本文將結合具體的案例，針對納芯微全新發布的微步控制步進電機驅動NSD8381，在用于步進電機控制的實現流程，以及堵轉檢測的實現流程做詳細的介紹，幫助工程師能夠快速構建用NSD8381驅動芯片實現控制步進電機運轉和實現堵轉檢測的實操能力。

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步進電機驅動芯片NSD8381介紹

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

該芯片支持最大1.35A滿量程電流，包括電流斬波調節，內部最高1/32微步轉換器和多種衰減模式選擇使步進電機平穩運動。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還集成了堵轉檢測功能，可以用于堵轉故障輸出。

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用于步進電機控制配置及測試案例

1）NSD8381的SPI框架結構

1.SDI的輸入幀由24bit構成以下的結構

?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數據，其中包含bit 15~bit 1的數據和bit 0的奇校驗位

表1：SPI 輸入幀結構

2.SDO的輸出幀由24bit構成以下的結構

?8bit全局狀態字節，顯示返回的全局狀態，如果有故障和告警，相應的bit會反饋故障狀態

?16bit返回數據，其中包含bit 15~bit 1的數據和bit 0 的奇校驗位

表2：SPI 輸出幀結構

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

硬件設備：NSD8381DemoBoard一塊，步進電機，12V直流電源，USB轉TTL小工具連接到上位機，信號發生器一臺

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, 在應用中推薦把 slew rate 調快， slew rate 調快之后， dead time 也減小。調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，電流調制頻率20kHz, 電流調制 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，實測現象總結如下：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。

在實際應用的時候，可以根據調試decay模式來獲得合適電機的工作狀態。

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用于步進電機控制堵轉檢測使用

1）堵轉檢測的原理

圖8是步進電機繞組的等效模型。當電機正常轉動的時候，根據公式1 可以得到電機繞組兩側的電壓Vmotor。根據公式2可得到電機的反電勢BEMF，其中N為線圈的繞組數量，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）堵轉檢測步驟

圖9：NSD8381 堵轉檢測流程

堵轉檢測過程注意點：

1. 如果涉及正轉和反轉的應用，需要在電機正轉、反轉的時候分別執行1-6步，記錄高值和低值。設置CVLLA的值要滿足大于正、反轉的堵轉值，但是遠小于正、反轉正常轉動的反電勢值。

2. CV_DELAY設置：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動很快的情況，可以直接設計CV_DELAY為0，此時ADC的采樣點為零電流結束點。

圖10：正常轉動時反電勢波形

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

3）步進電機堵轉檢測實例

步進電機1：2kHz step頻率，20kHz調制頻率，正常轉動時之間的OUTA1，OUTA2的反電勢為3.2V，如圖11。堵轉時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），根據圖11計算為350us，滿足CV_DELAY的延時采樣點。CVLLA配置 為0x0E0014 （0.5V）。當電機堵轉時，可以檢測到FUNCTION_ERR置位，回讀STA_1，STALL置1。

圖11：電機1正常轉動時OUTA1和OUTA2之間波形

圖12：電機1堵轉時OUTA1、OUTA2波形

步進電機2：1.65kHz step頻率，20kHz調制頻率，正常轉動時OUTA1、OUTA2反電勢為11.5V，如圖13。堵轉時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）在零電流結束位置采樣。CVLLA配置 為0x0E00DB（2.98V）。當電機堵轉時，可以檢測到FUNCTION_ERR置位，回讀STA_1，STALL置1。

圖13：電機2正常轉動時OUTA1和OUTA2之間波形

圖14：電機2正常堵轉時OUTA1和OUTA2之間波形

審核編輯：劉清