深度解析NCV70517微步进电机驱动器：特性、应用与设计要点

在电子工程师的日常工作中，电机驱动是一个重要且常见的领域。今天，我们将深入探讨一款名为NCV70517的微步进电机驱动器，了解它的特性、工作原理以及在实际应用中的设计要点。

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一、产品概述

NCV70517是一款专为双极步进电机设计的微步进电机驱动器。它通过I/O引脚和SPI接口与外部微控制器相连，内置电流转换表，能根据“NXT”输入引脚的时钟信号和“DIR”寄存器或输入引脚的状态来执行下一步微步进操作。当检测到电气错误、欠压或结温升高时，芯片会提供错误信息，并且采用了专有的PWM算法来实现可靠的电流控制。该芯片完全符合汽车电压要求，非常适合在汽车、工业、医疗和船舶等环境中的通用步进电机应用，尤其适用于电池电源波动的应用场景。

二、产品特性

2.1 强大的驱动能力

• 双H桥设计：为两相步进电机提供驱动，可实现高效的电机控制。
• 可编程峰值电流：最高可达800 mA，能满足不同电机的电流需求。
• 低温升压电流：在低温环境下，电流可提升至1100 mA，确保电机在低温条件下也能正常工作。

2.2 丰富的功能特性

• 片上电流转换器：实现精确的电流转换和控制。
• SPI接口：方便与外部微控制器进行通信，实现灵活的配置和控制。
• 多种步进模式：提供从全步到16微步的5种步进模式，可根据实际需求选择合适的步进精度。
• 集成电流传感和调节：能够实时监测和调节电机电流，保证电机运行的稳定性。
• 反电动势测量和失速检测：通过测量反电动势来检测电机的失速情况，提高系统的可靠性。
• PWM电流控制：采用自动选择快速和慢速衰减的PWM电流控制方式，确保电流控制的准确性。
• 固定PWM频率：避免频率波动对电机运行的影响。
• 有源续流二极管：提高电机的能量回收效率。
• 全面的输出保护和诊断：对电机输出进行保护和诊断，及时发现和处理故障。
• 热警告和关机功能：当芯片温度过高时，会发出热警告并自动关机，保护芯片不受损坏。
• 兼容3.3 V微控制器：具有5 V容忍输入和5 V容忍开漏输出，方便与不同电压的微控制器连接。
• 复位功能和过流保护：确保芯片在异常情况下能够正常复位，并对过流情况进行保护。

三、应用电路与外部组件

3.1 典型应用原理图

文档中给出了典型应用原理图，适用于低轴数应用或采用软件SPI实现的情况。对于多个步进电机驱动器的应用，文档最后部分还提供了一些“最小布线”示例。

3.2 外部组件

外部组件主要包括电容和电阻，具体如下：

• 电容：C2、C3为VBB去耦电容，取值为22...100 μF，需选择低ESR（<4 Ω）的电容，并尽可能靠近NCV70517安装，以减少电源电压纹波和避免电磁发射。C4取值为100 μF ±20%，用于改善EMC和系统ESD性能。
• 电阻：包括上拉电阻和可选电阻，上拉电阻取值为1..5 kΩ，可选电阻的精度为±10%。

四、引脚描述与电气特性

4.1 引脚描述

NCV70517采用QFNW32 5x5封装，各引脚功能如下：	Pin No. QFNW32 5x5	Pin Name	Description	I/O Type
1, 2	MOTXP	相X线圈的正端	驱动器输出
3, 4, 21, 22	VBB	电池电压供应	电源
5	DIR	方向输入	数字输入
6, 7, 14, 15, 18, 19, 20	NC	未连接
8	CSB	SPI芯片选择输入	数字输入
9	DI	SPI数据输入	数字输入
10	DO	SPI数据输出（开漏）	数字输出
11	ERRB	错误输出（开漏）	数字输出
12	VDD	内部电源	电源
13	GND	接地	电源
16	CLK	SPI时钟输入	数字输入
17	NXT	下一步微步进输入	数字输入
23, 24	MOTYP	相Y线圈的正端	驱动器输出
25, 26, 31, 32	GNDP	接地	电源
27, 28	MOTYN	相Y线圈的负端	驱动器输出
29, 30	MOTXN	相X线圈的负端	驱动器输出

4.2 电气特性

4.2.1 直流参数

直流参数在结温范围为 -40 至 145°C，VBB 工作范围为 6 至 29 V 时得到保证。例如，MSmax. Peak 在正常工作时，MOTXN 和 MOTYP 的电流可达 800 mA，RDS(on) 为 2.4 Ω 等。

4.2.2 交流参数

交流参数同样在上述结温和 VBB 工作范围内得到保证。例如，内部振荡器的频率在 VBB = 14 V 时为 9 至 11 MHz，PWM 频率为 28.4 kHz 等。

五、详细工作描述

5.1 H桥驱动器与PWM控制

芯片集成了两个H桥来驱动双极步进电机，每个H桥由两个低侧N型MOSFET开关和两个高侧P型MOSFET开关组成。每个H桥都有一个片上电流传感的PWM电流控制回路，通过比较实际绕组电流和请求电流来生成PWM信号，控制H桥开关的通断。为避免大电流通过H桥开关，采用了互锁延迟机制，确保同一半桥的上下开关不会同时导通。同时，输出开关实现了电压斜率控制，以减少辐射/传导发射，并对电机线路的短路进行保护。

5.2 电机启用与禁用

可以通过SPI控制寄存器中的 位来禁用H桥和PWM控制，使其进入高阻抗状态。当 = 0 时，仅禁用驱动器，不影响NXT、DIR、SPI总线等功能。将 = 1 写入SPI寄存器，H桥将恢复正常的PWM操作。

5.3 自动正向和快慢衰减

PWM生成在稳态时采用正向和慢速衰减的组合，当电流需要降低时，会自动激活快速衰减以实现高速响应。这种衰减方式的选择对用户完全透明，无需额外的参数设置。

5.4 自动占空比调整

如果在调节过程中，设定点电流在 (t_{pwm}) 的 75% 之前未达到，PWM的占空比将自动调整到 > 50%（顶部调节），以维持线圈中所需的平均电流。这一过程完全自动，无需额外参数。

5.5 主动制动

当激活主动制动（ 位设置）时，活动H桥的两个底部驱动器将导通，使电机位置冻结，电流通过底部驱动器循环，从而实现电机的快速停止。

5.6 步进转换器

5.6.1 步进模式

通过SPI位 SM[2:0] 可以选择五种步进模式之一。上电或硬复位后，线圈电流转换器默认设置为 1/16 微步进，位置为 ‘8*’。改变步进模式时，需要相应的NXT脉冲或 SPI命令才能生效。

5.6.2 转换器位置

转换器位置可以通过SPI寄存器 进行读取和设置，它是一个6位数字，对应于表9中的 1/16 微步。转换器位置会在下一步微步进触发后立即更新。

5.6.3 方向

旋转方向通过输入引脚 DIR 及其“极性位” （SPI寄存器）进行选择。正方向旋转表示电向量 Ix + Iy 的逆时针旋转。即使电机禁用（ = 0），DIR 引脚和 也会对定位器产生影响。

5.6.4 下一步微步进触发

NXT 输入的正边沿或SPI输入寄存器中的“NXT 按钮” 激活将使电机电流在转换器表中上升或下降一步。 位在步进后会自动复位为 0。为确保NXT引脚和 SPI命令分别有效，需要遵循非重叠区域的要求。

5.7 电机电流

在低于 (T{low}) 的低温环境下，可以通过SPI位 提高电机电流。当达到热警告温度 (T{tw}) 时，电流会自动降低到未升压水平。电机电流设置对应于表10中的不同电流水平。

5.8 欠压检测

NCV70517具有一个欠压阈值水平 UV，当UV比较器阈值被触发时，欠压警告 位会被激活。当电源电压 VBB 低于UV阈值并持续超过设定的欠压去抖时间时，欠压检测 标志会被设置，ERRB 引脚会被拉低。只有当 = 0 时，才能通过将 = 1 写入控制寄存器来重新启用电机。

5.9 失速和运动检测

运动检测基于电机运行时产生的反电动势（BEMF）。当电机受阻时，速度和反电动势会受到干扰。NCV70517在电流过零阶段测量反电动势，并将其存储在SPI状态寄存器 SR5 中。通过比较测量的反电动势与 寄存器中的阈值，可以检测电机是否失速。失速检测和BEMF测量仅在速度寄存器值 小于或等于速度阈值寄存器值 时进行。

六、警告、错误检测与诊断反馈

6.1 短路检测

短路检测会监测每个激活输出级的负载电流，通过测量MOSFET的 (R_{DS(ON)}) 上的电压降来判断。如果负载电流超过过流检测阈值，相应的过流标志 和 位会被设置，驱动器会关闭以保护集成电路。

6.2 开路和短路诊断

当检测到短路时， 会被设置为 0，但定位器、NXT 和 DIR 仍可正常工作。当微控制器读取状态寄存器中的短路或开路线圈状态标志时， 标志会被复位。要重新启用电机，需要将 = 1 写入寄存器。开路负载条件通过PWM占空比持续为 100% 的时间来判断，短路检测同理。

6.3 步损失检测

当在错误条件下施加下一步脉冲（通过NXT引脚或 位）或写入 寄存器时，步损失位 会被设置。 位在读取后会被清除。

6.4 热警告和关机

当结温超过 (T{tw}) 时，热警告位 会被设置，ERRB 引脚会被拉低。如果结温继续升高超过热关机水平， 标志会被设置，电机将被禁用，硬件复位也会被禁用。只有当 (T{j} < T_{tw}) 且 位被读取后， 状态才会被清除，ERRB 引脚才会释放。

6.5 错误输出

错误输出是一个开漏输出，用于向外部微控制器标记问题。该信号为低电平有效，其逻辑组合为：NOT(ERRB) = ( OR OR OR OR OR (BemfIntEn AND BemfRes) OR OR (*)reset state) AND not (**)sleep mode。

6.6 睡眠模式

电机驱动器可以进入低功耗睡眠模式，上电或硬复位后会自动进入睡眠模式，也可以通过SPI位 激活。在睡眠模式下，所有模拟电路暂停，逻辑输出引脚 ERRB 禁用，除 CSB 引脚外的其他输入引脚均无效。CSB 引脚可以通过指定宽度的低脉冲将芯片唤醒到正常模式。

6.7 上电复位和硬复位功能

上电或硬复位后，SPI状态寄存器中的

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标志会被设置，ERRB 引脚会被拉低。复位状态结束后，设备进入睡眠模式，ERRB 引脚变高表示电机控制器准备好工作。通过 DIR 引脚和 NXT 引脚的特定模式可以实现硬复位功能，无需电源循环。

七、SPI接口

7.1 概述

SPI接口用于外部微控制器与NCV70517进行通信，NCV70517作为从设备，不能发起传输。设备的操作通过SPI寄存器进行配置和控制，SPI传输大小为16位。

7.2 传输格式

SPI命令分为“写入控制寄存器”和“读取寄存器（控制或状态）”两种类型。写入操作的帧协议包括 CMD 位、WRITE ADDRESS 字段、帧奇偶校验位和 DATA 字段；读取操作的帧协议包括 CMD 位、READ ADDRESS 字段、帧奇偶校验位和零字段。

7.3 菊花链模式

SPI支持菊花链连接，总线宽度始终为四条线，传输帧长度是基本帧长度的倍数。默认上电通信模式为“星形”，要启用菊花链模式，需要向设备发送多个16位时钟周期，同时将 SDI 线置零。

7.4 控制寄存器和状态寄存器

SPI控制寄存器具有读写访问权限，状态寄存器具有只读访问权限，且状态寄存器的第8位具有奇校验位。通过这些寄存器可以实现对设备的各种功能配置和状态监测。

八、多轴控制应用示例

文档提供了多个从设备连接到一个微控制器的布线图示例，所有电机的运动通过公共 NXT 线进行同步，方向和运行/保持激活通过SPI总线进行控制。如果不连接 ERRB 引脚，可以进一步减少 I/O 数量，甚至可以通过“NXTP”位操作电机，仅使用4个SPI连接。

九、电磁兼容性

NCV70517采用了先进的EMC设计技术，但系统的整体EMC性能还受到多个方面的影响，需要与所有相关方合作才能满足系统EMC要求。对于长布线到电机和电感器的情况，建议使用双绞线电缆和/或屏蔽电缆来减少辐射传输。

十、订购信息

NCV70517有特定的型号和封装可供选择，如 NCV70517MW002R2G，其峰值电流为 800/1100 mA（仅适用于热警告水平以下的操作），适用于汽车高温版本，采用 QFNW32 5x5 带台阶切割可焊侧翼（无铅）封装，以5000个/卷带包装发货。

综上所述，NCV70517是一款功能强大、特性丰富的微步进电机驱动器，适用于多种应用场景。在设计过程中，电子工程师需要充分了解其特性和工作原理，合理选择外部组件，正确配置SPI寄存器，以确保系统的稳定性和可靠性。同时，要注意电磁兼容性等问题，与相关方密切合作，共同实现系统的最佳性能。大家在使用这款驱动器的过程中，有没有遇到过什么特别的问题或者有什么独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流。