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加快速度进行发展，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，能够在一定程度上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。
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。
根据绕组方式，步进电机大致上可以分为两大类：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。
单极性步进电机和双极性步进电机的驱动方式不完全一样，上图中单极性步进电机的A、B、C、D分别是两相四线为抽头的公共线。在驱动电机全步运行时，步骤如下
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；
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；
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。
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
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-；
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；
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。
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。这在某种程度上预示着，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。
NSUC1610的电流控制采用三种衰减方式，以适应不一样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。
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。
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，以适应不一样和需求的步进电机。NSUC1610还支持微步驱动方式，使步进电机的旋转更加平顺丝滑。
投资者关系关于同花顺软件下载法律声明运营许可联系我们友情链接招聘英才使用者真实的体验计划
不良信息举报电话举报邮箱：增值电信业务经营许可证：B2-20090237