本文將結(jié)合具體的案例，針對納芯微全新發(fā)布的微步控制步進電機驅(qū)動NSD8381，在用于步進電機控制的實現(xiàn)流程，以及堵轉(zhuǎn)檢測的實現(xiàn)流程做詳細的介紹，幫助工程師能夠快速構(gòu)建用NSD8381驅(qū)動芯片實現(xiàn)控制步進電機運轉(zhuǎn)和實現(xiàn)堵轉(zhuǎn)檢測的實操能力。

一、NSD8381步進電機驅(qū)動芯片介紹

NSD8381是納芯微全新發(fā)布的車規(guī)級高集成式雙相雙極步進電機驅(qū)動器，可廣泛適用于汽車頭燈步進控制（ADB/AFS），HUD位置調(diào)節(jié)電機，熱管理系統(tǒng)閥門中步進電機或BDC電機的驅(qū)動等。

該芯片支持最大1.35A滿量程電流，包括電流斬波調(diào)節(jié)，內(nèi)部最高1/32微步轉(zhuǎn)換器和多種衰減模式選擇使步進電機平穩(wěn)運動。NSD8381支持母線欠壓保護(VSUV)，過流保護(OCP)，溫度報警(OTW/UTW)和過溫保護(OTSD)；同時還支持輸出負載的開路診斷和過流保護。此外，NSD8381還集成了堵轉(zhuǎn)檢測功能，可以用于堵轉(zhuǎn)故障輸出。

二、 NSD8381用于步進電機控制配置以及測試案例

1）NSD8381的SPI框架結(jié)構(gòu)

1. SDI的輸入幀由24bit構(gòu)成以下的結(jié)構(gòu)  

?  2bit 操作指令C1/C0，其中 00代表寫操作，01代表讀操作，10代表讀清

?  6 bit的寄存器地址

?  16bit數(shù)據(jù)，其中包含bit 15~bit 1的數(shù)據(jù)和bit 0的奇校驗位

表1：SPI 輸入幀結(jié)構(gòu)

2. SDO的輸出幀由24bit構(gòu)成以下的結(jié)構(gòu) 

? 8bit全局狀態(tài)字節(jié)，顯示返回的全局狀態(tài)，如果有故障和告警，相應(yīng)的bit會反饋故障狀態(tài)

? 16bit返回數(shù)據(jù)，其中包含bit 15~bit 1的數(shù)據(jù)和bit 0 的奇校驗位

表2：SPI 輸出幀結(jié)構(gòu)

2）NSD8381步進電機模式工作流程圖

圖1：步進電機工作流程圖

3）NSD8381步進電機測試硬件組成以及軟件配置

硬件設(shè)備：NSD8381 Demo Board一塊，步進電機，12V直流電源，USB轉(zhuǎn)TTL小工具連接到上位機，信號發(fā)生器一臺

SPI寄存器配置：

CONFIG_6：0x081013----配置步進電機電流大小(HOLD:50mA; full 571mA)

CONFIG_4：0x060841----配置電流調(diào)制頻率 20k，slew rate 10V/us，filter time 2us，電流slow decay

注意：這里采用默認slew rate ，10v/us,   在應(yīng)用中推薦把 slew rate 調(diào)快， slew rate 調(diào)快之后， dead time 也減小。調(diào)快對芯片在比較大的電流的工作場景下的功耗是有明顯的好處。比如，可以配置CONFIG_4:  0x060A40， ----配置電流調(diào)制頻率 20k，slew rate 70V/us，filter time 2us， 電流slow decay

CONFIG_1：0x030428----配置CTRLx (默認配置采用步進電機模式)

CONFIG_3：0x058000----使能輸出，設(shè)置微步（1/16微步）

4）NSD8381步進電機測試波形

測試條件：1/16微步，滿量程電流571mA，電流調(diào)制頻率20kHz, 電流調(diào)制 filter  time 2us，STEP脈沖 1kHz

1. Slow decay模式測試波形

圖2：步進電機繞組電流波形

a. 電流上升decay

b. 電流下降decay

圖3：步進電機繞組電流波形decay波形

2. Mix decay模式測試波形

圖4：步進電機繞組電流波形

a. 電流上升decay

b. 電流下降decay

圖5：步進電機繞組電流波形decay波形

3. Auto decay模式測試波形

圖6：步進電機繞組電流波形

a. 電流上升decay

b. 電流下降decay

圖7：步進電機繞組電流波形decay波形

對比三組波形，實測現(xiàn)象總結(jié)如下：Slow decay和Auto decay的模式下，其電流上升decay波形比較緩和，正弦波的峰值處毛刺較小，電機運行的聲音比較輕微。Mix decay電流上升decay的波形分成兩段，正弦波的峰值處毛刺較大，電機運行的噪音比較大一些。

在實際應(yīng)用的時候，可以根據(jù)調(diào)試decay模式來獲得合適電機的工作狀態(tài)。

三、NSD8381用于步進電機控制堵轉(zhuǎn)檢測使用

1）堵轉(zhuǎn)檢測的原理 

圖8是步進電機繞組的等效模型。當電機正常轉(zhuǎn)動的時候，根據(jù)公式1 可以得到電機繞組兩側(cè)的電壓Vmotor。根據(jù)公式2可得到電機的反電勢BEMF，其中N為線圈的繞組數(shù)量，B代表磁場強度，A是被電機磁場所包圍的面積，w是電機轉(zhuǎn)動的角速度。

由公式1可知，當流過電機的電流為零時，電機繞組兩側(cè)的電壓是BEMF，即反電勢電壓。由公式2 可知，反電勢電壓和電機的角速度成正比，當電機堵轉(zhuǎn)的時候，速度為零，此時反電勢為理論上也為零。因此，可以利用檢測繞組電流為零時的繞組電壓來檢測反電勢。

公式1

公式2

圖8：步進電機繞組等效模型

2）堵轉(zhuǎn)檢測步驟

圖9：NSD8381 堵轉(zhuǎn)檢測流程

堵轉(zhuǎn)檢測過程注意點：

1. 如果涉及正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的應(yīng)用，需要在電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的時候分別執(zhí)行1-6步，記錄高值和低值。設(shè)置CVLLA的值要滿足大于正、反轉(zhuǎn)的堵轉(zhuǎn)值，但是遠小于正、反轉(zhuǎn)正常轉(zhuǎn)動的反電勢值。

2. CV_DELAY設(shè)置：以圖10作為例子，CV_DELAY的時間必須大于圖中的△X。為了確保反電勢的采樣點是在圖中平坦的那一段，即△X后的那一段線圈電流為零的點，采集的值才準確。圖10顯示△X =108us，內(nèi)部PWM的頻率是20kHz（50us），則這個波形的CV_DELAY值需要 大于3，即大于3×50=150us。另外需要注意的是當電機轉(zhuǎn)動很快的情況，可以直接設(shè)計CV_DELAY為0，此時ADC的采樣點為零電流結(jié)束點。

圖10：正常轉(zhuǎn)動時反電勢波形

3. 讀取CVA，CVB，CVC，CVD以及設(shè)計CVLLA和CVLLB的值的時候，設(shè)置的寄存器位為Bit 1到Bit10，在換算電壓值的時候注意需要移一位。

3）步進電機堵轉(zhuǎn)檢測實例

步進電機1：2kHz step頻率，20kHz調(diào)制頻率，正常轉(zhuǎn)動時之間的OUTA1，OUTA2的反電勢為3.2V，如圖11。堵轉(zhuǎn)時OUTA1、OUTA2之間的反電勢為0.2V，如圖12。

寄存器CONFIG_5配置為寄存器0x078E00（CV_DELAY=7），根據(jù)圖11計算為350us，滿足CV_DELAY的延時采樣點。CVLLA配置 為0x0E0027 （0.52V）。當電機堵轉(zhuǎn)時，可以檢測到FUNCTION_ERR置位，回讀STA_1，STALL置1。

圖11：電機1正常轉(zhuǎn)動時OUTA1和OUTA2之間波形

圖12：電機1堵轉(zhuǎn)時OUTA1、OUTA2波形

步進電機2：1.65kHz step頻率，20kHz調(diào)制頻率，正常轉(zhuǎn)動時OUTA1、OUTA2反電勢為11.5V，如圖13。堵轉(zhuǎn)時OUTA1、OUTA2之間的反電勢為1.9V，如圖14。

寄存器CONFIG_5配置為寄存器0x078001（CV_DELAY=0）在零電流結(jié)束位置采樣。CVLLA配置 為0x0E00DB（2.98V）。當電機堵轉(zhuǎn)時，可以檢測到FUNCTION_ERR置位，回讀STA_1，STALL置1。

圖13：電機2正常轉(zhuǎn)動時OUTA1和OUTA2之間波形

圖14：電機2正常堵轉(zhuǎn)時OUTA1和OUTA2之間波形