【導讀】在精密運動控制應用中，步進電機的微步進技術能夠顯著提升運動平滑度與定位精度。要充分發(fā)揮其性能，工程師需清晰掌握全步、半步與微步等驅(qū)動模式的原理與區(qū)別。本文系統(tǒng)解析微步進的工作機制與技術優(yōu)勢，為實際應用提供實用參考。
摘要
在精密運動控制應用中，步進電機的微步進技術能夠顯著提升運動平滑度與定位精度。要充分發(fā)揮其性能，工程師需清晰掌握全步、半步與微步等驅(qū)動模式的原理與區(qū)別。本文系統(tǒng)解析微步進的工作機制與技術優(yōu)勢，為實際應用提供實用參考。
簡介
步進電機準確度高且控制方案相對簡單，因此廣泛應用于工業(yè)、醫(yī)療和三軸定位系統(tǒng)應用，例如3D打印機和計算機數(shù)控(CNC)機器。雖然交流電機和無刷直流電機都能實現(xiàn)高準確度，但步進電機除了高準確度優(yōu)勢之外，還能在開環(huán)控制模式下運行，并能在低速時提供高扭矩輸出。此外，相較于伺服電機，步進電機通常更具性價比且更簡單。與有刷直流電機不同，步進電機能夠在高扭矩下保持位置穩(wěn)定。
微步進讓電機以較小的增量移動，因此電機每轉(zhuǎn)的離散定位點數(shù)量顯著增加，電機噪聲和振動相應地降低，是非常實用的步進電機控制方式。ADI公司的Trinamic運動控制技術包含步進電機驅(qū)動器IC、板級模塊和完整的解決方案，能夠?qū)崿F(xiàn)高達256微步進的步進電機操作。
步進電機基礎知識
電機結(jié)構(gòu)
步進電機，常常又稱為步進器，由磁轉(zhuǎn)子和定子線圈組成。混合式兩相步進電機的轉(zhuǎn)子有兩個磁杯，每個磁杯通常有50個齒，如圖1所示。這些磁體的磁性相反，且位置相互錯開。定子由兩組線圈組成，這些線圈圍繞中心轉(zhuǎn)子分布在多個位置。按順序給每相通電，電機就會旋轉(zhuǎn)。
圖1.混合式步進電機結(jié)構(gòu)。(a) 8極定子。(b)永磁轉(zhuǎn)子。
工作原理
步進電機通過將一整圈旋轉(zhuǎn)分割成等距的步進來實現(xiàn)離散運動。例如，若一臺步進電機每轉(zhuǎn)擁有200個離散位置，則其步進角為1.8°。步進角等于360°除以全步進數(shù)。
如圖2所示，當電流通過電機線圈時，會產(chǎn)生一個磁場；該磁場會吸引或排斥永磁轉(zhuǎn)子，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，直至與磁場對齊。為了保持電機持續(xù)旋轉(zhuǎn)，每個線圈必須交替通電，以確保磁場始終領先于轉(zhuǎn)子位置。
圖2.混合式步進電機操作。
全步進和半步進
為了更好地理解步進電機的步進行為，我們來分析一個簡化的兩相步進電機模型。該模型有一個磁極對，如圖3所示。
圖3.帶有永磁轉(zhuǎn)子的簡化兩相步進電機。
全步進模式
在全步進模式下，驅(qū)動器使用正電流或負電流為兩個線圈通電。兩相同時通電，以實現(xiàn)最大扭矩。切換線圈中電流的方向，會導致線圈繞軸旋轉(zhuǎn)。切換模式（也稱為換相）通常遵循圖4所示的周期序列。
圖4.兩相步進電機的全步進模式。
全步進能夠?qū)崿F(xiàn)精確的步進、速度控制和高保持扭矩。此外，當電機高速運行時，全步進可以大大地提高電機的扭矩輸出。然而，全步進可能導致振動過大并產(chǎn)生較大噪聲，如圖5所示。這種振動和噪聲主要歸因于電機位置的大幅跳變，這使得電機在到達目標位置時容易過沖，從而在特定速度下引發(fā)高共振現(xiàn)象并降低輸出扭矩。
圖5.全步進過沖和振鈴。
擁有單個磁極對的簡化電機采用全步進換相時，每轉(zhuǎn)可以實現(xiàn)4個離散位置。若將這一概念擴展到擁有50個磁極對的電機，那么每轉(zhuǎn)就能實現(xiàn)200個全步進。
通過該設置，當轉(zhuǎn)子的齒與線圈的磁場對齊時，電機可以精準定位到特定位置。
半步進模式
減小步長可以改善位置過沖、振動和噪聲問題。如圖6所示，通過采用其他電流狀態(tài)可以減小步長。半步進模式將每個磁極對的轉(zhuǎn)子位置數(shù)增加到8個，從而使位置分辨率加倍。電機驅(qū)動器通過單相和雙相勵磁的交替，實現(xiàn)半步進行為。半步進模式不僅提高了位置分辨率，還減少了振動。低速時旋轉(zhuǎn)扭矩略有增加，但在新的半步進位置，電機的保持扭矩會減小。這通常被稱為“增量扭矩”。
圖6.兩相步進電機的半步進模式。
盡管半步進模式帶來了諸多改進，但仍存在一些問題。電機仍會發(fā)生較大的位置跳變，這意味著電機的旋轉(zhuǎn)并非完全平穩(wěn)。此問題在低速時尤其明顯，這也是我們需要微步進的重要原因。
微步進
什么是微步進？
微步進是一種控制步進電機的方法，能夠讓電機旋轉(zhuǎn)到全步進之間的多個中間位置。它通常用于實現(xiàn)更高的位置分辨率和更平穩(wěn)的低速旋轉(zhuǎn)。微步進通過將每個全步進分成多個等距的微步進來實現(xiàn)，如圖7所示。提高微步分辨率可以減小步進距離，從而降低位置過沖和振鈴，進而改善振動和噪聲。
圖7.微步進時通過每個線圈的電流。
圖8.不同步進模式下電流波形和位置過沖/振鈴的比較。
微步進工作原理
微步進的實現(xiàn)依賴于向電機提供正弦波形，如圖8所示。電機驅(qū)動器利用電流調(diào)節(jié)將這些正弦波精確傳送到每個電機線圈。然而，我們無法產(chǎn)生完美的正弦波。正弦波的質(zhì)量，以及基于此的微步進質(zhì)量，受限于步進驅(qū)動器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的分辨率。ADI Trinamic的每款步進電機驅(qū)動器均配備至少8位的ADC和DAC，每個全步進最多可實現(xiàn)256個微步進。混合式步進電機通常每轉(zhuǎn)有200個全步進，因此使用256個微步可實現(xiàn)每轉(zhuǎn)最多51,200個離散位置。步進分辨率為0.00703125°，相當驚人。
關鍵考慮因素：位置準確度和增量扭矩
盡管微步進技術具有諸多優(yōu)勢，但也面臨兩個關鍵挑戰(zhàn)：位置準確度和增量扭矩。
位置準確度是指電機的實際位置與目標位置之間的誤差。微步進雖然能夠通過增加離散位置數(shù)量提高位置分辨率，但并不能提高位置準確度。電機的準確度仍然取決于結(jié)構(gòu)公差、電機負載以及驅(qū)動器向電機線圈準確提供所需電流水平的能力。無論是全步進還是微步進，這些限制因素都會影響電機的準確度。
增量扭矩是指當電機處于靜止狀態(tài)時，使其離開當前位置所需的扭矩量。使用全步進時，磁轉(zhuǎn)子與電機線圈精準對齊，產(chǎn)生最大保持扭矩，此扭矩等于電機的額定保持扭矩。然而，當使用微步進時，增量扭矩會依據(jù)電機所處的微步進位置而相應地減小。
增量扭矩可利用公式4來近似計算：
其中：
?TINC：增量扭矩，單位為牛頓·米(N·m)
?THOLD：全步進保持轉(zhuǎn)矩，單位為牛頓·米(N·m)
?SDR：分步比或以下最簡分數(shù)的分母：
可以通過幾個例子來仔細說明這一定義。假設一個電機使用256個微步進，停止在一個半步進位置。
SDR就是該最簡分數(shù)的分母；因此，SDR為2。增量扭矩減小至電機保持扭矩的70.709%。
再舉一個例子，當電機停止在7/256微步位置時：
因此，SDR為256，增量扭矩下降至電機保持扭矩的0.61%。
表1總結(jié)了SDR與增量扭矩之間的關系。
表1.增量扭矩
需要注意的是，雖然增量扭矩會降低電機在微步進位置的保持扭矩，但旋轉(zhuǎn)扭矩基本不受影響。當電機旋轉(zhuǎn)時，增量扭矩減小的影響不會表現(xiàn)出來。在實際應用中，如果需要高保持扭矩，用戶應盡量將電機停在全步進或半步進位置。
常見微步進應用
許多使用步進電機的應用都可以從微步進技術獲益。例如，在3D打印中，要實現(xiàn)高質(zhì)量的打印效果，必須確保高位置分辨率并將振動降至最低。醫(yī)療成像和手術機器人需要安靜的操作和精準的定位，進而可以確保患者感到舒適和安全。微步進技術可以滿足這些要求。
此外，由于微步進的步長較小，位置過沖也顯著減小。這帶來了許多優(yōu)點，包括振動更小、效率更高、運動更平穩(wěn)。機械振動會消耗能量，還會給某些應用中（如數(shù)控銑床）造成額外的磨損并影響可靠性。通過減少機械振動和噪聲，微步進技術還能減少與操作電機控制系統(tǒng)相關的成本和能源浪費。
目前，其應用范圍較廣泛，涵蓋了醫(yī)療研究設備、閥門控制、氣泵、閉路電視、機器人和工廠自動化等領域。
ADI Trinamic解決方案
ADI Trinamic的步進電機產(chǎn)品具備多種特性，能夠幫助用戶實現(xiàn)微步進控制。該系列的所有產(chǎn)品均支持高達256個微步進的分辨率。
此外，有些ADI Trinamic器件還具備MicroPlyer?技術，這是一種創(chuàng)新型微步進插值技術，旨在讓老舊應用也能輕松享受微步進的高分辨率優(yōu)勢。
ADI Trinamic產(chǎn)品系列提供了完整、高效且小巧的解決方案，能夠滿足各種空間和性能需求。這些器件有助于降低步進電機應用的復雜性，并縮短上市時間。
MicroPlyer微步進插值器
256微步進的分辨率可能超出了某些制造商生產(chǎn)的步進驅(qū)動器的能力。幸運的是，ADI Trinamic的MicroPlyer技術支持將較低步進分辨率系統(tǒng)升級到256微步進，而無需修改運動控制邏輯。
MicroPlyer的工作原理是在步進脈沖之間加入額外的電流步進，同時精準控制位置和速度。該技術會測量前一步進周期的時間長度并將其分成若干相等部分，從而在步進脈沖之間進行時間插值。這會產(chǎn)生一個內(nèi)部256微步進STEP信號來驅(qū)動電機。盡管輸入的是低分辨率步進信號，但卻能平穩(wěn)地輸出256微步進。因此，ADI Trinamic步進電機驅(qū)動器非常適合用來直接替換現(xiàn)有應用中的同類產(chǎn)品。
例如，設計人員可能希望升級16微步進驅(qū)動器和系統(tǒng)，實現(xiàn)更平穩(wěn)的256微步進運動。如果使用步進角為1.8°的電機，期望速度為每秒10轉(zhuǎn)(RPS)，那么使用16微步進時，輸入STEP信號須為32 kHz。通常，對于支持256微步進的200全步進電機，需要512 kHz的信號頻率才能實現(xiàn)10 RPS的轉(zhuǎn)速。對于某些主機控制器或MCU來說，此頻率可能過高。在這種情況下，設計人員可以采用支持MicroPlyer的ADI Trinamic驅(qū)動器，這樣就能繼續(xù)使用32 kHz STEP信號。ADI Trinamic驅(qū)動器可以對STEP信號進行插值處理，從而實現(xiàn)256微步進的高分辨率運動控制，如圖9所示。
TMC2240（36 V、2 A rms+智能集成步進驅(qū)動器，帶有S/D和SPI）與TMC5240（36 V、2 A rms+智能集成步進驅(qū)動器和控制器）
ADI公司的TMC2240和TMC5240是智能、高性能、兩相步進電機驅(qū)動器IC，具有串行通信接口（SPI、UART）、豐富的診斷功能以及采用MicroPlyer技術的微步進插值特性。這些驅(qū)動器IC結(jié)合了基于256微步進的先進步進電機驅(qū)動器、內(nèi)置索引器，以及兩個完全集成的36 V、3.0 AMAX H橋，并具備無損耗式集成電流檢測(ICS)功能。TMC2240和TMC5240憑借出色的運動和電流控制能力，能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)、安靜的步進電機運動。這兩款器件還具備全套ADI Trinamic特性，包括提高能效的CoolStep?、無傳感器負載和失速檢測(StallGuard2?/StallGuard4?)、低噪聲運行(StealthChop2)和降低紋波的電流控制(SpreadCycle?)。SpreadCycle和StealthChop2斬波模式支持在非常寬的速度范圍內(nèi)實現(xiàn)最低噪聲運行，可以在SpreadCycle和StealthChop2之間自動切換。ADI Trinamic的先進StealthChop2斬波可確保無噪聲運行，同時提供出色的效率和電機扭矩。TMC5240是一款cDriver? IC，通過集成運動控制器，超越了傳統(tǒng)電機驅(qū)動器，簡化了系統(tǒng)架構(gòu)。其中集成的8點運動斜坡允許用戶設置期望的位置和運動曲線，從而盡量減少抖動，并分擔必要的計算工作，減輕主機控制器的負擔。
這些產(chǎn)品擁有診斷和保護功能，例如短路或過流保護、熱關斷和欠壓保護(UVLO)。在熱關斷和UVLO事件期間，驅(qū)動器會被禁用，以防止器件受損。此外，這些器件還支持測量一個外部模擬輸入、評估驅(qū)動器溫度和估算電機溫度的功能。
高集成度、高能效和小尺寸有利于打造小型化的可擴展系統(tǒng)，從而實現(xiàn)經(jīng)濟高效的解決方案。其中還內(nèi)置電流檢測功能，因而無需龐大的外部電流檢測電阻。完整的解決方案不僅性能出色，而且還大大降低了學習難度。
圖9.MicroPlyer微步進插值器的簡化示例，支持從全步進到16微步進的插值。
這兩款產(chǎn)品均可用于醫(yī)療器械、實驗室和工廠自動化、閉路電視、安防、3D打印機等領域。
TMC2160（雙極步進電機高壓驅(qū)動器）與TMC5160（雙極步進電機高壓驅(qū)動器和運動控制器）
TMC2160和TMC5160是高功率、兩相步進電機驅(qū)動器IC，配備串行通信接口（STEP/DIR、SPI、UART），支持256微步進分辨率，并采用MicroPlyer技術實現(xiàn)微步進插值。這些IC集成了ADI Trinamic的多種先進功能，包括CoolStep、StealthChop2、StallGuard2和SpreadCycle，以進一步優(yōu)化驅(qū)動器性能。TMC5160是一款集成運動控制器的cDriver IC，采用了SixPoint?斜坡技術，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)更快速的定位，還能有效緩解梯形斜坡引起的共振問題。
這些IC沒有集成FET，用戶可以靈活地選擇FET來適應大電流和/或高電壓應用場景。這種多功能性使其適用于電池供電系統(tǒng)以及高壓工業(yè)系統(tǒng)等廣泛應用。
這兩款產(chǎn)品均可用于醫(yī)療、紡織、機器人、工業(yè)驅(qū)動、閉路電視、安防、工廠自動化等領域。
TMC2300（兩相步進電機低壓驅(qū)動器）
TMC2300是一款用于兩相電池供電步進電機的低壓步進電機驅(qū)動器。除了CoolStep、StealthChop2、StallGuard4和SpreadCycle特性之外，該驅(qū)動器還支持256微步進分辨率。StealthChop2能夠為便攜式、家庭和辦公應用帶來安靜的運動控制體驗。TMC2300采用STEP/DIR接口，支持高達256微步進，可通過可選的UART接口可進行高級配置。高效率功率級和0.03 μA的微小待機電流，有助于延長電池壽命。該驅(qū)動器使用兩節(jié)AA電池或一節(jié)鋰離子電池，最低放電電壓為2.0 V。
TMC2300驅(qū)動器采用小型3 mm × 3 mm封裝，能夠提供高電機電流，適用于物聯(lián)網(wǎng)、手持設備、電池供電設備和移動醫(yī)療器械。
結(jié)論
微步進在各種步進電機應用中都展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢。結(jié)合微步進技術與ADI Trinamic解決方案，可以有效滿足高效率、精準定位和極低噪聲應用的要求。ADI Trinamic的所有步進電機產(chǎn)品均支持256微步進，因此對現(xiàn)有系統(tǒng)進行微步進升級變得十分簡便。
參考文獻
1 George Beauchemin。“Microstepping Myths。”機械設計75，第19期，2003年10月。
（作者：Cindy Chang，應用工程師Tea Tran，應用工程師）
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