【導(dǎo)讀】在精密運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中，步進(jìn)電機(jī)的微步進(jìn)技術(shù)能夠顯著提升運(yùn)動(dòng)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(dòng)模式的原理與區(qū)別。本文系統(tǒng)解析微步進(jìn)的工作機(jī)制與技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為實(shí)際應(yīng)用提供實(shí)用參考。
摘要
在精密運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中，步進(jìn)電機(jī)的微步進(jìn)技術(shù)能夠顯著提升運(yùn)動(dòng)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(dòng)模式的原理與區(qū)別。本文系統(tǒng)解析微步進(jìn)的工作機(jī)制與技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為實(shí)際應(yīng)用提供實(shí)用參考。
簡(jiǎn)介
步進(jìn)電機(jī)準(zhǔn)確度高且控制方案相對(duì)簡(jiǎn)單，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療和三軸定位系統(tǒng)應(yīng)用，例如3D打印機(jī)和計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)機(jī)器。雖然交流電機(jī)和無刷直流電機(jī)都能實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度，但步進(jìn)電機(jī)除了高準(zhǔn)確度優(yōu)勢(shì)之外，還能在開環(huán)控制模式下運(yùn)行，并能在低速時(shí)提供高扭矩輸出。此外，相較于伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)通常更具性價(jià)比且更簡(jiǎn)單。與有刷直流電機(jī)不同，步進(jìn)電機(jī)能夠在高扭矩下保持位置穩(wěn)定。
微步進(jìn)讓電機(jī)以較小的增量移動(dòng)，因此電機(jī)每轉(zhuǎn)的離散定位點(diǎn)數(shù)量顯著增加，電機(jī)噪聲和振動(dòng)相應(yīng)地降低，是非常實(shí)用的步進(jìn)電機(jī)控制方式。ADI公司的Trinamic運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)包含步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC、板級(jí)模塊和完整的解決方案，能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)256微步進(jìn)的步進(jìn)電機(jī)操作。
步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)
電機(jī)結(jié)構(gòu)
步進(jìn)電機(jī)，常常又稱為步進(jìn)器，由磁轉(zhuǎn)子和定子線圈組成。混合式兩相步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子有兩個(gè)磁杯，每個(gè)磁杯通常有50個(gè)齒，如圖1所示。這些磁體的磁性相反，且位置相互錯(cuò)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(gè)位置。按順序給每相通電，電機(jī)就會(huì)旋轉(zhuǎn)。
圖1.混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)。(a) 8極定子。(b)永磁轉(zhuǎn)子。
工作原理
步進(jìn)電機(jī)通過將一整圈旋轉(zhuǎn)分割成等距的步進(jìn)來實(shí)現(xiàn)離散運(yùn)動(dòng)。例如，若一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)擁有200個(gè)離散位置，則其步進(jìn)角為1.8°。步進(jìn)角等于360°除以全步進(jìn)數(shù)。
如圖2所示，當(dāng)電流通過電機(jī)線圈時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)；該磁場(chǎng)會(huì)吸引或排斥永磁轉(zhuǎn)子，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，直至與磁場(chǎng)對(duì)齊。為了保持電機(jī)持續(xù)旋轉(zhuǎn)，每個(gè)線圈必須交替通電，以確保磁場(chǎng)始終領(lǐng)先于轉(zhuǎn)子位置。
圖2.混合式步進(jìn)電機(jī)操作。
全步進(jìn)和半步進(jìn)
為了更好地理解步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)行為，我們來分析一個(gè)簡(jiǎn)化的兩相步進(jìn)電機(jī)模型。該模型有一個(gè)磁極對(duì)，如圖3所示。
圖3.帶有永磁轉(zhuǎn)子的簡(jiǎn)化兩相步進(jìn)電機(jī)。
全步進(jìn)模式
在全步進(jìn)模式下，驅(qū)動(dòng)器使用正電流或負(fù)電流為兩個(gè)線圈通電。兩相同時(shí)通電，以實(shí)現(xiàn)最大扭矩。切換線圈中電流的方向，會(huì)導(dǎo)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(jìn)電機(jī)的全步進(jìn)模式。
全步進(jìn)能夠?qū)崿F(xiàn)精確的步進(jìn)、速度控制和高保持扭矩。此外，當(dāng)電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，全步進(jìn)可以大大地提高電機(jī)的扭矩輸出。然而，全步進(jìn)可能導(dǎo)致振動(dòng)過大并產(chǎn)生較大噪聲，如圖5所示。這種振動(dòng)和噪聲主要?dú)w因于電機(jī)位置的大幅跳變，這使得電機(jī)在到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)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(jìn)過沖和振鈴。
擁有單個(gè)磁極對(duì)的簡(jiǎn)化電機(jī)采用全步進(jìn)換相時(shí)，每轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)4個(gè)離散位置。若將這一概念擴(kuò)展到擁有50個(gè)磁極對(duì)的電機(jī)，那么每轉(zhuǎn)就能實(shí)現(xiàn)200個(gè)全步進(jìn)。
通過該設(shè)置，當(dāng)轉(zhuǎn)子的齒與線圈的磁場(chǎng)對(duì)齊時(shí)，電機(jī)可以精準(zhǔn)定位到特定位置。
半步進(jìn)模式
減小步長(zhǎng)可以改善位置過沖、振動(dòng)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(zhǎng)。半步進(jìn)模式將每個(gè)磁極對(duì)的轉(zhuǎn)子位置數(shù)增加到8個(gè)，從而使位置分辨率加倍。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過單相和雙相勵(lì)磁的交替，實(shí)現(xiàn)半步進(jìn)行為。半步進(jìn)模式不僅提高了位置分辨率，還減少了振動(dòng)。低速時(shí)旋轉(zhuǎn)扭矩略有增加，但在新的半步進(jìn)位置，電機(jī)的保持扭矩會(huì)減小。這通常被稱為“增量扭矩”。
圖6.兩相步進(jìn)電機(jī)的半步進(jìn)模式。
盡管半步進(jìn)模式帶來了諸多改進(jìn)，但仍存在一些問題。電機(jī)仍會(huì)發(fā)生較大的位置跳變，這意味著電機(jī)的旋轉(zhuǎn)并非完全平穩(wěn)。此問題在低速時(shí)尤其明顯，這也是我們需要微步進(jìn)的重要原因。
微步進(jìn)
什么是微步進(jìn)？
微步進(jìn)是一種控制步進(jìn)電機(jī)的方法，能夠讓電機(jī)旋轉(zhuǎn)到全步進(jìn)之間的多個(gè)中間位置。它通常用于實(shí)現(xiàn)更高的位置分辨率和更平穩(wěn)的低速旋轉(zhuǎn)。微步進(jìn)通過將每個(gè)全步進(jìn)分成多個(gè)等距的微步進(jìn)來實(shí)現(xiàn)，如圖7所示。提高微步分辨率可以減小步進(jìn)距離，從而降低位置過沖和振鈴，進(jìn)而改善振動(dòng)和噪聲。
圖7.微步進(jìn)時(shí)通過每個(gè)線圈的電流。
圖8.不同步進(jìn)模式下電流波形和位置過沖/振鈴的比較。
微步進(jìn)工作原理
微步進(jìn)的實(shí)現(xiàn)依賴于向電機(jī)提供正弦波形，如圖8所示。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器利用電流調(diào)節(jié)將這些正弦波精確傳送到每個(gè)電機(jī)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(jìn)質(zhì)量，受限于步進(jìn)驅(qū)動(dòng)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器均配備至少8位的ADC和DAC，每個(gè)全步進(jìn)最多可實(shí)現(xiàn)256個(gè)微步進(jìn)。混合式步進(jìn)電機(jī)通常每轉(zhuǎn)有200個(gè)全步進(jìn)，因此使用256個(gè)微步可實(shí)現(xiàn)每轉(zhuǎn)最多51,200個(gè)離散位置。步進(jìn)分辨率為0.00703125°，相當(dāng)驚人。
關(guān)鍵考慮因素：位置準(zhǔn)確度和增量扭矩
盡管微步進(jìn)技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)，但也面臨兩個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：位置準(zhǔn)確度和增量扭矩。
位置準(zhǔn)確度是指電機(jī)的實(shí)際位置與目標(biāo)位置之間的誤差。微步進(jìn)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(zhǔn)確度。電機(jī)的準(zhǔn)確度仍然取決于結(jié)構(gòu)公差、電機(jī)負(fù)載以及驅(qū)動(dòng)器向電機(jī)線圈準(zhǔn)確提供所需電流水平的能力。無論是全步進(jìn)還是微步進(jìn)，這些限制因素都會(huì)影響電機(jī)的準(zhǔn)確度。
增量扭矩是指當(dāng)電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，使其離開當(dāng)前位置所需的扭矩量。使用全步進(jìn)時(shí)，磁轉(zhuǎn)子與電機(jī)線圈精準(zhǔn)對(duì)齊，產(chǎn)生最大保持扭矩，此扭矩等于電機(jī)的額定保持扭矩。然而，當(dāng)使用微步進(jìn)時(shí)，增量扭矩會(huì)依據(jù)電機(jī)所處的微步進(jìn)位置而相應(yīng)地減小。
增量扭矩可利用公式4來近似計(jì)算：
其中：
?TINC：增量扭矩，單位為牛頓·米(N·m)
?THOLD：全步進(jìn)保持轉(zhuǎn)矩，單位為牛頓·米(N·m)
?SDR：分步比或以下最簡(jiǎn)分?jǐn)?shù)的分母：
可以通過幾個(gè)例子來仔細(xì)說明這一定義。假設(shè)一個(gè)電機(jī)使用256個(gè)微步進(jìn)，停止在一個(gè)半步進(jìn)位置。
SDR就是該最簡(jiǎn)分?jǐn)?shù)的分母；因此，SDR為2。增量扭矩減小至電機(jī)保持扭矩的70.709%。
再舉一個(gè)例子，當(dāng)電機(jī)停止在7/256微步位置時(shí)：
因此，SDR為256，增量扭矩下降至電機(jī)保持扭矩的0.61%。
表1總結(jié)了SDR與增量扭矩之間的關(guān)系。
表1.增量扭矩
需要注意的是，雖然增量扭矩會(huì)降低電機(jī)在微步進(jìn)位置的保持扭矩，但旋轉(zhuǎn)扭矩基本不受影響。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，增量扭矩減小的影響不會(huì)表現(xiàn)出來。在實(shí)際應(yīng)用中，如果需要高保持扭矩，用戶應(yīng)盡量將電機(jī)停在全步進(jìn)或半步進(jìn)位置。
常見微步進(jìn)應(yīng)用
許多使用步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用都可以從微步進(jìn)技術(shù)獲益。例如，在3D打印中，要實(shí)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(dòng)降至最低。醫(yī)療成像和手術(shù)機(jī)器人需要安靜的操作和精準(zhǔn)的定位，進(jìn)而可以確保患者感到舒適和安全。微步進(jìn)技術(shù)可以滿足這些要求。
此外，由于微步進(jìn)的步長(zhǎng)較小，位置過沖也顯著減小。這帶來了許多優(yōu)點(diǎn)，包括振動(dòng)更小、效率更高、運(yùn)動(dòng)更平穩(wěn)。機(jī)械振動(dòng)會(huì)消耗能量，還會(huì)給某些應(yīng)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(jī)械振動(dòng)和噪聲，微步進(jìn)技術(shù)還能減少與操作電機(jī)控制系統(tǒng)相關(guān)的成本和能源浪費(fèi)。
目前，其應(yīng)用范圍較廣泛，涵蓋了醫(yī)療研究設(shè)備、閥門控制、氣泵、閉路電視、機(jī)器人和工廠自動(dòng)化等領(lǐng)域。
ADI Trinamic解決方案
ADI Trinamic的步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品具備多種特性，能夠幫助用戶實(shí)現(xiàn)微步進(jìn)控制。該系列的所有產(chǎn)品均支持高達(dá)256個(gè)微步進(jìn)的分辨率。
此外，有些ADI Trinamic器件還具備MicroPlyer?技術(shù)，這是一種創(chuàng)新型微步進(jìn)插值技術(shù)，旨在讓老舊應(yīng)用也能輕松享受微步進(jìn)的高分辨率優(yōu)勢(shì)。
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(jìn)電機(jī)應(yīng)用的復(fù)雜性，并縮短上市時(shí)間。
MicroPlyer微步進(jìn)插值器
256微步進(jìn)的分辨率可能超出了某些制造商生產(chǎn)的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的能力。幸運(yùn)的是，ADI Trinamic的MicroPlyer技術(shù)支持將較低步進(jìn)分辨率系統(tǒng)升級(jí)到256微步進(jìn)，而無需修改運(yùn)動(dòng)控制邏輯。
MicroPlyer的工作原理是在步進(jìn)脈沖之間加入額外的電流步進(jìn)，同時(shí)精準(zhǔn)控制位置和速度。該技術(shù)會(huì)測(cè)量前一步進(jìn)周期的時(shí)間長(zhǎng)度并將其分成若干相等部分，從而在步進(jìn)脈沖之間進(jìn)行時(shí)間插值。這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部256微步進(jìn)STEP信號(hào)來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。盡管輸入的是低分辨率步進(jìn)信號(hào)，但卻能平穩(wěn)地輸出256微步進(jìn)。因此，ADI Trinamic步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器非常適合用來直接替換現(xiàn)有應(yīng)用中的同類產(chǎn)品。
例如，設(shè)計(jì)人員可能希望升級(jí)16微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更平穩(wěn)的256微步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。如果使用步進(jìn)角為1.8°的電機(jī)，期望速度為每秒10轉(zhuǎn)(RPS)，那么使用16微步進(jìn)時(shí)，輸入STEP信號(hào)須為32 kHz。通常，對(duì)于支持256微步進(jìn)的200全步進(jìn)電機(jī)，需要512 kHz的信號(hào)頻率才能實(shí)現(xiàn)10 RPS的轉(zhuǎn)速。對(duì)于某些主機(jī)控制器或MCU來說，此頻率可能過高。在這種情況下，設(shè)計(jì)人員可以采用支持MicroPlyer的ADI Trinamic驅(qū)動(dòng)器，這樣就能繼續(xù)使用32 kHz STEP信號(hào)。ADI Trinamic驅(qū)動(dòng)器可以對(duì)STEP信號(hào)進(jìn)行插值處理，從而實(shí)現(xiàn)256微步進(jìn)的高分辨率運(yùn)動(dòng)控制，如圖9所示。
TMC2240（36 V、2 A rms+智能集成步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，帶有S/D和SPI）與TMC5240（36 V、2 A rms+智能集成步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和控制器）
ADI公司的TMC2240和TMC5240是智能、高性能、兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shù)的微步進(jìn)插值特性。這些驅(qū)動(dòng)器IC結(jié)合了基于256微步進(jìn)的先進(jìn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、內(nèi)置索引器，以及兩個(gè)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(cè)(ICS)功能。TMC2240和TMC5240憑借出色的運(yùn)動(dòng)和電流控制能力，能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)、安靜的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。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(fù)載和失速檢測(cè)(StallGuard2?/StallGuard4?)、低噪聲運(yùn)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(shí)現(xiàn)最低噪聲運(yùn)行，可以在SpreadCycle和StealthChop2之間自動(dòng)切換。ADI Trinamic的先進(jìn)StealthChop2斬波可確保無噪聲運(yùn)行，同時(shí)提供出色的效率和電機(jī)扭矩。TMC5240是一款cDriver? IC，通過集成運(yùn)動(dòng)控制器，超越了傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)架構(gòu)。其中集成的8點(diǎn)運(yùn)動(dòng)斜坡允許用戶設(shè)置期望的位置和運(yùn)動(dòng)曲線，從而盡量減少抖動(dòng)，并分擔(dān)必要的計(jì)算工作，減輕主機(jī)控制器的負(fù)擔(dān)。
這些產(chǎn)品擁有診斷和保護(hù)功能，例如短路或過流保護(hù)、熱關(guān)斷和欠壓保護(hù)(UVLO)。在熱關(guān)斷和UVLO事件期間，驅(qū)動(dòng)器會(huì)被禁用，以防止器件受損。此外，這些器件還支持測(cè)量一個(gè)外部模擬輸入、評(píng)估驅(qū)動(dòng)器溫度和估算電機(jī)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(kuò)展系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。其中還內(nèi)置電流檢測(cè)功能，因而無需龐大的外部電流檢測(cè)電阻。完整的解決方案不僅性能出色，而且還大大降低了學(xué)習(xí)難度。
圖9.MicroPlyer微步進(jìn)插值器的簡(jiǎn)化示例，支持從全步進(jìn)到16微步進(jìn)的插值。
這兩款產(chǎn)品均可用于醫(yī)療器械、實(shí)驗(yàn)室和工廠自動(dòng)化、閉路電視、安防、3D打印機(jī)等領(lǐng)域。
TMC2160（雙極步進(jìn)電機(jī)高壓驅(qū)動(dòng)器）與TMC5160（雙極步進(jìn)電機(jī)高壓驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)控制器）
TMC2160和TMC5160是高功率、兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC，配備串行通信接口（STEP/DIR、SPI、UART），支持256微步進(jìn)分辨率，并采用MicroPlyer技術(shù)實(shí)現(xiàn)微步進(jìn)插值。這些IC集成了ADI Trinamic的多種先進(jìn)功能，包括CoolStep、StealthChop2、StallGuard2和SpreadCycle，以進(jìn)一步優(yōu)化驅(qū)動(dòng)器性能。TMC5160是一款集成運(yùn)動(dòng)控制器的cDriver IC，采用了SixPoint?斜坡技術(shù)，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(yīng)大電流和/或高電壓應(yīng)用場(chǎng)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(yīng)用。
這兩款產(chǎn)品均可用于醫(yī)療、紡織、機(jī)器人、工業(yè)驅(qū)動(dòng)、閉路電視、安防、工廠自動(dòng)化等領(lǐng)域。
TMC2300（兩相步進(jìn)電機(jī)低壓驅(qū)動(dòng)器）
TMC2300是一款用于兩相電池供電步進(jìn)電機(jī)的低壓步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。除了CoolStep、StealthChop2、StallGuard4和SpreadCycle特性之外，該驅(qū)動(dòng)器還支持256微步進(jìn)分辨率。StealthChop2能夠?yàn)楸銛y式、家庭和辦公應(yīng)用帶來安靜的運(yùn)動(dòng)控制體驗(yàn)。TMC2300采用STEP/DIR接口，支持高達(dá)256微步進(jìn)，可通過可選的UART接口可進(jìn)行高級(jí)配置。高效率功率級(jí)和0.03 μA的微小待機(jī)電流，有助于延長(zhǎng)電池壽命。該驅(qū)動(dòng)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(dòng)器采用小型3 mm × 3 mm封裝，能夠提供高電機(jī)電流，適用于物聯(lián)網(wǎng)、手持設(shè)備、電池供電設(shè)備和移動(dòng)醫(yī)療器械。
結(jié)論
微步進(jìn)在各種步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用中都展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢(shì)。結(jié)合微步進(jìn)技術(shù)與ADI Trinamic解決方案，可以有效滿足高效率、精準(zhǔn)定位和極低噪聲應(yīng)用的要求。ADI Trinamic的所有步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品均支持256微步進(jìn)，因此對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行微步進(jìn)升級(jí)變得十分簡(jiǎn)便。
參考文獻(xiàn)
1 George Beauchemin。“Microstepping Myths。”機(jī)械設(shè)計(jì)75，第19期，2003年10月。
（作者：Cindy Chang，應(yīng)用工程師Tea Tran，應(yīng)用工程師）
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