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2024/08/01
纳芯微推出“Cube N课堂”系列，该系列聚焦纳芯微的嵌入式电机驱动SoC 产品系列。探索其多元应用，与大家共同玩转奇妙的“产品魔方”。
随着现代汽车电子技术的快速发展，步进电机作为一种精确且可靠的执行元件，在汽车电子系统中的应用日益广泛。为了实现车载步进电机应用的精确控制，纳芯微推出了集成LIN和MOSFET功率级的单芯片车用小电机驱动SoC——NSUC1610，可以帮助客户实现安全可靠的车载电机控制。
本文将结合步进电机的结构与驱动方法，重点介绍基于NSUC1610的步进电机控制原理及其实际应用，并为大家提供了相应的demo演示。 (戳这里，观看视频）
步进电机结构及其驱动方法
与人们熟知的大部分电机一样，步进电机的结构也是由定子和转子组成。转子由轴承、铁芯、磁钢等构成。转子铁芯带有齿轮，是步进电机单部步距的行程；定子是由铁芯、定子绕组和支撑结构构成。
步进电机结构
根据绕组方式，步进电机主要分为两大类：一类是单极性步进电机，它是由带中心抽头（公共线）的单绕组组成，其电流均由1、2、3、4四根线的相线流入中心抽头公共线，因此电流方向是单向的。另一类是双极性步进电机，由没有中心抽头的绕组构成，其电流方向是双向的。
步进电机的分类
单极性步进全步运转示意图
单极性步进电机和双极性步进电机的驱动方式不尽相同，上图中单极性步进电机的A、B、C、D分别是两相四线，5为抽头的公共线。在驱动电机全步运行时，步骤如下
第一步：A相通电，B、C、D相不通电，A相产生磁场，且磁极是S极，吸引转子的N极；
第二步：A、B相全部通电且电流相同，产生相同的磁极，两个S极磁场矢量合成，吸引转子向A、B相之间旋转；
第三步：B相通电，A相断电，B相产生磁场，且磁极是S极，吸引转子的N极；
第四步：B、C相通电且电流相等产生相同的磁性，两个S极磁场矢量合成，即可吸引转子向BC相之间旋转。
依次类推五六七八步，使整个步进电机旋转起来。
双极性步进全步运转示意图
双极性步进电机的驱动是直接驱动A+、A-、B+、B-两相四根线来实现运转的。步骤如下
第一步：A相通电，B相不通电，A相产生磁场且A+磁极是S极，A-磁极是N极，吸引转子的N极至A+，S极至A-；
第二步：A、B相全部通电且电流相同，产生相同的磁极，两个S极的N极磁场矢量合成，吸引转子N极向A+、B+相之间旋转；
第三步：B相通电，A相断电，B相产生磁场且磁极是S极，吸引转子的N极至B+；
第四步：B相通电，A相断电且电流相等，产生相同磁性，两个S极磁场矢量合成，吸引转子N极，向B+、A-相之间旋转。
依此类推五六七八步，整个步进电机便旋转起来。
基于NSUC1610的步进电机控制
纳芯微NSUC1610采用数字恒流控制技术，由PWM 100%控制每个周期的电流输出，实现对输出电流的精确调节。这意味着，在输出电流未达到设定电流值之前，PWM输出on，一旦达到设定电流值便输出off；如果在输出off之后的输出电流低于设定值，就会在下一个周期重新输出高电平，继续增加输出电流，以便在PWM输出off时使电流及时衰减至设定值。
硬件电流控制
NSUC1610的电流控制采用三种衰减方式，以适应不同类型和需求的步进电机。第一种是慢衰减（slow decay）方式，打开电流输出时，上桥臂输出PWM波，下桥臂输出常高；关闭电流时，关闭上桥臂，下桥臂保持常高，通过MOSFET的体二极管实现泄放。这种方式是将电流的电能转化为热能，但泄放能力有限。
异步慢衰减
第二种是快衰减（fast decay）方式，打开电流输出时，上下桥臂均输出PWM波；关闭电流输出时，通过打开反向的上下桥臂，直接将能量泄放至电源充电，此时泄放能力较大。
第三种是混合衰减（mix decay）方式，它结合了前两种方式，一段时间采用慢衰减方式，一段时间采用快衰减方式，并调控两者的时间比例。
至于具体采用哪一种衰减方式来衰减电流，需要根据电机的电感参数及电机的转速等合理选择。
在采用NSUC1610驱动双极性步进电机时，只需将电机的A+、A-、B+、B-四根线直接与MOUT0、MOUT1、MOUT2、MOUT3相连，VSS、ISNS管脚直接接地，外围电路只需加一些必要的电容、电阻及二极管等被动元件，即可实现用单芯片控制双极性步进电机，同时还可以实现与LIN主机的通信，大大地提高系统的集成度和可靠性。
从步进电机的驱动原理来看，通过给电机的两相通上交流电流即可使电机旋转。实际上，这是比较粗糙的步进电机控制方式，这种控制方式产生的电流突变点较多，转距不恒定，旋转也就不太平顺。
为了让电机较为平顺丝滑地旋转，通常采用微步驱动方式。微步驱动方式不同于全步驱动方式，它是在8步全步中去掉了4步，插入了中间点临界电流，即0电流。通过不断类推，不断插入中间电流，即可减小电流突变，细化电机的电流变化，使之接近正弦，从而实现微步。微步的目标是产生A、B相位差90°的正弦电流。
NSUC1610利用数字恒流控制实现了微步正弦电流控制，具体实现原理是采用比较器恒流控制。方法是在正端接入一个桥臂电流采样信号，负端接入一个DAC输出电压信号，在每一个微步控制期间触发固定的DAC输出。
如果桥臂电流信号大于DAC，则打开相应的桥臂输出；如果桥臂电流小于DAC值，则关闭相应的桥臂输出，这样即可实现每一个微步期间的闭环恒流控制。在整个步进区间中，根据正弦公式改变DAC输出，即可实现电流信号的正弦输出，从而实现步进电机的微步控制。
在电机旋转过程中，会出现一定概率的堵转而导致电机失步。为了检测电机是否出现堵转失步，可以通过测量电机的反电动势来判定。由于电机的反电动势与其转速成正比，因此需要为测量到的反电动势设定一个合理的阈值，小于设定阈值即可认为电机出现了失步。
在整个电流控制区间，电机的反电动势大部分是不可测量的。只有当电流为0，桥臂没有导通驱动电机时，测量的两个桥臂电压才是真实反电动势。
电机的启动和停止时速度为0，如果直接满速启动或停止，那么电机的启停就会很突然，出现不平顺。为了实现较为平缓的速度控制，可以采用梯形加减速的方式实现位置控制。由于速度控制的曲线是梯形，位移曲线就是S型。从图中可以看到，电流波形在加速减速阶段较为稀疏，而在匀速阶段较为密集。一般步进电机停止前，会有一段大的稳定电流，旨在防止电机转到目标位置时出现过冲；接着进入hold状态，利用一个小的hold电流可使扭矩保持不变。
更高效智能的车载步进电机控制
通过采用数字恒流控制技术，NSUC1610实现了对步进电机电流的精确调节，以适应不同类型和需求的步进电机。NSUC1610还支持微步驱动方式，使步进电机的旋转更加平顺丝滑。
