步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)尺寸小巧設(shè)計(jì)的秘密解讀

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機(jī)，目前已滲透到包括電腦、通信設(shè)備、辦公自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化、銀行設(shè)備在內(nèi)的多重經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域且還在不斷深化。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2018年-2023年，中國(guó)步進(jìn)電機(jī)制造行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將保持5.1%左右的年均增速。樂觀估計(jì)，到2023年，行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模有望突破180億元。

然而，隨著IoT和AI技術(shù)的發(fā)展，便攜式智能化產(chǎn)品對(duì)步進(jìn)電機(jī)在封裝尺寸、功耗、控制精度、噪音、驅(qū)動(dòng)響應(yīng)速度等方面的要求與日俱增。256細(xì)分、80nA睡眠功耗、12V/2A驅(qū)動(dòng)能力、TQFN-3×3-16L/MSOP-10甚至更小封裝等等已經(jīng)成為衡量產(chǎn)品性能高低的指標(biāo)性參數(shù)。同時(shí)，還要對(duì)短路（輸出之間和輸出對(duì)地、對(duì)電源之間）、過熱、過流等建立全方位的安全保護(hù)機(jī)制。這一切，都給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)工程師們提出了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

高達(dá)256細(xì)分

眾所周知，在非超載的情況下，步進(jìn)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)，不受負(fù)載變化的影響。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。我們可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；也可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

國(guó)內(nèi)外對(duì)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究十分活躍。目前，高性能的細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路已經(jīng)可以細(xì)分到上千甚至能做到任意細(xì)分，經(jīng)過復(fù)雜的計(jì)算，便可使細(xì)分后的步距角均勻一致，大大提高了步進(jìn)電機(jī)的脈沖分辨率，減小或消除了震蕩、噪聲和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，使步進(jìn)電機(jī)更具有“類伺服”特性。

SGM42622是圣邦微電子極具代表性的一款步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。采用真256細(xì)分和小型TQFN-3×3-16L綠色封裝，內(nèi)部集成了邏輯控制和低RDS(ON)功率級(jí)電路，能夠?qū)崿F(xiàn)可調(diào)關(guān)閉時(shí)間的PWM電流控制和高達(dá)1/256的細(xì)分精度。

圖1 SGM42622采用256細(xì)分

功耗尺寸之巧

為了讓器件能適用于不同應(yīng)用場(chǎng)景中，提前預(yù)留出給客戶配置功能的引腳是行業(yè)內(nèi)通行的做法。以一顆28引腳的傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片為例，其芯片本體封裝面積約為9.7×4.4mm2，加上外圍約20多顆各種功能的分立器件，PCB板面積約為30×40mm2。假設(shè)器件本身睡眠功耗為10μA，算上外圍器件功耗后，總功耗將在5mA以上。盡管各芯片廠商想盡辦法，比如采用腳距更低的封裝或QFN封裝等，但需要的分立電阻電容并未因此減少，功耗降低效果依然有限。

比如采用MCU運(yùn)行GPIO模擬I2C功能。通用I/O控制芯片在開啟后的1ms內(nèi)，利用器件待機(jī)（Standby）期間先寫入各個(gè)參數(shù)到寄存器，并讀出復(fù)查寫入是否正確。之后，MCU再轉(zhuǎn)回通用I/O來控制芯片退出待機(jī)模式，并正常工作，從而降低了MCU的開銷和功耗。

SGM42622的功能強(qiáng)大，客戶可以在芯片待機(jī)期間對(duì)器件的開關(guān)頻率、細(xì)分精度、衰減模式、轉(zhuǎn)矩大小等參數(shù)進(jìn)行編程設(shè)置，這也是SGM42622可以如此小巧的秘密所在。

圖2 SGM42622兼具“小身材”和“大智慧”

安靜圓滑之美

通常來說，步進(jìn)電機(jī)的電流過零失真會(huì)導(dǎo)致步進(jìn)不夠均勻、圓滑，甚至可能導(dǎo)致失步或者可聽見的噪聲。造成這一現(xiàn)象的主要原因是消隱時(shí)間（tBLANK）的長(zhǎng)短和PWM的總關(guān)斷時(shí)間（tOFF）。也就是說，消隱時(shí)間在小電流的情況下，需要一個(gè)較短的時(shí)間，所以采用自適應(yīng)的消隱時(shí)間更加合適；關(guān)斷時(shí)間過長(zhǎng)，在小電流的情況下，電流會(huì)衰減到零點(diǎn)，從而導(dǎo)致每一步的平均電流明顯小于目標(biāo)值。

而在SGM42622中，客戶可以通過連接在TOFF引腳和接地之間的外部電阻器對(duì)關(guān)斷時(shí)間（慢衰減+快衰減）進(jìn)行靈活設(shè)置。但為了增加調(diào)節(jié)電路的穩(wěn)定性，必須與調(diào)節(jié)電阻器并聯(lián)插入一個(gè)小的RC系列。

圖3 用戶可以對(duì)SGM42622的總關(guān)斷時(shí)間（tOFF）進(jìn)行靈活設(shè)置

數(shù)據(jù)顯示，該產(chǎn)品可以驅(qū)動(dòng)輸出10V@1.8A（Peak），可以驅(qū)動(dòng)尺寸為57的電機(jī)，驅(qū)動(dòng)能力十分強(qiáng)大，非常適用于1.8V至12V DC總線、心電打印機(jī)、三維掃描儀、家庭用快球（Dome）、手機(jī)、平板電腦、電視機(jī)、攝像頭伸縮機(jī)構(gòu)等細(xì)分市場(chǎng)領(lǐng)域。

圖4 實(shí)際驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流波形圖@3.3V

結(jié)語

SGM42622只是圣邦微電子電機(jī)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品家族中的一員，未來，步進(jìn)電機(jī)可以做到體積更小、性能更好、性價(jià)比更高，并逐步高集成化、智能化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)高精度的控制。

編輯：hfy