【技术支持案例】使用S32K144+NSD8381驱动电子膨胀阀

1. 前言

最近有客户在使用S32K144+NSD8381驱动电子膨胀阀时，遇到无法正常驱动电子膨胀阀的情况。因为笔者也是刚开始使用NSD8381，无法线上支持这类实际应用问题，所以让客户提供了一个电子阀，自己搭建环境进行测试。

2. 问题描述

客户电子膨胀阀的阀针安装位置比较隐蔽，需要通过注水观察水的流动情况，判断阀门是否打开关闭。之前也给客户提供了NSD8381的驱动代码，以及相关的文档说明，如下所示，

• 基于S32K144驱动NSD8381

但是客户反馈，按照文档的步骤配置NSD8381之后，无论给CTRL1引脚发送多少脉冲，阀门始终无法关闭，即注水都会流出。

3. 理论分析

关于S32K144+NSD8381无法驱动电机的场景，主要有两种可能，一个是NSD8381的寄存器配置有误，或者NSD8381和电机的接线有问题。

针对NSD8381配置有误的可能性，客户有测试更改过NSD8381的步进电机模式（1/16细分改为1/2），运行电流（576mA更改1.3A）等参数，现象仍然一致，并且读了SPI的返回值，最高字节为0x80，说明寄存器配置有正确写入。

针对NSD8381和电机的连线，发现和NSD8381的时序不一致，详细情况如下描述。

3.1 NSD8381如何连接电机

客户的电子膨胀阀的运行时序如下左图，当前的NSD8381的输出引脚和电机的连线如下有图。

• 从横轴看左上图，1到8为阀门关闭的相序，8到1为阀门打开的相序；
• 从纵轴看左上图，1，2，3，4分别为电机四根引线的输入电平要求；
• 右上图显示NSD8381和电机的连线情况为：OUTA1、OUTA2连接电机的1、3号引线，OUTB1、OUTB2连接电机的2、4号引线。

按照上图的连线方式，对应的NSD8381输出引脚需要的相序如下表格最右列。

翻看NSD8381数据手册，1/2微步模式下的芯片的相序如下：

为了让电机相序和NSD8381的相序一致，需要NSD8381和电机的接线方式修改，修改后的接线方式为：

• OUTB1、OUTB2连接电机的1、3号引线，OUTA1、OUTA2连接电机的2、4号引线

按如上描述修改接线方式后，对应的NSD8381输出引脚需要的相序如下表格：

另外，客户提供的电机参数表中，和驱动电路相关的参数如下红框所示：

对应的驱动NSD8381配置为：

• 供电电压为12系统；
• 1/2微步模式下，CTRL1引脚的PWM频率在80-200Hz；
• 1/2微步模式下，阀门从完全关闭到完全打开的PWM脉冲数为576，从完全关闭到打开阀门，需要38±15个PWM脉冲。

针对这些需求，需要基于前文《基于S32K144驱动NSD8381》分享的代码做一些修改。详细情况如下描述。

3.2 S32K144和NSD8381的软件配置

1. 因为需要计算PWM的脉冲数，所以需要增加PWM计数功能。代码修改如下。

• 增加FTM2通道5的中断使能；

 FTM_DRV_EnableInterrupts(INST_FLEXTIMER_PWM1, FTM_CHANNEL5_INT_ENABLE);

• 增加对应的中断处理函数，在里面增加PWM计数功能；

volatile uint16_t PWM_Count = 0;void FTM2_Ch4_Ch5_IRQHandler(void)
{PWM_Count++;FTM_DRV_ClearStatusFlags(INST_FLEXTIMER_PWM1,FTM_CHANNEL5_FLAG);
}

2. 需要将PWM的频率修改为200Hz，修改下图形化配置即可。

3. NSD8381的初始化函数中，需要修改步进电机模式为1/2微步，修改如下红框，即对CONFIG3寄存器赋值0x9B00。

4. 在while(1)循环中，增加如下功能：

• 增加PWM计数处理逻辑，以及和PH[5:0]寄存器值的获取，用于判断NSD8381是否处于1/2微步模式，以及达到预定的PWM脉冲后，停止CTRL1引脚的脉冲输入。

• 增加按键按下处理逻辑，按下SW2，将CTRL2引脚拉低（DIR为0），输入PWM波到CTRL1引脚；按下SW3，将CTRL2引脚拉高（DIR为1），输入PWM波到CTRL1引脚。

• 如果希望电机整体功耗降低，可以增加Hold模式，当电机停止转动，开启Hold模式，此时消耗的电流远远小于RUN模式的电流。

对应的代码如下：

    while(1){Phase_Count = NSD8381drv_GetPH();/* 励磁速度，80-200pps（每秒钟的脉冲数）* 开阀脉冲数38±15PS，全开脉冲576* *//* 测试步进电机模式是否正确配置，1/2微步的时候，PWM计数4，PH[5:0]计数0b100000，即32*/if(PWM_Count == 4){printf("PWM Count is %d\r\n", PWM_Count);printf("Phase Count is %d\r\n", Phase_Count);}if(PWM_Count == 576){NSD8381drv_HOLDM_En(ENABLE);FTM_DRV_DeinitPwm(INST_FLEXTIMER_PWM1);printf("PWM Count is %d\r\n", PWM_Count);printf("Phase Count is %d\r\n", Phase_Count);PWM_Count = 0;}/* SW2 press */if(SW2_Press_Flag){SW2_Press_Flag = false;printf("SW2 press!\r\n");/* Increment phase counter, clockwise */NSD8381drv_CTRL2_Dir(clockwise);/* Hold mode -> Run mode */NSD8381drv_HOLDM_En(DISABLE);/* FTM2 CH5 use PWM mode,freq:200Hz */FTM_DRV_InitPwm(INST_FLEXTIMER_PWM1, &flexTimer_pwm1_PwmConfig);}/* SW3 press */if(SW3_Press_Flag){SW3_Press_Flag = 0;printf("SW3 press!\r\n");/* decrement phase counter, counter-clockwise */NSD8381drv_CTRL2_Dir(counter_clockwise);/* Hold mode -> Run mode */NSD8381drv_HOLDM_En(DISABLE);/* FTM2 CH5 use PWM mode,freq:200Hz */FTM_DRV_InitPwm(INST_FLEXTIMER_PWM1, &flexTimer_pwm1_PwmConfig);}}

关于其中几个函数的实现，如下所示：

/* read phase counter */
uint32_t NSD8381drv_GetPH(void)
{uint32_t Rsult;CONFIG3Reg[0] = (uint8_t)(0x85U);Parity_check(CONFIG3Reg);SPI_Send(CONFIG3Reg, StatReg_Result);StatReg_Result[2] &= 0x7F;Result = (uint32_t)(StatReg_Result[2] >> 1);return Result;
}/*set NSD8381 CONFIG_3 HOLD_EN bits*/
void NSD8381drv_HOLDM_En(FunctionalState_TypeDef EN)
{if(EN==ENABLE){CONFIG3Reg[1]|=NSD8381_HOLDM;   //0x40}else{CONFIG3Reg[1]&=(uint8_t)(~NSD8381_HOLDM);}CONFIG3Reg[0] = (uint8_t)(0x05U);CONFIG3Reg[2]&=(uint8_t)(0xFE);Parity_check(CONFIG3Reg);SPI_Send(CONFIG3Reg, CtrlReg_Result);
}/* set NSD8381 CTRL2 pin level when used for dir status* 0: Increment phase counter, clockwise* 1: decrement phase counter, counter-clockwise* */
void NSD8381drv_CTRL2_Dir(DirStatus_TypeDef EN)
{PINS_DRV_WritePin(NSD8381_CTRL2_PORT, NSD8381_CTRL2_PIN, EN);
}

4.测试验证

4.1 测试环境

整个测试的环境如下图：

4.2 测试效果

实际的测试效果如下视频，

• 当按下SW2时，阀门完全关闭，此时注入水不会流出；
• 接着按下SW3，阀门完全打开，注入水会加速流出。

NSD8381驱动电子膨胀阀

4.3 测试记录

实际测试时串口打印的数据如下图，

• 第一个操作的寄存器的高8bit返回值为0x40，因为有reset事件；如果第一个操作的寄存器高8bit返回值为0x00，可能是NSD8381还没初始化完成，建议在EN引脚拉高后，延迟200us再发送SPI命令给NSD8381​。
• 当PWM计数为4时，对应的PH[5:0]为0x32，即0b100000，和相序表一致，说明处于1/2微步模式。
• 使用250Hz的PWM波，也可以正常驱动该电磁阀，说明该电机兼容性比参数表更好。
• 使用HOLD模式时的电流远小于RUN模式，有助于降低NSD8381的功耗。