步进电机堵转检测技术详解

2024-12-24

电机堵转检测是确保电机控制系统安全、可靠运行的关键环节,对于预防电机损坏、提高系统稳定性和满足行业安全标准都有着重要作用。

本期技术视频聚焦步进电机的堵转检测,解析其重要性、介绍纳芯微驱动芯片的堵转检测原理,演示NSD8381堵转检测流程,同时介绍NSD8381与NSD8389步进电机驱动产品的优势与特点。

为什么需要对电机进行堵转检测

纳芯微驱动芯片堵转检测的原理

步进电机堵转检测流程演示:以NSD8381为例

NSD8381 & NSD8389步进电机驱动产品介绍

01为什么需要对电机进行堵转检测

进行电机堵转检测的原因主要包括以下几点:

1. 防止电机损坏,保护电机。

2. 防止大电流损坏驱动器,保护驱动器。

3. 避免引发系统故障,提高系统可靠性。

4. 满足安全标准:在某些行业标准中,会用于评估电动机的性能和安全要求。

5. 性能评估:可以反映出电机定子、转子绕组及磁路的合理性和一些质量问题。

6. 诊断和改进,可以作为故障诊断的一部分,帮助识别电机缺陷。

02纳芯微驱动芯片堵转检测的原理

步进电机堵转检测技术详解 (https://ic.work/) 技术资料 第1张

电机绕组等效模型

纳芯微步进电机采用反电势法进行堵转检测,在正常情况下,电机运行时绕组会产生反电动势(BEMF)。

步进电机堵转检测技术详解 (https://ic.work/) 技术资料 第2张

公式1

公式1表达了电机绕组电压的计算,由公式1可知,电机转动时,绕组电压包含反电势电压。当电机电流为零时,绕组两侧电压即为反电势电压。

步进电机堵转检测技术详解 (https://ic.work/) 技术资料 第3张

公式2

(其中:N为绕组的匝数,B代表磁场强度,A是被电机磁场所包围的面积,ω是电机转动的角速度)

公式2表达了电机绕组中反电势的计算。由公式2可知,反电势电压和电机的角速度成正比,当电机堵转时,角速度为零,反电势也为零,即可以通过检测电流为零时反电势变化,来判断电机是否堵转。

03步进电机堵转检测流程演示:

以NSD8381为例

第一步:配置好寄存器,让电机正常转动

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硬件配置

步进电机堵转检测技术详解 (https://ic.work/) 技术资料 第5张

上位机界面

硬件配置:

NSD8381 demo板、步进电机、通信串口工具、12V直流电源、示波器、信号发生器、串口发送上位机界面。

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,slew rate等

CONFIG_1: 0x030428 ---配置CTRLx (默认采用步进电机模式)

CONFIG_3: 0x05A901 ---使能输出,设置微步(1/8微步)

步进电机堵转检测技术详解 (https://ic.work/) 技术资料 第6张

电机转动演示如以上动图所示:1.连接上位机和串口,2.给demo板供电,3.提供脉冲信号,4.发送寄存器配置的指令,此时电机转动起来。

第二步:正常转动反电势波形测试

当电机转动起来后,用示波器测试OUTA1、OUTA2或者OUTB1、OUTB2对地的波形,即测量电机绕组两端的电压,记录此时的反电势值以及需要设置的CV_DELAY值。

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测试点OUTA1和OUTA2

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测试波形图

如波形所示,其中会有一段两个OUT的电压均不进行PWM调制的部分,这部分波形代表电机的驱动电流为零,箭头所指黄色的电压,即为反电势电压。黄色虚线两端的时间长度,为反电势被稳定测量到所需要的延时,记为CV-DELAY,如图测试反电势为2V,CV_DELAY为350 us。

第三步:堵转检测寄存器CONFIG_5 (0x07)参数配置

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寄存器映射表

配置CONFIG_5寄存器,需要配置CV_DELAY[4:0]、使能CV_EN、配置CV_STALL_NUM[2:0]。

CV_DELAY[4:0]是线圈BEMF反电势电压转换延时配置位,可配置从1到31的值,对应了从零开始的PWM周期数延时,该延时之后,线圈反电势电压开始转换。步骤二测试的CV_DELAY即为该配置的参考值。如果该值为0,则在零电流结束时,进行电压采样,适用于转速比较快的电机。

CV_STALL_NUM[2:0]是线圈BEMF反电势电压堵转时的转换数量配置位。可配置堵转检测时,线圈反电势电压连续转换的次数,其最小值为1。其中检测到超出范围[CVLLA, CUL],判断失速检测。

最后,配置CONFiG_5寄存器为0x8000,在零电流结束时,对线圈电压进行采样,反电势电压连续转换次数为1。

第四步:电机正常转动回读反电势值演示

配置好CONFiG_5寄存器后,电机还是正常转动的状态,此时通过串口去回读CVA,CVB,CVC,CVD。记录此时的CV值,并和示波器测试的反电势值进行比较。此步骤需要让CONFIG_5的配置使回读的CV值尽可能接近示波器测试的反电势值。如回读值和测试值存在偏差,需要调整CONFiG_5的CV_DELAY和CV_STALL_NUM。

此时,寄存器CVA,CVB,CVC,CVD返回的值0x008E(最大值),换算过来高值为1.94V,接近实测反电势2V。

第五步:测试电机堵转波形

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第五步,让电机堵转,同步骤二,再次测量OUTA1对地和OUTA2对地的波形。如波形显示,反电势电压显示0V。

第六步:配置好寄存器,让电机正常转动

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第六步,此时电机仍是堵转的状态。如演示,再次读取CVA,CVB,CVC和CVD。堵转情况下回读的值0x001B(最大值)和0x0000(最小值),换算过来低值为0.35V(最大值)和0V(最小值),和示波器测试基本一致。

第七步:配置CVLLA和CVLLB

根据记录的“高值”和“低值”配置CVLLA和CVLLB。CVLLA和CVLLB可以选择这两个记录值的中间值,其中CVLLA的值需要比反电势大,但比CVLLB小(CUVL可以采用默认值)。

由第三步得到“高值”1.94V,由第六步得到“低值”0V,由此设置CVLLA为0x0027 (0.52V),设置CVLLB为0x0000 (0V),CVUL可设置0x07FF 默认值(28V)。

第八步:电机堵转后回读STA_1寄存器演示

让电机运转后发生堵转,当电机发生堵转时,同时回读STA_1寄存器。设置CONFiG_5寄存器,配置CVLLA,电机正常转动时,回读01寄存器以及CVA,CVB,CVC,CVD,此时CV返回值在8E附近,状态寄存器无故障上报。然后堵转电机,回读状态寄存器,此时返回05,报堵转故障。同时回读CVA,CVB,CVC,CVD,返回反电势为0值,说明堵转检测成功。

04

NSD8381 & NSD8389

步进电机驱动产品介绍

NSD8381是纳芯微车规级高集成式双相双极性步进电机驱动,适用于汽车头灯步进控制、热管理系统电子膨胀阀驱动、HUD位置调节等应用场景。

该芯片支持最大1.35A满量程电流,支持16档电流调节,内部最高32细分,多种衰减模式选择,同时可支持四个半桥独立工作。NSD8381支持母线欠压保护,过流保护,温度报警和过温保护;同时还支持输出负载的开路诊断和过流保护。此外,NSD8381还集成了本文介绍的堵转检测功能,可以用于堵转故障输出,可以帮助客户应用于堵转检测场合。

步进电机堵转检测技术详解 (https://ic.work/) 技术资料 第12张

NSD8381功能框图

产品特性

◆宽工作电压:4.5V ~ 36V(最大值40V)

◆电流高达1.35A,16档电流调节

◆可编程多种细分模式,最高可达32细分模式

◆四种可编程衰退模式:慢衰退/混合衰退/自动衰退1/自动衰退2模式

◆STEP/DIR/HOLD 三个输入引脚或 SPI 控制

◆用于高精度位置控制的相位计数器

◆独立4路半桥控制模式(仅适用于 QFN32)

◆无感堵转检测(反电势过零点检测)

◆PWM展频及压摆率配置

◆24位 SPI 接口

◆超低功耗睡眠模式

◆AEC-Q100认证

全功能的保护和故障输出

◆SPI 报错

◆过流保护

◆电荷泵欠压

◆过温警告和关断

◆ON状态下的开路、短路到 Vbat、短路到 GND 检测

◆堵转检测(支持不自动进入保持模式)

应用场景

◆头灯位置控制 (ADB/AFS)

◆电子膨胀阀 (EVX)

◆抬头显示/驾驶员检测 (HUD/DMS)

NSD8389是纳芯微最新发布的车规级双相双极性步进电机驱动,适用于汽车头灯步进控制、热管理系统电子膨胀阀驱动、HUD位置调节等应用场景。其优势是提高了步进电机的电流,支持到1.5A;提高了电机控制的微步数,支持256细分模式,增加更多衰减模式,支持8种decay模式。集成母线欠压保护,过流保护,过温保护,负载开路诊断和过流保护等多种保护功能。同时也支持堵转检测功能,适用于对步进电机精度要求更高的场合。

步进电机堵转检测技术详解 (https://ic.work/) 技术资料 第13张

NSD8389功能框图

产品特性

◆宽工作电压:4.5V ~ 36V(最大值40V)

◆导通电阻和电流:900mΩ;1.5A 全量程

◆可编程最高256细分模式

◆8 种衰退模式:智能调节、慢衰退和混合衰退模式

◆STEP/DIR 输入和 SPI 可控保持模式

◆用于高精度位置控制的相位计数器

◆可配置的 OPL_FILT 、 TBLANK、DRV_DIS(适用于NSD8389A)

◆无感堵转检测(反电势过零点检测)

◆可配置的上升速率、死区时间和扩频

◆支持菊花链模式的16位SPI通信

◆超低功耗睡眠模式

◆AEC-Q100认证

全功能的保护和故障输出

◆VSUV、CPUV

◆OTW、OTSD、UTW 和 TJ 故障

◆每个 HS 和 LS 的过流保护和检测

◆每个通道的开路检测

◆堵转检测(可配置堵转hold模式)

◆SPI 错误和故障条件指示引脚(nFAULT)

应用场景

◆头灯位置控制(ADB/AFS)

◆电子膨胀阀 (EVX)

◆抬头显示/驾驶员检测 (HUD/DMS)

◆隐藏式出风口电机

纳芯微始终致力于为客户提供高性能的电机驱动解决方案,无论是在汽车、工业还是消费电子领域,都能够为用户带来更为高效、稳定的产品选择。

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