功率、高效率电机智能执行器应用，例如热管理系统中的电子水阀、空调电子出风口、主动进气栅格系统执行器(AGS/AGM)、座椅通风无刷直流电机（BLDC）驱动、随灯转向大灯（AFS）、旋转/升降大屏控制、自动充电口和自动门把手等。  

2.步进电机控制方案  

如图7所示，NSUC1610芯片的硬件控制方案非常简单，几乎不需要搭建外部电路，LIN是直连芯片的LIN的输入引脚，不用收发器、电机驱动方式也是直连芯片。如图8为NSUC1610芯片的总线架构，芯片内核使用独立的数据总线和地址总线， 能够提高取指令和取数据的效率。   步进电机的控制使用到的关键模块为： DACCMP(BEMFC模块)、ADC、LINPORT、LINUART、TIMER0、TIMER1和EPWM模块。    

其中LINPORT和LINUART用于LIN通信；EPWM用于4路MOUT的PWM输出；DACCMP用于电流控制，两个8bit的DAC用于控制A、B相的电流大小，合成相应的电流矢量以实现细分驱动；TIMER0和TIMER1可分别用于细分步的定时（控制每个细分步的执行时间）和各种任务的定时调度；ADC可用于芯片温度监测和其他模拟信号的采集。    

图7 步进电机控制方案框图  

图8 NSUC1610总线架构

3.芯片优势  

1. 封装小巧，内部集成4路半桥，无需外部搭建半桥电路、LIN收发器等，仅需电源防反接等少量外围电路设计，减少PCB设计成本、难度、空间。

2. 支持两相四线小功率步进电机细分控制，可支持32细分。

3. 支持小功率BLDC的无感控制和带HALL的有感控制（图9）。

4. 支持两个小功率BDC电机的控制，或一个较大功率的BDC电机控制（图10）。

5. 可配置的DAC，用于过流保护和步进电机的微步控制。具有过流保护，桥臂过流自动关断的功能。

6. 每路MOUT输出电流可达1A，内部半桥高边采用电荷泵驱动，支持100%占空比导通。

7. PWMIO可复用到LIN引脚，便于客户使用12V高压PWMIO直接来做电机控制。

8. 双路温度传感器：一个位于功率侧做过温热关断，一个位于低压侧做芯片温度检测。

9. Cortex M3处理器，编译环境采用Keil标准编译和开发工具，编程器资源通用，开发调试简单。

10. 晶圆结温高达175°C，满足车规Grade 0应用目标。

 

图9 BLDC控制方案    

图10 两种BDC控制方案

步进电机驱动的方式多种多样，需要结合应用场景的控制精度选择不同的控制方式与主控芯片。

NSUC1610支持12V汽车电池供电，可满足大部分使用场景，有助于客户减小PCB尺寸，简化生产设计，实现更高效、更紧凑以及高性价比的电机控制应用设计。