技術(shù)分析：AFS系統步進(jìn)電機控制和關(guān)鍵診斷

　　步進(jìn)電機分為變磁阻（VR）、永磁（PM）和混合型（Hybrid）步進(jìn)電機，在車(chē)用環(huán)境中，最常用的是永磁型步進(jìn)電機，其轉子是永磁體。在汽車(chē)應用環(huán)境中，也有許多場(chǎng)合需要用到步進(jìn)電機，如AFS前大燈水平位置調節、彎道調節和光線(xiàn)幾何形狀調節，都需要用到步進(jìn)電機作為執行器。圖1是典型的AFS系統示意圖。圖2是英飛凌針對AFS應用的芯片組解決方案。

　　英飛凌作為領(lǐng)先的汽車(chē)半導體提供商，為解決汽車(chē)步進(jìn)電機控制和驅動(dòng)問(wèn)題，研發(fā)了步進(jìn)電機專(zhuān)用控制芯片TLE4729G。這顆控制器具有一系列優(yōu)異的性能，被大多數零部件供應商在系統集成中采用。

　　英飛凌在提供TLE4729G基本的數據手冊之外還提供了多篇應用筆記以方便客戶(hù)快速對系統進(jìn)行設計，本文在評估板基礎上對步進(jìn)電機系統和診斷要點(diǎn)進(jìn)行了闡述和說(shuō)明，是對英飛凌步進(jìn)電機控制技術(shù)支持的一個(gè)補充。TLE4729G用于控制、驅動(dòng)兩相步進(jìn)電機的智能功率器件，其內部結構如圖3所示。其中，與應用相關(guān)的重要端口說(shuō)明如表1所示。

　　步進(jìn)電機驅動(dòng)原理和PWM調制

　　步進(jìn)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(huì )很快面市。此處主要介紹步進(jìn)電機全步和半步兩種運行方式。

　　全步模式下，步進(jìn)電機的兩個(gè)繞組同時(shí)充磁，根據充磁電流的方向變化，分為四個(gè)狀態(tài)，設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(jìn)電機的四個(gè)狀態(tài)1、2、3、4。

　　半步模式下，步進(jìn)電機的兩個(gè)繞組會(huì )出現四個(gè)額外的狀態(tài)，其中一繞組充磁時(shí)，另外一繞組不充電，即沒(méi)有電流通過(guò)。因此，在步進(jìn)電機半步模式下有8個(gè)狀態(tài)，如圖5所示為步進(jìn)電機的八個(gè)狀態(tài)1、2、3、4、5、6、7、8。

　　TLE4729G具有電流設置管腳，在全步模式下，兩個(gè)半橋中流過(guò)的電流可以設為一樣，不同的電流大小設置對應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，設定電流模式后，步進(jìn)電機的換相只和Phase1和Phase2有關(guān)。具體時(shí)序參考圖6，根據圖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，由于出現某項繞組零電流的情況，需要用到電流設置管腳構成換相表，和全步模式不一樣的是在狀態(tài)切換即換相過(guò)程中電流設置管腳的值是變化的。具體時(shí)序參考圖7所示，根據該圖可以得出半步換相表，如表3所示。

步進(jìn)電機峰值電流控制原理和換相分析#e#

　　步進(jìn)電機峰值電流控制原理和換相分析

　　由TLE4729G內部結構可以知道，其功率級輸出為兩個(gè)全橋，為了分析步進(jìn)電機換向過(guò)程中的電流行為和峰值控制原理，取出其中一個(gè)全橋進(jìn)行分析。圖8是輸出Q11 、Q12構成的全橋換相過(guò)程中的電流時(shí)序圖，設Q11、Q12上的負載為步進(jìn)電機繞組A。換相發(fā)生在Phase信號由低變高的時(shí)候，此時(shí)流過(guò)繞組A的電流方向改變。

　　當Phase=L時(shí)，設此時(shí)的相電流為正，如圖9所示，有三種開(kāi)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(shí)的過(guò)渡狀態(tài)；S1時(shí)T12和T13導通，電流流向為正，此時(shí)電感電流線(xiàn)性增加，采樣電阻上有電流流過(guò)，當電感電流增加到Iset時(shí)，T13關(guān)斷，此時(shí)電感電流線(xiàn)性下降，電流波形表現為三角波，這種限流方式稱(chēng)為峰值限流方式，這期間取樣電阻上沒(méi)有電流通過(guò)，T13工作在PWM斬波方式下；當換相命令發(fā)生即Phase=L變化為Phase=H時(shí)，T12和T13必須先關(guān)斷，此時(shí)T11和T14尚未導通，電流方向仍未發(fā)生變化而是線(xiàn)性減小，通過(guò)D11和D14續流，這個(gè)時(shí)候流過(guò)取樣電阻上的電流為負，故取樣電壓對地表現為負。

　　當Phase=H時(shí)，設此時(shí)的相電流為負，如圖9所示，有三種開(kāi)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(shí)的過(guò)渡狀態(tài)；具體開(kāi)關(guān)過(guò)程如圖9所示，分析方法同上文，同樣存在上管導通，下管PWM控制和二極管續流的過(guò)程。

　　診斷

　　診斷在汽車(chē)電子中必不可少，這是汽車(chē)安全性的必然要求。TL4729G支持過(guò)熱、開(kāi)路和短路診斷?？蛻?hù)在使用TLE4729G時(shí)碰到的大多數問(wèn)題也集中在開(kāi)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，導致了開(kāi)路診斷信號有差異。在某些半步換相表下，甚至出現不能診斷的情況。

　　從表4可以看出，短路到地和開(kāi)路錯誤同時(shí)發(fā)生時(shí)，診斷結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(kāi)路錯誤高。

　　開(kāi)路診斷的原理是利用感性負載續流的原理。如圖10所示，一般來(lái)說(shuō)，每次換相的時(shí)候，內部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(guò)一個(gè)濾波環(huán)節（典型濾波時(shí)間為15μs）連接到ERROR1，如果感性負載是良好連接，即未開(kāi)路的，在負載電流方向改變時(shí)，由于續流的作用，全橋兩個(gè)輸出中的一個(gè)電壓為VS+VFU（VFU為續流二極管導通壓降），比如圖10中T14由導通到關(guān)斷，T12尚未導通時(shí)，此時(shí)電流經(jīng)過(guò)與T12并聯(lián)的二極管續流，這時(shí)候Qx2的電壓值為VS+VFU。全橋的兩個(gè)輸出分別送入到兩個(gè)電壓比較器的同相輸入端，而這兩個(gè)電壓比較器的反相輸入端則與電源VS相連，兩個(gè)比較器的輸出連接至一個(gè)或門(mén)的兩個(gè)輸入，與門(mén)的輸出則連接到RS觸發(fā)器的R管腳。所以換相過(guò)程由于有續流電壓的存在使得或門(mén)的輸出為1，使得RS觸發(fā)器復位，一般而言換相過(guò)程持續時(shí)間遠小于15μs，所以在正常模式下由于復位信號的作用使得ERROR1保持為高。當出現開(kāi)路的時(shí)候，VS+VFU這個(gè)條件被破壞，RS觸發(fā)器置位，15μs后ERROR1信號為低。

　　全步模式開(kāi)路診斷

　　本例中采用XC800作為處理器，使用P3口作為T(mén)LE4729G的電流設置和換相口。定義如表5。

　　在全步模式下，電流設定和換相是分離的，所以可以用兩個(gè)不同的函數來(lái)實(shí)現，分為為電流設定函數和換相函數，當然也可以統一到一個(gè)函數中，換相的時(shí)候對應電流管腳不發(fā)生變化即可。

　　全步模式下的開(kāi)路診斷容易實(shí)現，ERROR1指示開(kāi)路情況，當未出現開(kāi)路時(shí)，ERROR1為高電平，當出現開(kāi)路時(shí)ERROR1為低電平，如圖11所示。

　　半步模式開(kāi)路診斷

　　半步開(kāi)路診斷是TLE4729G中比較復雜的應用之一。有很多用戶(hù)反映無(wú)法進(jìn)行半步開(kāi)路診斷。其實(shí)不然，如果深入分析半步換相表，便可得出可以穩定診斷開(kāi)路診斷的真值表。

　　半步診斷的復雜性是由于TLE4729G的Inhibit模式導致的，開(kāi)路可診斷的一個(gè)條件是電流設置管腳至少有一個(gè)為高電平，當某相兩個(gè)電流設置管腳均為低時(shí)，該項為Inhibit模式，ERROR1在第一個(gè)續流周期復位。當有開(kāi)路情況存在時(shí)，ERROR1的復位導致診斷信息丟失。由于半步的8個(gè)狀態(tài)中多次出現Inhibit模式，所以導致了某些情況下開(kāi)路診斷會(huì )有異常。從真值表角度分析，當某相有Inhibit模式出現，即該相兩個(gè)電流管腳均為0時(shí)，對應的相位管腳可設置為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(kāi)路診斷時(shí)，結果也不一樣。如表6中粗線(xiàn)所示，有四個(gè)狀態(tài)S2，S4，S6，S8中的某相位設置信號是可變設置的，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(shuō)明開(kāi)路診斷特點(diǎn)。

　　重新列出半步可變換相表，如表6所示。

　　管腳設置仍如全步模式，在實(shí)際程序中，使用數據建立換相表，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(shí)ERROR1的波形，在該真值表下僅有一種波形，無(wú)法區分兩相開(kāi)路、一相開(kāi)路和無(wú)開(kāi)路的情況，所以無(wú)法完成開(kāi)路OL診斷。

　　圖13是真值表為B時(shí) ERROR1的波形，在該真值表下可以穩定分析出一路開(kāi)路、兩路開(kāi)路和無(wú)開(kāi)路診斷。

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

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

　　短路到負載和電源

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

　　EMC問(wèn)題

　　EMC問(wèn)題是客戶(hù)實(shí)際使用TLE4729非常關(guān)注的問(wèn)題。EMC設計需要考慮的是系統的開(kāi)關(guān)頻率和輸出電容的問(wèn)題，另外還有PCB布線(xiàn)也需要考究。

　　開(kāi)關(guān)頻率

　　TLE4729G的振蕩頻率是可以調整，在EMC測試的時(shí)候可以根據需要調整振蕩頻率。頻率變化范圍為18kHz~30kHz。調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，該公式未在數據手冊中給出，但是在芯片設計時(shí)振蕩頻率是按此設計。其中A是常數，也就是說(shuō)頻率和電容成反比，A為55kHz.nF。根據數據手冊，典型振蕩頻率25kHz時(shí)對應的電容為2.2nF，滿(mǎn)足該公式。

　　TLE4729G另外一種調整方法是使用外部時(shí)鐘同步的方法，TLE4729G內部有一個(gè)推挽式電流源，輸出能力為120μA，這個(gè)電流源可以驅動(dòng)振蕩器產(chǎn)生鋸齒波振蕩信號。當使用外部時(shí)鐘同步時(shí)，內部電流源失效，振蕩器由外部振蕩器驅動(dòng)，驅動(dòng)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(kāi)關(guān)噪聲和電磁輻射，可在四個(gè)功率輸出管腳處對地接電容，可以有效降低電路EMI問(wèn)題。

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