【导读】于周详运动节制运用中，步进机电的微步进技能可以或许显著晋升运动光滑度与定位精度。要充实阐扬其机能，工程师需清楚把握全步、半步与微步等驱动模式的道理与区分。本文体系解析微步进的事情机制与技能上风，为现实运用提供实用参考。

择要

于周详运动节制运用中，步进机电的微步进技能可以或许显著晋升运动光滑度与定位精度。要充实阐扬其机能，工程师需清楚把握全步、半步与微步等驱动模式的道理与区分。本文体系解析微步进的事情机制与技能上风，为现实运用提供实用参考。

简介

步进机电正确度高且节制方案相对于简朴，是以广泛运用在工业、医疗及三轴定位体系运用，例如3D打印机及计较机数控(CNC)呆板。虽然交流机电及无刷直流机电都能实现高正确度，但步进机电除了了高正确度上风以外，还有能于开环节制模式下运行，并能于低速时提供高扭矩输出。此外，相较在伺服机电，步进机电凡是更具性价比且更简朴。与有刷直流机电差别，步进机电可以或许于高扭矩下连结位置不变。

微步进让机电以较小的增量挪动，是以机电每一转的离散定位点数目显著增长，机电噪声及振动响应地降低，长短常实用的步进机电节制方式。ADI公司的Trinamic运动节制技能包罗步进机电驱动器IC、板级模块及完备的解决方案，可以或许实现高达256微步进的步进机电操作。

步进机电基础常识

机电布局

步进机电，经常又称为步进器，由磁转子及定子线圈构成。混淆式两相步进机电的转子有两个磁杯，每一个磁杯凡是有50个齿，如图1所示。这些磁体的磁性相反，且位置彼此错开。定子由两组线圈构成，这些线圈缭绕中央转子漫衍于多个位置。按挨次给每一相通电，机电就会扭转。

图1.混淆式步进机电布局。(a) 8极定子。(b)永磁转子。

事情道理

步进机电经由过程将一整圈扭转支解成等距的步进来实现离散运动。例如，若一台步进机电每一转拥有200个离散位置，则其步进角为1.8°。步进角等在360°除了以全步进数。

如图2所示，当电畅通过机电线圈时，会孕育发生一个磁场；该磁场会吸引或者排斥永磁转子，从而驱动转子扭转，直至与磁场对于齐。为了连结机电连续扭转，每一个线圈必需瓜代通电，以确保磁场始终领先在转子位置。

图2.混淆式步进机电操作。

全步进及半步进

为了更好地舆解步进机电的步举行为，咱们来阐发一个简化的两相步进机电模子。该模子有一个磁极对于，如图3所示。

图3.带有永磁转子的简化两相步进机电。

全步进模式

于全步进模式下，驱动器利用正电流或者负电流为两个线圈通电。两不异时通电，以实现最年夜扭矩。切换线圈中电流的标的目的，会致使线圈绕轴扭转。切换模式（也称为换相）凡是遵照图4所示的周期序列。

图4.两相步进机电的全步进模式。

全步进可以或许实现切确的步进、速率节制及高连结扭矩。此外，当机电高速运行时，全步进可以年夜年夜地提高机电的扭矩输出。然而，全步进可能致使振动过年夜并孕育发生较年夜噪声，如图5所示。这类振动及噪声重要归因在机电位置的年夜幅跳变，这使患上机电于达到方针位置时轻易过冲，从而于特定速率下激发高共振征象并降低输出扭矩。

图5.全步进过冲及振铃。

拥有单个磁极对于的简化机电采用全步进换相时，每一转可以实现4个离散位置。若将这一律念扩大到拥有50个磁极对于的机电，那末每一转就能实现200个全步进。

经由过程该设置，当转子的齿与线圈的磁场对于齐时，机电可以精准定位到特定位置。

半步进模式

减小步长可以改善位置过冲、振动及噪声问题。如图6所示，经由过程采用其他电流状况可以减小步长。半步进模式将每一个磁极对于的转子位置数增长到8个，从而使位置分辩率加倍。机电驱动器经由过程单相及双相励磁的瓜代，实现半步举行为。半步进模式不仅提高了位置分辩率，还有削减了振动。低速时扭转扭矩略有增长，但于新的半步进位置，机电的连结扭矩会减小。这凡是被称为“增量扭矩”。

图6.两相步进机电的半步进模式。

只管半步进模式带来了诸多改良，但仍存于一些问题。机电仍会发生较年夜的位置跳变，这象征着机电的扭转并不是彻底平稳。此问题于低速时特别较着，这也是咱们需要微步进的主要缘故原由。

微步进

甚么是微步进？

微步进是一种节制步进机电的要领，可以或许让机电扭转到全步进之间的多个中间位置。它凡是用在实现更高的位置分辩率及更平稳的低速扭转。微步进经由过程将每一个全步进分成多个等距的微步进来实现，如图7所示。提高微步分辩率可以减小步进间隔，从而降低位置过冲及振铃，进而改善振动及噪声。

图7.微步进时经由过程每一个线圈的电流。

图8.差别步进模式下电流波形及位置过冲/振铃的比力。

微步进事情道理

微步进的实现依靠在向机电提供正弦波形，如图8所示。机电驱动器使用电流调治将这些正弦波切确传送到每一个机电线圈。然而，咱们没法孕育发生完善的正弦波。正弦波的质量，以和基在此的微步进质量，受限在步进驱动器的模数转换器(ADC)及数模转换器(DAC)的分辩率。ADI Trinamic的每一款步进机电驱动器均配备至少8位的ADC及DAC，每一个全步进至多可实现256个微步进。混淆式步进机电凡是每一转有200个全步进，是以利用256个微步可实现每一转至多51,200个离散位置。步进分辩率为0.00703125°，相称惊人。

要害思量因素：位置正确度及增量扭矩

只管微步进技能具备诸多上风，但也面对两个要害挑战：位置正确度及增量扭矩。

位置正确度是指机电的现实位置与方针位置之间的偏差。微步进虽然可以或许经由过程增长离散位置数目提高位置分辩率，但其实不能提高位置正确度。机电的正确度仍旧取决在布局公役、机电负载以和驱动器向机电线圈正确提供所需电流程度的能力。不管是全步进还有是微步进，这些限定因素城市影响机电的正确度。

增量扭矩是指当机电处在静止状况时，使其脱离当前位置所需的扭矩量。利用全步进时，磁转子与机电线圈精准对于齐，孕育发生最年夜连结扭矩，此扭矩等在机电的额定连结扭矩。然而，当利用微步进时，增量扭矩会依据机电所处的微步进位置而响应地减小。

增量扭矩可使用公式4来类似计较：

此中：

•TINC：增量扭矩，单元为牛顿·米(N·m)

•THOLD：全步进连结转矩，单元为牛顿·米(N·m)

•SDR：分步比或者如下最简分数的分母：

可以经由过程几个例子来细心申明这必然义。假定一个机电利用256个微步进，住手于一个半步进位置。

SDR就是该最简分数的分母；是以，SDR为2。增量扭矩减小至机电连结扭矩的70.709%。

再举一个例子，当机电住手于7/256微步位置时：

是以，SDR为256，增量扭矩降落至机电连结扭矩的0.61%。

表1总结了SDR与增量扭矩之间的瓜葛。

表1.增量扭矩

需要留意的是，虽然增量扭矩会降低机电于微步进位置的连结扭矩，但扭转扭矩基本不受影响。当机电扭转时，增量扭矩减小的影响不会体现出来。于现实运用中，假如需要高连结扭矩，用户应只管即便将机电停于全步进或者半步进位置。

常见微步进运用

很多利用步进机电的运用均可以从微步进技能获益。例如，于3D打印中，要实现高质量的打印效果，必需确保高位置分辩率并将振动降至最低。医疗成像及手术呆板人需要平静的操作及精准的定位，进而可以确保患者感应恬静及安全。微步进技能可以满意这些要求。

此外，因为微步进的步长较小，位置过冲也显著减小。这带来了很多长处，包括振动更小、效率更高、运动更平稳。机械振动会耗损能量，还有会给某些运用中（如数控铣床）造成分外的磨损并影响靠得住性。经由过程削减机械振动及噪声，微步进技能还有能削减与操作机电节制体系相干的成本及能源华侈。

今朝，其运用规模较广泛，涵盖了医疗研究装备、阀门节制、气泵、闭路电视、呆板人及工场主动化等范畴。

ADI Trinamic解决方案

ADI Trinamic的步进机电产物具有多种特征，可以或许帮忙用户实现微步进节制。该系列的所有产物均撑持高达256个微步进的分辩率。

此外，有些ADI Trinamic器件还有具有MicroPlyer™技能，这是一种立异型微步进插值技能，旨于让老旧运用也能轻松享受微步进的高分辩率上风。

ADI Trinamic产物系列提供了完备、高效且小巧的解决方案，可以或许满意各类空间及机能需求。这些器件有助在降低步进机电运用的繁杂性，并缩短上市时间。

MicroPlyer微步进插值器

256微步进的分辩率可能凌驾了某些制造商出产的步进驱动器的能力。幸运的是，ADI Trinamic的MicroPlyer技能撑持将较低步进分辩率体系进级到256微步进，而无需修改运动节制逻辑。

MicroPlyer的事情道理是于步进脉冲之间插手分外的电流步进，同时精准节制位置及速率。该技能会丈量前一步进周期的时间长度并将其分成若干相等部门，从而于步进脉冲之间举行时间插值。这会孕育发生一个内部256微步进STEP旌旗灯号来驱动机电。只管输入的是低分辩率步进旌旗灯号，但却能平稳地输出256微步进。是以，ADI Trinamic步进机电驱动器很是合适用来直接替代现有运用中的同类产物。

例如，设计职员可能但愿进级16微步进驱动器及体系，实现更平稳的256微步进运动。假如利用步进角为1.8°的机电，指望速率为每一秒10转(RPS)，那末利用16微步进时，输入STEP旌旗灯号须为32 kHz。凡是，对于在撑持256微步进的200全步进机电，需要512 kHz的旌旗灯号频率才能实现10 RPS的转速。对于在某些主机节制器或者MCU来讲，此频率可能太高。于这类环境下，设计职员可以采用撑持MicroPlyer的ADI Trinamic驱动器，如许就能继承利用32 kHz STEP旌旗灯号。ADI Trinamic驱动器可以对于STEP旌旗灯号举行插值处置惩罚，从而实现256微步进的高分辩率运动节制，如图9所示。

TMC2240（36 V、2 A rms+智能集成步进驱动器，带有S/D及SPI）与TMC5240（36 V、2 A rms+智能集成步进驱动器及节制器）

ADI公司的TMC2240及TMC5240是智能、高机能、两相步进机电驱动器IC，具备串行通讯接口（SPI、UART）、富厚的诊断功效以和采用MicroPlyer技能的微步进插值特征。这些驱动器IC联合了基在256微步进的进步前辈步进机电驱动器、内置索引器，以和两个彻底集成的36 V、3.0 AMAX H桥，并具有无损耗式集成电流检测(ICS)功效。TMC2240及TMC5240依附精彩的运动及电流节制能力，可以或许实现平稳、平静的步进机电运动。这两款器件还有具有全套ADI Trinamic特征，包括提高能效的CoolStep™、无传感器负载及掉速检测(StallGuard2™/StallGuard4™)、低噪声运行(StealthChop2)及降低纹波的电流节制(SpreadCycle™)。SpreadCycle及StealthChop2斩波模式撑持于很是宽的速率规模内实现最低噪声运行，可以于SpreadCycle及StealthChop2之间主动切换。ADI Trinamic的进步前辈StealthChop2斩波可确保无噪声运行，同时提供精彩的效率及机电扭矩。TMC5240是一款cDriver™ IC，经由过程集成运动节制器，逾越了传统机电驱动器，简化了体系架构。此中集成的8点运动斜坡答应用户设置指望的位置及运动曲线，从而只管即便削减抖动，并分管须要的计较事情，减轻主机节制器的承担。

这些产物拥有诊断及掩护功效，例如短路或者过流掩护、热关断及欠压掩护(UVLO)。于热关断及UVLO事务时期，驱动器会被禁用，以避免器件受损。此外，这些器件还有撑持丈量一个外部模仿输入、评估驱动器温度及估算机电温度的功效。

高集成度、高能效及小尺寸有益在打造小型化的可扩大体系，从而实现经济高效的解决方案。此中还有内置电流检测功效，于是无需重大的外部电流检测电阻。完备的解决方案不仅机能精彩，并且还有年夜年夜降低了进修难度。

图9.MicroPlyer微步进插值器的简化示例，撑持从全步进到16微步进的插值。

这两款产物都可用在医疗器械、试验室及工场主动化、闭路电视、安防、3D打印机等范畴。

TMC2160（双极步进机电高压驱动器）与TMC5160（双极步进机电高压驱动器及运动节制器）

TMC2160及TMC5160是高功率、两相步进机电驱动器IC，配备串行通讯接口（STEP/DIR、SPI、UART），撑持256微步进分辩率，并采用MicroPlyer技能实现微步进插值。这些IC集成为了ADI Trinamic的多种进步前辈功效，包括CoolStep、StealthChop二、StallGuard2及SpreadCycle，以进一步优化驱动器机能。TMC5160是一款集成运动节制器的cDriver IC，采用了SixPoint™斜坡技能，不仅可以或许实现更快速的定位，还有能有用减缓梯形斜坡引起的共振问题。

这些IC没有集成FET，用户可以矫捷地选择FET来顺应年夜电流及/或者高电压运用场景。这类多功效性使其合用在电池供电体系以和高压工业体系等广泛运用。

这两款产物都可用在医疗、纺织、呆板人、工业驱动、闭路电视、安防、工场主动化等范畴。

TMC2300（两相步进机电低压驱动器）

TMC2300是一款用在两相电池供电步进机电的低压步进机电驱动器。除了了CoolStep、StealthChop二、StallGuard4及SpreadCycle特征以外，该驱动器还有撑持256微步进分辩率。StealthChop2可以或许为便携式、家庭及办公运用带来平静的运动节制体验。TMC2300采用STEP/DIR接口，撑持高达256微步进，可经由过程可选的UART接口可举行高级配置。高效率功率级及0.03 µA的微小待电机流，有助在延伸电池寿命。该驱动器利用两节AA电池或者一节锂离子电池，最低放电电压为2.0 V。

TMC2300驱动器采用小型3 妹妹 × 3 妹妹封装，可以或许提供高机电电流，合用在物联网、手持装备、电池供电装备及挪动医疗器械。

结论

微步进于各类步进机电运用中都揭示出诸多上风。联合微步进技能与ADI Trinamic解决方案，可以有用满意高效率、精准定位及极低噪声运用的要求。ADI Trinamic的所有步进机电产物均撑持256微步进，是以对于现有体系举行微步进进级变患上十分简洁。

参考文献

1 George Beauchemin。“Microstepping Myths。”机械设计75，第19期，2003年10月。

（作者：Cindy Chang，运用工程师Tea Tran，运用工程师）

保举浏览：

聚焦物联网前沿，DigiKey 助力 Works With 开发者嘉会

效率进级！MATLAB 推出可定制化桌面结构

投影光源技能改造：艾迈斯欧司朗推出首款单源集成激光器PLPM7_455QA

智能装备的“耳朵”：MEMS麦克风技能与选型指南

振动器焦点技能冲破：国产驱动IC的挑战与机缘