如何使用NSD8381的堵转检测功能

目录：

• 1.前言
• 2.原理介绍
• 3.功能实现
• 3.1 相关寄存器介绍
• 3.2 堵转配置流程
• 4.测试情况
• 4.1 堵转后不关闭PWM波
• 4.2 堵转后关闭PWM波
• 4.3 其他影响因素

1.前言

• 基于S32K144驱动NSD8381

上篇文章（如上链接）介绍了如何基于S32K144驱动NSD8381，当时因为篇幅原因，没有介绍NSD8381的堵转检测功能。本文借助freemaster，让读者更方便地理解NSD8381的堵转检测功能。

2.原理介绍

纳芯微官网的步进电机驱动NSD8381调试指南^[1]有介绍NSD8381的堵转检测功能，相关内容摘录如下：

上图左边是步进电机绕组的等效模型。当电机正常转动的时候，根据上图右边的公式①可以得到电机绕组两侧的电压Vmotor。根据公式②可得到电机的反电势BEMF，其中N为线圈的绕组数量，B代表磁场强度，A是被电机磁场所包围的面积，w是电机转动的角速度。

由公式①可知，当流过电机的电流为零时，电机绕组两侧的电压是BEMF，即反电势电压。由公式②可知，反电势电压和电机的角速度成正比，当电机堵转的时候，速度接近于零，此时反电势也接近于零。因此，可以利用检测绕组电流为零时的绕组电压来检测反电势。

补充说明：

如下图所示，以1/8微步为例，在一个正弦波周期内，A、B线圈分别有两次过零step。

3.功能实现

3.1 相关寄存器介绍

上图标注都是和堵转检测相关的寄存器，说明如下：

• CV_EN，用于开启NSD8381在四个过零step进行反电动势测量
• PWM_FREQ_SEL[1:0] 和 CV_DELAY[4:0] ，前者配置调节电流的PWM的频率，后者设置在过零step之后多长时间进行采样。

PWM_FREQ_SEL[1:0] 使用默认值0x00，即使用20K的PWM调制频率，周期为50us；CV_DELAY[4:0]配置为7，那么NSD8381在过零step之后350us处采集反电动势。

• CV_STALL_NUM[2:0] ，当采集的反电动势值连续不在[CVLLA; CVUL]的次数达到CV_STALL_NUM。就会将STA_1寄存器的STALL bit置1。
• CV_REG_IND[1:0] ，用来指示上一次过零step的位置，从而去对应的CV寄存器读取电动势值。
• STALL_HOLD_EN，用来设置检测堵住之后是否切换到HOLD模式。
• CVA[9:0] 、CVB[9:0] 、CVC[9:0] 、CVD[9:0] ，用于保存读取的反电动势值。

以读取CVA[9:0]为例，计算公式为 

• CVUL[9:0], 反电动势值比较的上限值。
• CVLLB[9:0],反电动势值比较的下限警告值。
• CVLLA[9:0],反电动势值比较的下限值。

3.2 堵转配置流程

摘录纳芯微官网介绍的堵转配置流程图如下：

下面基于这套流程图进行介绍。

3.2.1 电机正常运行及数据测量

1. 基于上篇文章的配置，让电机正常运行，测得的波形如下图，其中CH1为OUTA1引脚电压，CH2为OUTA2引脚电压，CH3为OUTA引脚电流。

1. 放大电流过零点处的波形，发现在过零step后350us处采集反电动势电压是比较稳定，在0.2V左右。

3.2.2 软件配置相关寄存器

1. 在NSD8381初始化代码中增加对CONFIG_5寄存器的配置，如下图红框所示。

1. 在主循环中增加对CVA、CVB、CVC、CVD的读取，并基于CONFIG_5寄存器中的CV_REG_IND[1:0]判断当前反电动势的取值使用CVA、CVB、CVC、CVD的哪一个,实现这部分功能的代码如下。

Phase_Count = NSD8381drv_GetPH();

if(Phase_Count == 0)
{
    Coil_Volt_A = NSD8381drv_ReadcoilBEMF(MCVA);
    printf("voltage of coil A  is %d\r\n", Coil_Volt_A);
    Coil_Volt_B = NSD8381drv_ReadcoilBEMF(MCVB);
    printf("voltage of coil B  is %d\r\n", Coil_Volt_B);
    Coil_Volt_C = NSD8381drv_ReadcoilBEMF(MCVC);
    printf("voltage of coil C  is %d\r\n", Coil_Volt_C);
    Coil_Volt_D = NSD8381drv_ReadcoilBEMF(MCVD);
    printf("voltage of coil D  is %d\r\n", Coil_Volt_D);
    /* Last coil BEMF voltage conversion store register
     * 00:CVA
     * 01:CVB
     * 10:CVC
     * 11:CVD
     * */
    if(NSD8381_ReadCVLUR() == 0x00)
    {
        Latest_Coil_Volt = Coil_Volt_A;
        printf("Latest voltage of coil is CVA:%d\r\n", Latest_Coil_Volt);
        Float_Coil_volt = ((float)Latest_Coil_Volt/1023)*28;
        printf("latest real voltage of coil is:%f V\r\n", Float_Coil_volt);
    }

}
elseif(Phase_Count == 16)
{
    Coil_Volt_A = NSD8381drv_ReadcoilBEMF(MCVA);
    printf("voltage of coil A  is %d\r\n", Coil_Volt_A);
    Coil_Volt_B = NSD8381drv_ReadcoilBEMF(MCVB);
    printf("voltage of coil B  is %d\r\n", Coil_Volt_B);
    Coil_Volt_C = NSD8381drv_ReadcoilBEMF(MCVC);
    printf("voltage of coil C  is %d\r\n", Coil_Volt_C);
    Coil_Volt_D = NSD8381drv_ReadcoilBEMF(MCVD);
    printf("voltage of coil D  is %d\r\n", Coil_Volt_D);
    /* Last coil BEMF voltage conversion store register
     * 00:CVA
     * 01:CVB
     * 10:CVC
     * 11:CVD
     * */
    if(NSD8381_ReadCVLUR() == 0x01)
    {
        Latest_Coil_Volt = Coil_Volt_B;
        printf("Latest voltage of coil is CVB:%d\r\n", Latest_Coil_Volt);
        Float_Coil_volt = ((float)Latest_Coil_Volt/1023)*28;
        printf("latest real voltage of coil is:%f V\r\n", Float_Coil_volt);
    }
}
elseif(Phase_Count == 32)
{
    Coil_Volt_A = NSD8381drv_ReadcoilBEMF(MCVA);
    printf("voltage of coil A  is %d\r\n", Coil_Volt_A);
    Coil_Volt_B = NSD8381drv_ReadcoilBEMF(MCVB);
    printf("voltage of coil B  is %d\r\n", Coil_Volt_B);
    Coil_Volt_C = NSD8381drv_ReadcoilBEMF(MCVC);
    printf("voltage of coil C  is %d\r\n", Coil_Volt_C);
    Coil_Volt_D = NSD8381drv_ReadcoilBEMF(MCVD);
    printf("voltage of coil D  is %d\r\n", Coil_Volt_D);
    /* Last coil BEMF voltage conversion store register
     * 00:CVA
     * 01:CVB
     * 10:CVC
     * 11:CVD
     * */
    if(NSD8381_ReadCVLUR() == 0x02)
    {
        Latest_Coil_Volt = Coil_Volt_C;
        printf("Latest voltage of coil is CVC:%d\r\n", Latest_Coil_Volt);
        Float_Coil_volt = ((float)Latest_Coil_Volt/1023)*28;
        printf("latest real voltage of coil is:%f V\r\n", Float_Coil_volt);
    }
}
elseif(Phase_Count == 48)
{
    Coil_Volt_A = NSD8381drv_ReadcoilBEMF(MCVA);
    printf("voltage of coil A  is %d\r\n", Coil_Volt_A);
    Coil_Volt_B = NSD8381drv_ReadcoilBEMF(MCVB);
    printf("voltage of coil B  is %d\r\n", Coil_Volt_B);
    Coil_Volt_C = NSD8381drv_ReadcoilBEMF(MCVC);
    printf("voltage of coil C  is %d\r\n", Coil_Volt_C);
    Coil_Volt_D = NSD8381drv_ReadcoilBEMF(MCVD);
    printf("voltage of coil D  is %d\r\n", Coil_Volt_D);
    /* Last coil BEMF voltage conversion store register
     * 00:CVA
     * 01:CVB
     * 10:CVC
     * 11:CVD
     * */
    if(NSD8381_ReadCVLUR() == 0x03)
    {
        Latest_Coil_Volt = Coil_Volt_D;
        printf("Latest voltage of coil is CVD:%d\r\n", Latest_Coil_Volt);
        Float_Coil_volt = ((float)Latest_Coil_Volt/1023)*28;
        printf("latest real voltage of coil is:%f V\r\n", Float_Coil_volt);
    }
}

3.2.3 回读正常运行和堵转时的反电动势

1. 使用串口查看变量的变化趋势比较困难，笔者增加了FreeMaster工程方便查看，如下图所示。

关于Freemaster的使用，可以参考如下文章：

• FreeMASTER快速入门

1. 从上图中可以看出，正常运行时回读到的反电动势电压在0.55V到0.6V之间，和示波器抓取到的数值(0.2V)有些差异，这里使用芯片回读值。同时可以看到手动堵转时的反电动势仍有0.2V左右，主要是手指无法让电机完全停止转动。

2. 基于上图得到的数据，我们将CVLLA和CVLLB都设置为0x0A,对应的电压在0.27V左右，处于0.2V和0.5V之间。CVUL采用默认值0x3FF，对应电压28V。对应代码配置如下：

1. 在主循环中增加对STA_1寄存器的STALL bit读取，用于判断是否发生堵转事件，若发生则关闭PWM波。

1. 同时也在按键SW2的触发功能中增加清除错误状态。

4.测试情况

4.1 堵转后不关闭PWM波

堵转后不关闭PWM波，对应的FreeMaster界面动图如下。可以看到手动堵转后，过零点的反电动势明细下降很多。

4.2 堵转后关闭PWM波

堵转后关闭PWM波，对应的FreeMaster界面动图如下。当手动堵转后，NSD8381的STA_1寄存器对应的STALL bit(下图底部的变量Stall_Flag)被置位，电机停止运行。

4.3 其他影响因素

实际测试发现，NSD8381的供电电压、电机的温度、电机运行方向对获取的反电动势值都有影响。在实际项目应用时，需要结合产品的工作环境，模拟多种环境去测试电机正常运行时和堵转时的反电动势，设置合适的CVLLA、CVLLB、CVUL。