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10-23

步进电机堵转检测技术详解

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摘要

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

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。

纳芯微驱动芯片堵转检测的原理

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）。

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。

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。

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

硬件配置

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）

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。

测试点OUTA1和OUTA2

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

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

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

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。

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。

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。