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2024/05/29
本文将结合具体的案例，针对纳芯微全新发布的微步控制步进电机驱动NSD8381，在用于步进电机控制的实现流程，以及堵转检测的实现流程做详细的介绍，帮助工程师能够快速构建用NSD8381驱动芯片实现控制步进电机运转和实现堵转检测的实操能力。
一、NSD8381步进电机驱动芯片介绍
NSD8381是纳芯微全新发布的车规级高集成式双相双极步进电机驱动器，可广泛适用于汽车头灯步进控制（ADB/AFS），HUD位置调节电机，热管理系统阀门中步进电机或BDC电机的驱动等。
该芯片支持最大1.35A满量程电流，包括电流斩波调节，内部最高1/32微步转换器和多种衰减模式选择使步进电机平稳运动。NSD8381支持母线欠压保护(VSUV)，过流保护(OCP)，温度报警(OTW/UTW)和过温保护(OTSD)；同时还支持输出负载的开路诊断和过流保护。此外，NSD8381还集成了堵转检测功能，可以用于堵转故障输出。
二、 NSD8381用于步进电机控制配置以及测试案例
1）NSD8381的SPI框架结构
1. SDI的输入帧由24bit构成以下的结构
• 2bit 操作指令C1/C0，其中 00代表写操作，01代表读操作，10代表读清
• 6 bit的寄存器地址
• 16bit数据，其中包含bit 15~bit 1的数据和bit 0的奇校验位
表1：SPI 输入帧结构
2. SDO的输出帧由24bit构成以下的结构
• 8bit全局状态字节，显示返回的全局状态，如果有故障和告警，相应的bit会反馈故障状态
• 16bit返回数据，其中包含bit 15~bit 1的数据和bit 0 的奇校验位
表2：SPI 输出帧结构
2）NSD8381步进电机模式工作流程图
图1：步进电机工作流程图
3）NSD8381步进电机测试硬件组成以及软件配置
硬件设备：NSD8381 Demo Board一块，步进电机，12V直流电源，USB转TTL小工具连接到上位机，信号发生器一台
SPI寄存器配置：
CONFIG_6：0x081013----配置步进电机电流大小(HOLD:50mA; full 571mA)
CONFIG_4：0x060841----配置电流调制频率 20k，slew rate 10V/us，filter time 2us，电流slow decay
注意：这里采用默认slew rate ，10v/us, 在应用中推荐把 slew rate 调快， slew rate 调快之后， dead time 也减小。调快对芯片在比较大的电流的工作场景下的功耗是有明显的好处。比如，可以配置CONFIG_4: 0x060A40， ----配置电流调制频率 20k，slew rate 70V/us，filter time 2us， 电流slow decay
CONFIG_1：0x030428----配置CTRLx (默认配置采用步进电机模式)
CONFIG_3：0x058000----使能输出，设置微步（1/16微步）
4）NSD8381步进电机测试波形
测试条件：1/16微步，满量程电流571mA，电流调制频率20kHz, 电流调制 filter time 2us，STEP脉冲 1kHz
1. Slow decay模式测试波形
图2：步进电机绕组电流波形
a. 电流上升decay
b. 电流下降decay
图3：步进电机绕组电流波形decay波形
2. Mix decay模式测试波形
图4：步进电机绕组电流波形
a. 电流上升decay
b. 电流下降decay
图5：步进电机绕组电流波形decay波形
3. Auto decay模式测试波形
图6：步进电机绕组电流波形
a. 电流上升decay
b. 电流下降decay
图7：步进电机绕组电流波形decay波形
对比三组波形，实测现象总结如下：Slow decay和Auto decay的模式下，其电流上升decay波形比较缓和，正弦波的峰值处毛刺较小，电机运行的声音比较轻微。Mix decay电流上升decay的波形分成两段，正弦波的峰值处毛刺较大，电机运行的噪音比较大一些。
在实际应用的时候，可以根据调试decay模式来获得合适电机的工作状态。
三、NSD8381用于步进电机控制堵转检测使用
1）堵转检测的原理
图8是步进电机绕组的等效模型。当电机正常转动的时候，根据公式1 可以得到电机绕组两侧的电压Vmotor。根据公式2可得到电机的反电势BEMF，其中N为线圈的绕组数量，B代表磁场强度，A是被电机磁场所包围的面积，w是电机转动的角速度。
由公式1可知，当流过电机的电流为零时，电机绕组两侧的电压是BEMF，即反电势电压。由公式2 可知，反电势电压和电机的角速度成正比，当电机堵转的时候，速度为零，此时反电势为理论上也为零。因此，可以利用检测绕组电流为零时的绕组电压来检测反电势。
公式1
公式2
图8：步进电机绕组等效模型
2）堵转检测步骤
图9：NSD8381 堵转检测流程
堵转检测过程注意点：
1. 如果涉及正转和反转的应用，需要在电机正转、反转的时候分别执行1-6步，记录高值和低值。设置CVLLA的值要满足大于正、反转的堵转值，但是远小于正、反转正常转动的反电势值。
2. CV_DELAY设置：以图10作为例子，CV_DELAY的时间必须大于图中的△X。为了确保反电势的采样点是在图中平坦的那一段，即△X后的那一段线圈电流为零的点，采集的值才准确。图10显示△X =108us，内部PWM的频率是20kHz（50us），则这个波形的CV_DELAY值需要 大于3，即大于3×50=150us。另外需要注意的是当电机转动很快的情况，可以直接设计CV_DELAY为0，此时ADC的采样点为零电流结束点。
图10：正常转动时反电势波形
3. 读取CVA，CVB，CVC，CVD以及设计CVLLA和CVLLB的值的时候，设置的寄存器位为Bit 1到Bit10，在换算电压值的时候注意需要移一位。
3）步进电机堵转检测实例
步进电机1：2kHz step频率，20kHz调制频率，正常转动时之间的OUTA1，OUTA2的反电势为3.2V，如图11。堵转时OUTA1、OUTA2之间的反电势为0.2V，如图12。
寄存器CONFIG_5配置为寄存器0x078E00（CV_DELAY=7），根据图11计算为350us，满足CV_DELAY的延时采样点。CVLLA配置 为0x0E0027 （0.52V）。当电机堵转时，可以检测到FUNCTION_ERR置位，回读STA_1，STALL置1。
图11：电机1正常转动时OUTA1和OUTA2之间波形
图12：电机1堵转时OUTA1、OUTA2波形
步进电机2：1.65kHz step频率，20kHz调制频率，正常转动时OUTA1、OUTA2反电势为11.5V，如图13。堵转时OUTA1、OUTA2之间的反电势为1.9V，如图14。
寄存器CONFIG_5配置为寄存器0x078001（CV_DELAY=0）在零电流结束位置采样。CVLLA配置 为0x0E00DB（2.98V）。当电机堵转时，可以检测到FUNCTION_ERR置位，回读STA_1，STALL置1。
图13：电机2正常转动时OUTA1和OUTA2之间波形
图14：电机2正常堵转时OUTA1和OUTA2之间波形
