技術(shù)分析：AFS系統(tǒng)步進電機控制和關(guān)鍵診斷 - 全文

　　步進電機分為變磁阻（VR）、永磁（PM）和混合型（Hybrid）步進電機，在車用環(huán)境中，最常用的是永磁型步進電機，其轉(zhuǎn)子是永磁體。在汽車應(yīng)用環(huán)境中，也有許多場合需要用到步進電機，如AFS前大燈水平位置調(diào)節(jié)、彎道調(diào)節(jié)和光線幾何形狀調(diào)節(jié)，都需要用到步進電機作為執(zhí)行器。圖1是典型的AFS系統(tǒng)示意圖。圖2是英飛凌針對AFS應(yīng)用的芯片組解決方案。

　　英飛凌作為領(lǐng)先的汽車半導(dǎo)體提供商，為解決汽車步進電機控制和驅(qū)動問題，研發(fā)了步進電機專用控制芯片TLE4729G。這顆控制器具有一系列優(yōu)異的性能，被大多數(shù)零部件供應(yīng)商在系統(tǒng)集成中采用。

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　　英飛凌在提供TLE4729G基本的數(shù)據(jù)手冊之外還提供了多篇應(yīng)用筆記以方便客戶快速對系統(tǒng)進行設(shè)計，本文在評估板基礎(chǔ)上對步進電機系統(tǒng)和診斷要點進行了闡述和說明，是對英飛凌步進電機控制技術(shù)支持的一個補充。TLE4729G用于控制、驅(qū)動兩相步進電機的智能功率器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，與應(yīng)用相關(guān)的重要端口說明如表1所示。

　　步進電機驅(qū)動原理和PWM調(diào)制

　　步進電機的運行方式包括全步、半步和微步運行三種方式。TLE4729G支持全步和半步運行這兩種方式，支持微步運行方式將會很快面市。此處主要介紹步進電機全步和半步兩種運行方式。

　　全步模式下，步進電機的兩個繞組同時充磁，根據(jù)充磁電流的方向變化，分為四個狀態(tài)，設(shè)A相繞組的正向電流為A+，則負向電流為A-，如圖4所示為步進電機的四個狀態(tài)1、2、3、4。

　　半步模式下，步進電機的兩個繞組會出現(xiàn)四個額外的狀態(tài)，其中一繞組充磁時，另外一繞組不充電，即沒有電流通過。因此，在步進電機半步模式下有8個狀態(tài)，如圖5所示為步進電機的八個狀態(tài)1、2、3、4、5、6、7、8。

　　TLE4729G具有電流設(shè)置管腳，在全步模式下，兩個半橋中流過的電流可以設(shè)為一樣，不同的電流大小設(shè)置對應(yīng)不同的電流運行模式：全速模式，額定模式，保持模式和零電流模式。在全步模式下，設(shè)定電流模式后，步進電機的換相只和Phase1和Phase2有關(guān)。具體時序參考圖6，根據(jù)圖6可以得出換相表，如表2所示。

　　TLE4729G的控制方法為電流控制，在半步模式下，由于出現(xiàn)某項繞組零電流的情況，需要用到電流設(shè)置管腳構(gòu)成換相表，和全步模式不一樣的是在狀態(tài)切換即換相過程中電流設(shè)置管腳的值是變化的。具體時序參考圖7所示，根據(jù)該圖可以得出半步換相表，如表3所示。

　　步進電機峰值電流控制原理和換相分析

　　由TLE4729G內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以知道，其功率級輸出為兩個全橋，為了分析步進電機換向過程中的電流行為和峰值控制原理，取出其中一個全橋進行分析。圖8是輸出Q11 、Q12構(gòu)成的全橋換相過程中的電流時序圖，設(shè)Q11、Q12上的負載為步進電機繞組A。換相發(fā)生在Phase信號由低變高的時候，此時流過繞組A的電流方向改變。

　　當(dāng)Phase=L時，設(shè)此時的相電流為正，如圖9所示，有三種開關(guān)狀態(tài)S1、S2、S3三種狀態(tài)，其中S1和S2是正常工作狀態(tài)，S3是換相發(fā)生時的過渡狀態(tài)；S1時T12和T13導(dǎo)通，電流流向為正，此時電感電流線性增加，采樣電阻上有電流流過，當(dāng)電感電流增加到Iset時，T13關(guān)斷，此時電感電流線性下降，電流波形表現(xiàn)為三角波，這種限流方式稱為峰值限流方式，這期間取樣電阻上沒有電流通過，T13工作在PWM斬波方式下；當(dāng)換相命令發(fā)生即Phase=L變化為Phase=H時，T12和T13必須先關(guān)斷，此時T11和T14尚未導(dǎo)通，電流方向仍未發(fā)生變化而是線性減小，通過D11和D14續(xù)流，這個時候流過取樣電阻上的電流為負，故取樣電壓對地表現(xiàn)為負。
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　　當(dāng)Phase=H時，設(shè)此時的相電流為負，如圖9所示，有三種開關(guān)狀態(tài)S4、S5、S6三種狀態(tài)，其中S4和S5是正常工作狀態(tài)，S6是換相發(fā)生時的過渡狀態(tài)；具體開關(guān)過程如圖9所示，分析方法同上文，同樣存在上管導(dǎo)通，下管PWM控制和二極管續(xù)流的過程。

　　診斷

　　診斷在汽車電子中必不可少，這是汽車安全性的必然要求。TL4729G支持過熱、開路和短路診斷?？蛻粼谑褂肨LE4729G時碰到的大多數(shù)問題也集中在開路診斷上。TLE4729G的診斷表如表4所示。在全步模式下和半步模式下，由于換相的差異，導(dǎo)致了開路診斷信號有差異。在某些半步換相表下，甚至出現(xiàn)不能診斷的情況。

　　從表4可以看出，短路到地和開路錯誤同時發(fā)生時，診斷結(jié)果和短路到地是一樣的，因此可以認為短路到地的優(yōu)先級比開路錯誤高。

　　開路診斷的原理是利用感性負載續(xù)流的原理。如圖10所示，一般來說，每次換相的時候，內(nèi)部SR觸發(fā)器置位，置位信號由換相信號決定，如圖10左上所示，置位信號使得ERROR1為低電平。SR觸發(fā)器的輸出經(jīng)過一個濾波環(huán)節(jié)（典型濾波時間為15μs）連接到ERROR1，如果感性負載是良好連接，即未開路的，在負載電流方向改變時，由于續(xù)流的作用，全橋兩個輸出中的一個電壓為VS+VFU（VFU為續(xù)流二極管導(dǎo)通壓降），比如圖10中T14由導(dǎo)通到關(guān)斷，T12尚未導(dǎo)通時，此時電流經(jīng)過與T12并聯(lián)的二極管續(xù)流，這時候Qx2的電壓值為VS+VFU。全橋的兩個輸出分別送入到兩個電壓比較器的同相輸入端，而這兩個電壓比較器的反相輸入端則與電源VS相連，兩個比較器的輸出連接至一個或門的兩個輸入，與門的輸出則連接到RS觸發(fā)器的R管腳。所以換相過程由于有續(xù)流電壓的存在使得或門的輸出為1，使得RS觸發(fā)器復(fù)位，一般而言換相過程持續(xù)時間遠小于15μs，所以在正常模式下由于復(fù)位信號的作用使得ERROR1保持為高。當(dāng)出現(xiàn)開路的時候，VS+VFU這個條件被破壞，RS觸發(fā)器置位，15μs后ERROR1信號為低。

　　全步模式開路診斷

　　本例中采用XC800作為處理器，使用P3口作為TLE4729G的電流設(shè)置和換相口。定義如表5。

　　在全步模式下，電流設(shè)定和換相是分離的，所以可以用兩個不同的函數(shù)來實現(xiàn)，分為為電流設(shè)定函數(shù)和換相函數(shù)，當(dāng)然也可以統(tǒng)一到一個函數(shù)中，換相的時候?qū)?yīng)電流管腳不發(fā)生變化即可。

　　全步模式下的開路診斷容易實現(xiàn)，ERROR1指示開路情況，當(dāng)未出現(xiàn)開路時，ERROR1為高電平，當(dāng)出現(xiàn)開路時ERROR1為低電平，如圖11所示。

　　半步模式開路診斷

　　半步開路診斷是TLE4729G中比較復(fù)雜的應(yīng)用之一。有很多用戶反映無法進行半步開路診斷。其實不然，如果深入分析半步換相表，便可得出可以穩(wěn)定診斷開路診斷的真值表。

　　半步診斷的復(fù)雜性是由于TLE4729G的Inhibit模式導(dǎo)致的，開路可診斷的一個條件是電流設(shè)置管腳至少有一個為高電平，當(dāng)某相兩個電流設(shè)置管腳均為低時，該項為Inhibit模式，ERROR1在第一個續(xù)流周期復(fù)位。當(dāng)有開路情況存在時，ERROR1的復(fù)位導(dǎo)致診斷信息丟失。由于半步的8個狀態(tài)中多次出現(xiàn)Inhibit模式，所以導(dǎo)致了某些情況下開路診斷會有異常。從真值表角度分析，當(dāng)某相有Inhibit模式出現(xiàn)，即該相兩個電流管腳均為0時，對應(yīng)的相位管腳可設(shè)置為1或者0，這樣便可以得出多組半步換相表，不同的換相表在開路診斷時，結(jié)果也不一樣。如表6中粗線所示，有四個狀態(tài)S2，S4，S6，S8中的某相位設(shè)置信號是可變設(shè)置的，可為0或者1，從排列的角度上看有16種不同的真值表，這里取出6種典型表（A-F）舉例說明開路診斷特點。

　　重新列出半步可變換相表，如表6所示。

　　管腳設(shè)置仍如全步模式，在實際程序中，使用數(shù)據(jù)建立換相表，如下所示。

　　//code motor_halfsteps［8］={0x3a， 0x28， 0x2a， 0x02，0x0a，0x18，0x1a，0x32}; //A 0，0，1，1

　　//code motor_halfsteps［8］={0x3a， 0x38， 0x2a， 0x22，0x0a，0x08，0x1a，0x12}; //B 1，1，0，0

　　//code motor_halfsteps［8］={0x3a， 0x28， 0x2a， 0x02，0x0a，0x08，0x1a，0x12}; //C All 0

　　//code motor_halfsteps［8］={0x3a， 0x38， 0x2a， 0x22，0x0a，0x18，0x1a，0x32}; //D All 1

　　code motor_halfsteps［8］={0x3a， 0x28， 0x2a， 0x22，0x0a，0x18，0x1a，0x32}; //E 0，1，1，1

　　//code motor_halfsteps［8］={0x3a， 0x28， 0x2a， 0x02，0x0a，0x08，0x1a，0x32}; //F 0 0 0 1

　　圖12是真值表為A時ERROR1的波形，在該真值表下僅有一種波形，無法區(qū)分兩相開路、一相開路和無開路的情況，所以無法完成開路OL診斷。

　　圖13是真值表為B時 ERROR1的波形，在該真值表下可以穩(wěn)定分析出一路開路、兩路開路和無開路診斷。

　　圖14是真值表為C、D時ERROR1的波形，在該真值表下可以分析出開路故障和無開路故障，但是不能分析出一路開路和兩路開路故障，因為在一路開路有兩種情況，即A相開路和B相開路，其中有一相開路和兩相均開路的診斷波形一樣，故不能做區(qū)分。

　　圖15是真值表為E、F時ERROR1的波形，該真值表下有兩種波形，但是由于存在無開路和一路開路故障是同一種波形情況，故不能完全分析出開路和無開路兩種情況。

　　短路到負載和電源

　　短路到負載和電源在數(shù)據(jù)手冊和應(yīng)用筆記已經(jīng)有完備的敘述，此處不再贅述。

　　EMC問題

　　EMC問題是客戶實際使用TLE4729非常關(guān)注的問題。EMC設(shè)計需要考慮的是系統(tǒng)的開關(guān)頻率和輸出電容的問題，另外還有PCB布線也需要考究。

　　開關(guān)頻率

　　TLE4729G的振蕩頻率是可以調(diào)整，在EMC測試的時候可以根據(jù)需要調(diào)整振蕩頻率。頻率變化范圍為18kHz~30kHz。調(diào)整的方法為改變外部振蕩電容C，電容計算的方法是A = f * C，該公式未在數(shù)據(jù)手冊中給出，但是在芯片設(shè)計時振蕩頻率是按此設(shè)計。其中A是常數(shù)，也就是說頻率和電容成反比，A為55kHz.nF。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，典型振蕩頻率25kHz時對應(yīng)的電容為2.2nF，滿足該公式。

　　TLE4729G另外一種調(diào)整方法是使用外部時鐘同步的方法，TLE4729G內(nèi)部有一個推挽式電流源，輸出能力為120μA，這個電流源可以驅(qū)動振蕩器產(chǎn)生鋸齒波振蕩信號。當(dāng)使用外部時鐘同步時，內(nèi)部電流源失效，振蕩器由外部振蕩器驅(qū)動，驅(qū)動信號要求低電平介于0V~0.8V，高電平要求在3V~5V之間。

　　輸出電容

　　除了在邏輯電源和功率電源處添加去耦電容保證供電電源的品質(zhì)之外，為了降低功率輸出的開關(guān)噪聲和電磁輻射，可在四個功率輸出管腳處對地接電容，可以有效降低電路EMI問題。

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