步進(jìn)電機(jī)的“凌波微步”是如何煉成的？

自從第二次工業(yè)革命將人類帶入電氣化時(shí)代之后，我們這個(gè)世界的“運(yùn)轉(zhuǎn)”在很大程度上都是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的。作為一種將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的執(zhí)行元件，無論是在工業(yè)領(lǐng)域的大型裝備還是我們身邊的小型化電子產(chǎn)品中，都可見電機(jī)的身影，其應(yīng)用的廣泛性可見一斑。

根據(jù)工作的原理，電機(jī)通常被劃分為有刷直流電機(jī)（BDC）、無刷直流電機(jī)（BLDC）、永磁同步電機(jī)（PMSM）、交流感應(yīng)電機(jī)（ACIM）、開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）和步進(jìn)電機(jī)（Stepper）等。它們各具特點(diǎn)，在長(zhǎng)期的市場(chǎng)打拼中也都找到了自己最擅長(zhǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域，今天我們就著重來談?wù)勂渲械牟竭M(jìn)電機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)的機(jī)遇與挑戰(zhàn) 與其他類型的電機(jī)相比，步進(jìn)電機(jī)的工作方式比較特別，它是通過電脈沖信號(hào)控制角位移或線位移，給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響。這種脈沖信號(hào)與轉(zhuǎn)動(dòng)／移動(dòng)位置之間的線性關(guān)系，使得人們可以通過控制脈沖寬度、占空比或輸入脈沖周期來對(duì)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確的管理。而且步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差，這使得其在需要高精度角運(yùn)動(dòng)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，如魚得水、應(yīng)用廣泛。 根據(jù)中國(guó)工控網(wǎng)的分析，在最近三年中，中國(guó)的步進(jìn)電機(jī)市場(chǎng)保持著10%左右的穩(wěn)定增長(zhǎng)，2020年的總體規(guī)模將達(dá)到11億元左右。

除了傳統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用之外，步進(jìn)電機(jī)在一些新興領(lǐng)域的滲透尤為引人注目。 比如方興未艾的3D打印機(jī)，要想精準(zhǔn)地控制打印頭的“走位”，使其能夠按照設(shè)計(jì)要求將打印材料在3D空間堆疊成我們想要的樣貌，高精度的步進(jìn)電機(jī)就是不可或缺的部件。 還有在手機(jī)領(lǐng)域，如今為了實(shí)現(xiàn)完美的全面屏，很多旗艦型手機(jī)采用了升降攝像頭的解決方案，平時(shí)將攝像頭模組藏在機(jī)身內(nèi)部，需要的時(shí)候通過一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)將其抬升起來，用完了再降回到原先的位置。這樣的步進(jìn)系統(tǒng)不僅要滿足運(yùn)動(dòng)精確性的要求，還要受到手機(jī)產(chǎn)品本身在可靠性、體積、成本、功耗等多方面的約束。

由此可見，今天的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)在獲得新的發(fā)展機(jī)遇的同時(shí)，面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)也確實(shí)不小。

步進(jìn)電機(jī)控制的新“境界” 有效應(yīng)對(duì)這些技術(shù)挑戰(zhàn)，除了步進(jìn)電機(jī)自身的品質(zhì)與能力之外，很重要的一環(huán)就在于電機(jī)驅(qū)動(dòng)。通俗地講，一個(gè)步進(jìn)系統(tǒng)中電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的作用，就是將脈沖控制信號(hào)“翻譯”為步進(jìn)電機(jī)明白的指令，并據(jù)此提供電機(jī)運(yùn)行所需的功率，驅(qū)動(dòng)其完成“規(guī)定”的動(dòng)作。這從原理上很好理解，可是要真正實(shí)現(xiàn)完美的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制，一定需要步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)IC、控制算法之間的默契配合。

這就像是幫助步進(jìn)電機(jī)練就“凌波微步”這樣的武功絕學(xué)，想要真正達(dá)到走位精妙、心身合一的境界，就需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)能夠滿足以下這些要求：

更高的分辨率：毋庸贅言，這是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)，分辨率越高，步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)角的位移也就更精細(xì)。

更高的效率：具統(tǒng)計(jì)，全球電力供應(yīng)的28%是被電機(jī)消耗掉的，隨著步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用的發(fā)展，其效率提升的每一個(gè)百分點(diǎn)，帶來的節(jié)能總量都會(huì)相當(dāng)可觀。

更低的成本：步進(jìn)電機(jī)想要滲透進(jìn)更多應(yīng)用領(lǐng)域，特別是消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)，這個(gè)能力必不可少。

更低的噪聲和振動(dòng)：這一優(yōu)化，將是提升用戶體驗(yàn)的一個(gè)關(guān)鍵特性。

更可靠和耐用：確保步進(jìn)電機(jī)安全可靠工作的保護(hù)功能和防護(hù)措施不能少。

要想練就上面所述的這些“功力”，必須有一些“修煉”所需的“法門”，也就是實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的解決方案。為此，不同的電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC廠商，都會(huì)有自己獨(dú)特的技術(shù)“絕活兒”，下面我們就以Toshiba的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案為例，一窺其中的奧妙。
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的技術(shù)“絕活兒“ 首先，在提高步進(jìn)電機(jī)的分辨率方面，Toshiba提供了一種獨(dú)特的“微步技術(shù)“。 步進(jìn)電機(jī)的分辨率取決于其步距角，步距角越小，步進(jìn)精度也就越高。步進(jìn)電機(jī)的工作原理告訴我們，其在全步模式下工作時(shí)，步距角等于360°除以總極數(shù)，電機(jī)的極數(shù)越多，步距角越小。但是受電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)所限，極數(shù)的增加也是有限的，且會(huì)越來越難。為了提升電機(jī)的分辨率，人們?cè)谵D(zhuǎn)換相位之間插入一個(gè)關(guān)閉狀態(tài)而走“半步”，由此發(fā)展出了半步模式，使得步距角降至全步模式的1/2，但與全步模式相比，半步模式進(jìn)通常會(huì)導(dǎo)致15%?30%的力矩?fù)p失。

為了突破步進(jìn)精度的限制，Toshiba的微步模式（Micro-step mode）改變了傳統(tǒng)的全步驅(qū)動(dòng)的控制方式——即通過打開和關(guān)閉兩個(gè)繞組的電流，以固定角度令其旋轉(zhuǎn)——而是通過逐步改變兩個(gè)繞組的電流比，以比基本步距角更精細(xì)的步距角旋轉(zhuǎn)它們，由此可以實(shí)現(xiàn)1/4、1/8、1/16、1/32、1/64和1/128步的更為精細(xì)的運(yùn)動(dòng)控制。

圖1：Toshiba的微步模式可以實(shí)現(xiàn)更高的步進(jìn)精度

（圖源：Toshiba） 在降低步進(jìn)系統(tǒng)功耗，提高效率方面，Toshiba的“絕活兒“主要有兩點(diǎn)：一方面是通過采用更先進(jìn)的制造工藝，獲得更低的導(dǎo)通電阻和超低待機(jī)電流；另一方面，就是優(yōu)化驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)。 在這方面，最值得一提的是Toshiba原創(chuàng)的主動(dòng)增益控制（AGC）技術(shù)。在驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)時(shí)，為確保所需電機(jī)扭矩具有足夠的裕度，電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)IC通常提供大于最大負(fù)載時(shí)峰值電流的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流，這就意味著額外的電流會(huì)一直持續(xù)流動(dòng)，這也就導(dǎo)致了更大的功耗。

而AGC技術(shù)可以根據(jù)電機(jī)的負(fù)載條件自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流，最大限度減少不必要的電流消耗，從而大大減少電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC和電機(jī)產(chǎn)生的熱量。與此同時(shí)，AGC技術(shù)還可以在提供高電機(jī)控制效率的同時(shí)，防止電機(jī)失步，讓更大的電流驅(qū)動(dòng)成為可能。

圖2：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由于能量消耗產(chǎn)生的熱量

采用AGC技術(shù)（右）明顯低于傳統(tǒng)的控制技術(shù)（左）

（圖源：Toshiba） Toshiba獨(dú)有的另一個(gè)優(yōu)化控制技術(shù)是高級(jí)動(dòng)態(tài)混合衰減（ADMD）技術(shù)，該技術(shù)與傳統(tǒng)的混合衰減模式相比，能夠更緊密地跟蹤輸入電流，從而進(jìn)一步強(qiáng)化了高轉(zhuǎn)速條件下的高效電機(jī)控制。從圖3中可以看出，電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，傳統(tǒng)的方式可能會(huì)發(fā)生失步（左），而ADMD則可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的微步控制（右）。

圖3：采用ADMD技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更緊密的輸入電流跟蹤

（圖源：Toshiba） 在優(yōu)化步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的尺寸和成本方面，Toshiba的高級(jí)電流檢測(cè)系統(tǒng)（ACDS）技術(shù)可以給開發(fā)者帶來很大的好處——該技術(shù)在提供高精度恒定電流以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的同時(shí)，無需使用外部電流感應(yīng)電阻，這使得方案所需的外圍元器件數(shù)量顯著減少，電路板的尺寸和物料清單（BOM）成本也相應(yīng)降低。

圖4：ACDS技術(shù)顯著減少了外圍元件的數(shù)量

優(yōu)化了BOM和電路板尺寸（圖源：Toshiba）

此外，Toshiba還開發(fā)了SMD電流衰減模式選擇功能，可有效降低電機(jī)驅(qū)動(dòng)期間所產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，將上述這些技術(shù)“絕活兒“綜合應(yīng)用在電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC中，就可以為用戶提供針對(duì)性的解決方案，幫助其實(shí)現(xiàn)“凌波微步”般精確步進(jìn)控制。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案

TB67S128FTG步進(jìn)電機(jī)控制器就是這樣一款很有代表性的電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC。該方案是采用PWM斬波的2相雙極步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)置時(shí)鐘并支持串行控制，可提供額定值為50V／5A的大電流驅(qū)動(dòng)。在其優(yōu)異性能的背后，我們可以發(fā)現(xiàn)不少上文提到的Toshiba的技術(shù)“絕活兒”。

基于微步模式，TB67S128FTG可實(shí)現(xiàn)高達(dá)1/128步的高分辨率。

采用BiCD工藝集成式單片IC，導(dǎo)通電阻低至0.25Ω，減少發(fā)熱量，可實(shí)現(xiàn)大電流驅(qū)動(dòng)，支持更高的工作扭矩。

采用AGC技術(shù)避免電機(jī)失速并降低功耗。

集成ADMD技術(shù)，提高電流跟蹤能力，進(jìn)一步優(yōu)化效率。實(shí)現(xiàn)安全高轉(zhuǎn)速。

采用ACDS技術(shù)提高電流跟蹤能力，減少了外圍元件數(shù)，優(yōu)化了BOM。

具備電流衰減模式選擇功能SMD，有效降低電機(jī)驅(qū)動(dòng)期間所產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)。

整合過熱保護(hù)檢測(cè)和過流保護(hù)，還集成有開路檢測(cè)功能，確保設(shè)備的安全性和高可靠性。

這些特性優(yōu)勢(shì)，使得TB67S128FTG可以廣泛應(yīng)用于3D打印機(jī)、監(jiān)控?cái)z像頭、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、冰箱和空調(diào)、ATM等銀行終端、辦公設(shè)備、游戲機(jī)等產(chǎn)品中。

圖5：TB67S128FTG的框圖（圖源：Toshiba） TC78H670FTG是Toshiba今年推出的一款步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC新品，其內(nèi)置雙H橋，可以提供2.5V至16V驅(qū)動(dòng)電源，支持最大2A的輸出電流。它同樣是一款采用PWM斬波器的2相雙極步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可以實(shí)現(xiàn)1/128步的高分辨率，采用3mm×3mm的QFN緊湊封裝。 由于采用了Toshiba最新的DMOS工藝，TC78H670FTG可確保低導(dǎo)通電阻（0.48Ω @VM=12V）和超低待機(jī)電流（0.1μA），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更高的效率。在我們已經(jīng)熟悉了的ACDS高級(jí)電流檢測(cè)系統(tǒng)的加持下，TC78H670FTG在占板面積和成本方面的優(yōu)勢(shì)也很明顯。熱關(guān)斷、過流關(guān)斷檢測(cè)、電機(jī)負(fù)載開路、欠壓鎖定等安全保護(hù)功能也是一應(yīng)俱全。 從上述的特性可以看出，TC78H670FTG非常適合于USB供電、電池供電以及標(biāo)準(zhǔn)9-12V系統(tǒng)設(shè)備，在照相機(jī)、安全攝像頭、便攜式打印機(jī)、手持式掃描儀、微型投影儀和智能手機(jī)等產(chǎn)品中都可以找到施展拳腳的空間。

圖6：TC78H670FTG的框圖（圖源：Toshiba） 在TB67S128FTG和TC78H670FTG的身上，我們能夠很直接地體會(huì)到一顆優(yōu)秀的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC的過人素質(zhì)；而圍繞著步進(jìn)控制系統(tǒng)建立的一系列優(yōu)勢(shì)技術(shù)，也令Toshiba形成了自己獨(dú)有的體系化優(yōu)勢(shì)，可以根據(jù)市場(chǎng)的發(fā)展快速開發(fā)出相應(yīng)的產(chǎn)品，提供豐富的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC產(chǎn)品組合。這些產(chǎn)品自帶的“武（優(yōu)）功（勢(shì)）絕（技）學(xué)（術(shù)）”，可以讓步進(jìn)電機(jī)修煉出“凌波微步”般的功夫，這可以讓“修煉”的過程變得更輕松。

圖7：Toshiba步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC產(chǎn)品一覽

（圖源：Toshiba）

原文標(biāo)題：步進(jìn)電機(jī)的“凌波微步”，是怎樣煉成的？

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