1 L9942 的微步模式

L9942步進電機控制器具有全步、半步和微步模式。微步模式提供32個可編程電流調節步進，步進角度超過360°。這意味著每個象限有8個不同的電流水平。

圖 1 L9942的微步模式

每一步電流都由PWM控制調節，PWM開啟時間由振蕩器固定，關閉時間由測量的電流設置。通過查找表將高壓側開關提供的內部電流鏡反饋與預設（可編程）電流值進行比較。當相位中的電流與查找表中的值匹配時，相位將關閉，直到下一次PWM接通。因此，通過輸出的PWM控制，電流正弦波以32步近似。這也適用于半步和全步操作模式。

圖2 L9942電流調節框圖

2 通用電機概念

電機電壓可以用一個由電阻、電動和電感三個分量組成的方程表示。

公式1

電阻分量（Rwindings）在確定預期的堵轉電流方面起著很大的作用。當電機不旋轉時，唯一限制電流的是繞組電阻。

當應用PWM信號時，電機（Lwindings）的電感被利用。當設置PWM頻率時，電感會產生恒定或平滑相位的電流，以便電感在PWM關閉期間支持繞組中的電流。

BEMF是當永磁電樞在定子內部（或周圍）旋轉時，電機產生的電壓。當轉子旋轉時，繞組會經歷一個變化的磁場，這種變化的磁場會產生與變化磁場速度直接相關的BEMF電壓。

電機中有兩個普遍的概念總是正確的。第一個是BEMF與電樞速度成正比，實際上，沒有其他任何概念。反電動勢方程很清楚地說明了這一點：

公式2

其中：

• N是線圈匝數
• B代表磁場
• A是電機磁場包圍的區域面積
• ω是角速度

請注意，N、B和A都是特定于電動機結構的常數。它們不會改變。最終結果是反電動勢（EMF）與電機速度（ω）成正比。

下一個通用概念是電機轉矩和電機電流之間的關系。同樣，方程式清楚地描述了這一點：

公式3

其中：

• N是線圈匝數
• P是極數
• θ是磁通量

再次注意電流（I）和轉矩（T）是成正比的。還有其他影響電流的因素，如銅的溫度和電阻率。銅電阻率提高了轉矩電勢（冷態）或限制了轉矩電勢差（熱態），但不會改變轉矩與電流的關系。

2.1 適用于步進電機的通用電機概念

步進電機通常是恒流驅動系統（譯者注：原文是A stepper motor is typically a fixed current system.）。如果進入電機的固定電流產生固定扭矩，則步進電機如何在固定驅動電流、固定轉速的情況下，適應各種負載和扭矩？答案是，自動調整反電動勢相對于驅動電流的相位。

電流根據前面的方程產生扭矩。施加扭矩的方向取決于外部負載。對于輕負載步進電機，電機轉矩僅有一小部分用于驅動負載，而很大一部分用于降低電機轉速。為了永遠不超過指令轉速，電流首先驅動電機加速，然后制動電機減速。對于空載電機，輸出軸輸出的總扭矩為零。

轉子位置也是轉子磁場相對于定子磁場的位置指示。轉子磁場固定在轉子上，并隨轉子旋轉。定子磁場與定子中的電流有關。“正”電流產生“正”磁場，反之亦然。

圖3 無負載電機的BEMF相位移動

電機加載時，反電動勢移動，將更多扭矩轉換為向前運動。

圖 4 部分負載電機的BEMF相移

在部分負載的電機中，反電動勢發生了變化，以增加驅動轉矩占制動轉矩的百分比。隨著外部載荷的增加，這種變化會繼續，直到載荷超過潛在扭矩能力。此時，電氣旋轉和機械旋轉之間的同步停止，將會造成電機堵轉。

下圖中，在滿載電機中，扭矩需求增加，在反電動勢進一步移動的瞬間，輸出扭矩減小，最后電機停止旋轉。

圖5 滿負載電機的BEMF相移

上圖中注意到：注意電流和BEMF的完全對齊（譯者注：指的是相位相同）。

3 LP9942堵轉檢測方法

3.1 電流檢測

L9942具有通過查看電機電流上升時間來檢測堵轉的功能。

堵轉期間，由于沒有BEMF，電機電流升高。缺乏BEMF會產生兩種影響。首先，反電動勢缺失會導致電機相電阻兩端的電壓變大，最終導致電機繞組中的電流增大（譯者注：原文為it increases the potential current in a winding at a given voltage per Ohm's law）。其次，它增加了繞組電流的變化率，因為電感中電流的變化速率與電感兩端的電壓成正比。在電機繞組中只有很少或沒有BEMF時，電流會快速上升。

圖 6 典型的電機相繞組部件

然而，L9942通過在達到預編程電流閾值時關閉相位來調節電機相電流。因此，當電機堵轉時，電機電流不會產生尖峰電流（譯者注：尖峰電流指的是spike）。當電流控制算法補償BEMF的損失時，占空比減小到相當小的值。因此，L9942通過觀察并報告給定指令電流的異常低占空比來檢測BEMF的損失。

這種方法的困難在于，有許多與電機電流相關的參數可以在步進電機的正常工作空間內移動。溫度、電池電壓、負載或扭矩等因素會對電流調節占空比產生重大影響。不幸的是，正常光譜一端的工作點可能看起來像另一端的堵轉電機（譯者注：原文是：Unfortunately, the operating point at one end of the normal spectrum can look like a stalled motor at the other end. 沒有弄懂要表達什么意思）。這些重疊的參數使得通過電流占空比來檢測堵的方法測變得不可靠。

為了最小化電機電阻、電池電壓和溫度的影響，堵轉檢測算法可以直接查看BEMF。

3.2 BEMP檢測說明

通過對比非堵轉操作期間的一個步進電機相位的線圈電流和感應BEMF電壓，可以看出電流和BEMF壓力之間存在90°的相位差。

圖7 反電動勢和相電流

BEMF堵轉檢測算法利用了這一現象。當電機電流從一個極性過渡到另一個極時，有一步的電流通常設置為0A。因此，當階躍電流為零時，檢查BEMF不會干擾電機的控制。

圖8 主動步進電機上的反電動勢波形

在電流為零或接近零的空載電機繞組中，BEMF最強。

當您考慮電機負載對BEMF相位的影響時，就會出現問題。由于此算法僅在相位未驅動時查找BEMF，因此“查找”窗口非常短。當電機加載時，BEMF移動，使其更符合驅動電壓/電流。因此，電機負載給BEMF檢測增加了一些變化。堵轉邊緣的滿載電機看起來與完全堵轉的電機相同。幸運的是，步進電機不打算用那么多負載驅動。

3.2.1步進電機上的BEMF

為了更容易地看到轉矩對反電動勢的影響，以下是一個以全步進模式驅動的電機。下圖9顯示了在全步進模式下驅動的空載電機。紅色是電流，紫色是相位上的電壓。細黑線估計反電動勢。

圖9 以全步進模式驅動的空載電機

在空載電機中（圖9），反電動勢引導相電流。這表明旋轉磁場提供的能量比保持轉子旋轉所需的能量更多。反電動勢電壓的不規則形狀表明在360°循環中存在旋轉加速和減速。

在負載水平較高的電機中（圖10），反電動勢信號與實際驅動器信號更加一致。換句話說，原因和結果之間的相位差較小。如果負載增加到一定水平以上，則在驅動電機時可能會出現階躍損耗。

圖10 以全步進模式驅動的負載電機

使用步進電機的系統會大幅度過驅動電機（譯者注：這里指的是在額定電流下，驅動電流對應的轉矩要大于負載，且要留有較大余量），以確保在所有正常操作條件下不會堵轉。

3.2.2 堵轉電機上的BEMF

將圖9和圖10與堵轉轉子波形（圖11）進行比較，說明堵轉電機和運行電機之間的差異。同樣，這些數字是使用全步進電機完成的，以更好地說明這些條件下的BEMF。

圖11 硬堵轉模式下的電機

圖11顯示了在非驅動間隔期間幾乎沒有反電動勢。這是可以理解的，因為BEMF是轉子運動的直接結果。如果堵轉轉子中有一些移動，則可以看到BEMF（圖12）。圖12顯示了“松散”堵轉電機中BEMF的不規則性質。

圖 12 電機堵轉但允許“振動”的兩種情況

將這些波形與之前的運行波形進行比較，我們可以看到有些重疊。當然，圖12顯示了全步進模式驅動電機的行為。

4 BEMF檢測的統計學分析

以下簡化框圖（圖13）說明了微步進模式下給定電機的BEMF檢測系統。該系統與步進電機相位同步檢查BEMF。

圖 13 反電勢檢測電路的簡化框圖

通過微處理器模擬數字采樣，可以在短時間內獲得數千個BEMF讀數。根據該信息生成了值的直方圖。這提供了對預期的理解。

對于以下直方圖，如圖所示，使用了L9942和8位微控制器。L9942的步進時鐘頻率設置為2 kHz，微步進模式下的峰值電流設置為400 mA。

每個ADC樣本都是在零電流步驟結束時采集的。這確保了最一致的BEMF讀數。

圖14 20℃下空載電機的BEMF直方圖

其中：

• 檢測到的最小BEMF電壓=3.6 V
• 檢測到的最大BEMF電壓=6.6 V
• 平均檢測到的BEMF電壓=4.7278 V
• 標準偏差=0.2007 V

現在比較堵轉轉子BEMF和運行中的BEMF。

圖15 空載和堵轉電機在熱態和冷態下的組合直方圖

從圖中可以看出，有些情況下，堵轉轉子的BEMF與運行的BEMF值重疊。這只是由于轉子振動導致BEMF高于零。從統計數據來看，這種重疊是最小的，因為大多數情況下，BEMF比平時低得多。

在這個例子中，BEMF閾值被設置為大約2 V。由于絕大多數堵轉轉子的BEMF測量值都遠低于這個水平，因此使用該閾值可以進行可靠的檢測。如果您查看有效檢測此電機堵轉所需的時間，我們發現獨鉆可以在電機的一個機械旋轉內檢測到。

圖16 一臺電機堵轉檢測時間直方圖（右側是左側的縮放比例）

“電流周期”是指進行一次360°電旋轉的持續時間。在本例中，轉換為以2 kHz或16 ms的頻率步進32次。在10個半周期或80 ms內，100%的時間檢測到堵轉。

5 限制

這些情況比較了空載電機和堵轉電機。這兩種狀態之間的差異是顯著的，并且很容易察覺。從上述分析中，我們可以看到，當BEMF移動與電流更加一致時，負載電機會導致檢測到的BEMF閾值下降。在考慮可接受的堵轉閾值時，必須考慮這種下降。對于每個應用，都有一個應用的最大預期扭矩要求。在確定BEMF堵轉閾值時，必須考慮該最大扭矩要求。

其他可能限制這種方法的因素包括傳動裝置松動或松軟，或轉子“彈跳”的“軟”堵轉。在當前占空比方法中，這些限制更難克服。由于BEMF檢測是在IC外部進行的，因此可以通過識別堵轉閾值的統計方法在一定程度上克服這一限制。

6 總結

用于檢測堵轉的BEMF方法可靠且經濟高效。該方法使用隨時間或溫度變化很小的電機參數。因此，它克服了更傳統的電流/占空比檢測堵轉檢測方法中的許多限制。