【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。要充分發揮其性能，工程師需清晰掌握全步、半步與微步等驅動模式的原理與區別。本文系統解析微步進的工作機制與技術優勢，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。要充分發揮其性能，工程師需清晰掌握全步、半步與微步等驅動模式的原理與區別。本文系統解析微步進的工作機制與技術優勢，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、醫療和三軸定位系統應用，例如3D打印機和計算機數控(CNC)機器。雖然交流電機和無刷直流電機都能實現高準確度，但步進電機除了高準確度優勢之外，還能在開環控制模式下運行，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定。
微步進讓電機以較小的增量移動，因此電機每轉的離散定位點數量顯著增加，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動器IC、板級模塊和完整的解決方案，能夠實現高達256微步進的步進電機操作。
步進電機基礎知識
電機結構
步進電機，常常又稱為步進器，由磁轉子和定子線圈組成。混合式兩相步進電機的轉子有兩個磁杯，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子分布在多個位置。按順序給每相通電，電機就會旋轉。
圖1.混合式步進電機結構。(a) 8極定子。(b)永磁轉子。
工作原理
步進電機通過將一整圈旋轉分割成等距的步進來實現離散運動。例如，若一臺步進電機每轉擁有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。
如圖2所示，當電流通過電機線圈時，會產生一個磁場；該磁場會吸引或排斥永磁轉子，從而驅動轉子旋轉，直至與磁場對齊。為了保持電機持續旋轉，每個線圈必須交替通電，以確保磁場始終領先于轉子位置。
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.帶有永磁轉子的簡化兩相步進電機。
全步進模式
在全步進模式下，驅動器使用正電流或負電流為兩個線圈通電。兩相同時通電，以實現最大扭矩。切換線圈中電流的方向，會導致線圈繞軸旋轉。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。
全步進能夠實現精確的步進、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高共振現象并降低輸出扭矩。
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，每轉可以實現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，那么每轉就能實現200個全步進。
通過該設置，當轉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可以減小步長。半步進模式將每個磁極對的轉子位置數增加到8個，從而使位置分辨率加倍。電機驅動器通過單相和雙相勵磁的交替，實現半步進行為。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。電機仍會發生較大的位置跳變，這意味著電機的旋轉并非完全平穩。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，能夠讓電機旋轉到全步進之間的多個中間位置。它通常用于實現更高的位置分辨率和更平穩的低速旋轉。微步進通過將每個全步進分成多個等距的微步進來實現，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
微步進的實現依賴于向電機提供正弦波形，如圖8所示。電機驅動器利用電流調節將這些正弦波精確傳送到每個電機線圈。然而，我們無法產生完美的正弦波。正弦波的質量，以及基于此的微步進質量，受限于步進驅動器的模數轉換器(ADC)和數模轉換器(DAC)的分辨率。ADI Trinamic的每款步進電機驅動器均配備至少8位的ADC和DAC，每個全步進最多可實現256個微步進。混合式步進電機通常每轉有200個全步進，因此使用256個微步可實現每轉最多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勢，但也面臨兩個關鍵挑戰：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構公差、電機負載以及驅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時，使其離開當前位置所需的扭矩量。使用全步進時，磁轉子與電機線圈精準對齊，產生最大保持扭矩，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：全步進保持轉矩，單位為牛頓·米(N·m)
?SDR：分步比或以下最簡分數的分母：
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，但旋轉扭矩基本不受影響。當電機旋轉時，增量扭矩減小的影響不會表現出來。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，要實現高質量的打印效果，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。這帶來了許多優點，包括振動更小、效率更高、運動更平穩。機械振動會消耗能量，還會給某些應用中（如數控銑床）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相關的成本和能源浪費。
目前，其應用范圍較廣泛，涵蓋了醫療研究設備、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的步進電機產品具備多種特性，能夠幫助用戶實現微步進控制。該系列的所有產品均支持高達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勢。
ADI Trinamic產品系列提供了完整、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的步進驅動器的能力。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。這會產生一個內部256微步進STEP信號來驅動電機。盡管輸入的是低分辨率步進信號，但卻能平穩地輸出256微步進。因此，ADI Trinamic步進電機驅動器非常適合用來直接替換現有應用中的同類產品。
例如，設計人員可能希望升級16微步進驅動器和系統，實現更平穩的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(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10 RPS的轉速。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驅動器，這樣就能繼續使用32 kHz STEP信號。ADI Trinamic驅動器可以對STEP信號進行插值處理，從而實現256微步進的高分辨率運動控制，如圖9所示。
TMC2240（36 V、2 A rms+智能集成步進驅動器，帶有S/D和SPI）與TMC5240（36 V、2 A rms+智能集成步進驅動器和控制器）
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。這些驅動器IC結合了基于256微步進的先進步進電機驅動器、內置索引器，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，能夠實現平穩、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實現最低噪聲運行，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，超越了傳統電機驅動器，簡化了系統架構。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，從而實現經濟高效的解決方案。其中還內置電流檢測功能，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。
這兩款產品均可用于醫療器械、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動器）與TMC5160（雙極步進電機高壓驅動器和運動控制器）
TMC2160和TMC5160是高功率、兩相步進電機驅動器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，以進一步優化驅動器性能。TMC5160是一款集成運動控制器的cDriver IC，采用了SixPoint?斜坡技術，不僅能夠實現更快速的定位，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以及高壓工業系統等廣泛應用。
這兩款產品均可用于醫療、紡織、機器人、工業驅動、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動器。除了CoolStep、StealthChop2、StallGuard4和SpreadCycle特性之外，該驅動器還支持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。該驅動器使用兩節AA電池或一節鋰離子電池，最低放電電壓為2.0 V。
TMC2300驅動器采用小型3 mm × 3 mm封裝，能夠提供高電機電流，適用于物聯網、手持設備、電池供電設備和移動醫療器械。
結論
微步進在各種步進電機應用中都展現出諸多優勢。結合微步進技術與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的所有步進電機產品均支持256微步進，因此對現有系統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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