步進電動機微步驅動技術進展研究

廖 駒，馬文超

(中科芯集成電路有限公司，無錫 214072)

0 引 言

電機在控制及自動化領域的應用越來越廣泛，是現代化工業建設中的關鍵部件[1]。步進電動機已經成為繼交流電機、直流電機之后第三大電機機種[2]。步進電動機是一種將電脈沖信號轉換為角位移的執行機構，當驅動電路接收到一個電脈沖，步進電動機按控制的方向轉動一個固定的步進角度，通過控制脈沖的個數來控制角位移量達到精確定位，控制脈沖頻率來控制轉動的速度和加速度從而調速[3]。步進電動機具有反應速度快、無積累誤差、定位精度高的優點，其中混合式步進電動機由于體積小、噪聲低、振動小的特點，逐漸發展為步進電動機中應用最廣泛的一種。

步進角度是步進電動機的一個關鍵參數，影響電機轉動的平穩性，應用最廣泛的二相混合式步進電動機的步進角可以達到0.9°，五相混合式步進電動機的步進角可以達到0.36°，步進角更小則帶來成本增加和工藝難度的提高。若僅以步進電動機自身步進角轉動，則會帶來控制分辨率低、噪聲和振動等問題，因此如何更好地控制步進電動機和步進電動機本體設計同樣重要。不同于其他電機可以通過直流電或者交流電直接驅動，步進電動機是通過脈沖信號改變內部勵磁繞組中的電流實現轉動，控制其轉動必須使用與其匹配的驅動電路系統[4-5]，驅動系統的配置和技術優劣，直接決定了步進電動機工作狀態的好壞。

步進電動機驅動技術經過幾十年的研究發展，由單電壓驅動電路逐步發展到現在廣泛使用的細分驅動技術。細分驅動技術是建立在步進電動機的各相繞組理想對稱和矩角特性嚴格正弦的基礎之上的，將原本的一個通電狀態分為若干個細分的狀態，通過控制電機每一相繞組上的電流大小，使得每一時刻電機定子繞組產生的磁場都是圓形旋轉磁場，從而在每次改變繞組電流時，轉子轉過的角度都是步進電動機自身步進角的 1/N倍[6-7]。細分驅動技術較大程度上提高了步進電動機轉動的平穩性，提高了控制角度分辨率，有效地減輕了轉動中可能出現的振蕩，具有較高的穩定性，一些前沿的驅動芯片可以將步進電動機自身步進角進行256細分[8]，實現了步進電動機的微步驅動。

本文從混合式步進電動機微步原理展開，對步進電動機在微步驅動過程中的關鍵問題和微步驅動技術的典型方案進行綜述，為其在更高性能和高集成度的系統應用中提供參考。

1 混合式步進電動機及微步原理

步進電動機在幾十年的發展中結構和性能有了很大的優化和提升，從反應式到永磁式，再到的混合式，雖然前兩種在一些特定領域還在應用，但是混合式步進電動機以其分辨率高、效率高、噪聲小、運行平穩的優勢成為目前最為流行步進電動機類型。下面以應用量最廣泛的8極轉子50齒的二相混合式步進電動機為研究對象，對其工作原理進行簡介。

二相混合式步進電動機主要由定子繞組和帶磁性轉子組成，如圖1所示。其中轉子由3部分組成：杯型轉子1、杯型轉子2和永久磁芯，2個杯型轉子分別固定于磁芯兩端，由于磁化作用，其中一個極化為N極(記作轉子1)，另一個則極化為是S極(記作轉子2)，每個轉子的外周有50個小齒，并且相互錯開半個齒間距。

圖1 混合式步進電動機結構

圖2 定子和S極轉子截面圖

圖3 微步驅動正余弦電流

2 微步驅動系統及關鍵問題

步進電動機精確穩定的微步驅動需要搭配良好的驅動系統，微步驅動系統的框圖如圖4所示。用戶接口根據不同的應用環境提供一個交互界面，可以是計算機上面的一個工業控制軟件，或者是傳輸臺上的一個搖桿，或者是后臺服務器上可識別的一組指令。通過各種總線如串口、CAN、以太網等，用戶接口將步進電動機負載需要移動的速度、位置或坐標等信息傳輸給控制單元，控制單元將這些信息轉換成微步的使能、方向、細分數、步進數和頻率等控制信號，并接收HOME位置、錯誤指示信號以調節輸出的微步控制信號，實現步進電動機的加速、勻速、減速驅動過程。

圖4 微步驅動系統

微步控制邏輯、D/A轉換器、比較器、H橋驅動、電流采樣等模塊相互配合完成步進電動機轉動的最后驅動，根據控制信號將步進電動機的各相按特定的順序通電激勵。控制邏輯依照細分設置按序將正余弦電流查找表中的電流值(數字量)輸出到D/A轉換器[11]，并按照參考電壓基準轉化為對應相電流的電壓值，通過比較器將此電壓與電流采樣電路轉化的實際相電流的電壓值比較。如果實際相電流小于需要驅動的相電流，控制邏輯根據比較結果通過柵極驅動器控制H橋驅動繼續導通；若實際相電流達到需要驅動的相電流閾值，則控制H橋進入電流衰減狀態，經過一定衰減周期地減小相電流后，再次控制H橋驅動進入導通狀態增加相電流。如此循環使得步進電動機的相電流穩定在所需值，并且根據脈沖信號按正余弦電流變化，兩組相同模塊分別控制步進電動機相A和相B電流相差π/2周期。

微步驅動過程中的正余弦電流控制、電流衰減控制、加減速控制是實現步進電動機微步驅動系統中的關鍵問題。正余弦電流的擬合度和細分程度決定了微步角度的大小。將相電流最大值和最小值分成若干個階梯值，相A電流按正弦階梯波變化時，對應相B按余弦階梯波變化，滿足相A和相B電流矢量和在每一時刻相等。按正余弦階梯變化的相電流在步進電動機內產生微步的合成磁場矢量，使得電機輸出轉矩保持一致，π/2周期內的階梯數對應著微步的細分數，如8階梯的正余弦電流可將1.8°的二相步進電動機進行8細分，即微步角度為1.8°/8 = 0.225o。實際應用系統中每個階梯值并不是實時生成，而是將細分電流的百分比值放在存儲器中，形成查找表，配合參考電壓的設置和D/A轉換器實現對應相電流的電壓值階梯變化，其中D/A轉換器的分辨率在實現高細分數中起著關鍵作用，高細分時參考電壓在相電流接近0的非線性補償也同樣重要。

電流衰減控制的好壞直接影響微步的平穩性，由于步進電動機相線圈的電感特性，在H橋對角高低MOSFET驅動相電流到達閾值關閉后，需要提供電流衰減的安全流動路徑，否則可能造成H橋或電機損壞。電流衰減可以由MOSFET的二極管或者并聯續流二極管提供，更為高效的方法是按照特定順序開關MOSFET來實現，打開非驅動的相反對角MOSFET實現快衰減，只打開低側2個MOSFET或高側2個MOSFET實現慢衰減，特別要控制在2個驅動MOSFET關閉后的死區時間，防止4個MOSFET同時開啟。慢衰減的損耗更小，具有較小的紋波，但是需要更長的步進響應時間，不能適應高速和低電流的情況。快衰減的響應更快，但是紋波更大，會有過沖，損耗也更大。實際應用中較常采用快慢衰減結合的混合衰減模式，根據電機工作電壓、相電流大小、微步角度、線圈電阻、電感等因素在可接受的紋波和響應特性中取舍，這個調優過程通常比較耗時。較為先進的方案可以實現微步的智能調優自適應衰減，能夠跟蹤步進電動機工作狀態和負載各因素差異來調整衰減，獲得更好的電流調節和微步性能，快速完成驅動系統調試。

加減速控制是由于步進電動機起停固有特性必須處理的，由于慣性和摩擦力矩影響，步進電動機起動時若驅動頻率過大，會導致堵轉或丟步；而在高轉速時突然停止，會因為轉軸慣性導致步進過沖[12]。雖然微步驅動系統使用了相電流反饋控制，但是步進電動機轉動仍然是開環狀態，丟步和過沖引入無用的步進誤差無法及時消除，最終影響系統轉軸的定位準確性，因此確保脈沖數與步進數同步至關重要[13]。通過步進電動機的速率轉矩曲線可以獲取在某一轉矩下最大起動/停止速率FS，實際應用中控制單元通過加速、勻速、減速過程能夠控制步進電動機在起動和停止時滿足FS的限制，大部分情況下此過程通過兩個定時器配合得以實現，但是在有速度要求，即在較短時間內完成較多步進數情況下，加速、勻速、減速各階段所占比例，加、減速的加速度斜率需要綜合考量和調優。

3 微步驅動技術典型方案

根據微步驅動系統中各模塊的集成度和關鍵問題處理情況，下面對一些典型的技術實現方案進行對比討論。

3.1 嵌入式處理器方案

嵌入式處理器飛速發展，如微控制器、FPGA、DSP等，將控制單元和微步控制邏輯的功能在嵌入式處理器內通過算法實現，外圍硬件搭配分立的D/A轉換器、比較器、柵極驅動器和MOSFET組成的H橋等。此方案適用在微步技術發展早期，需要開發人員熟悉微步驅動系統的原理，設計完善的正余弦電流控制算法以適用高細分情形，調優電流衰減模式以達到良好的微步平穩性，考量合適的加減速曲線以實現無誤差地驅動電機轉動。另外，各器件的PCB布局布線也需要良好的設計，減小環路電感，降低引入的噪聲、振鈴等，以降低軟件調優的難度。

以嵌入式處理器為核心的微步驅動技術雖然系統相對復雜、調優費時，但是開發人員的投入為正余弦電流控制、加減速曲線等算法的發展積累了大量經驗，也為后續集成芯片驅動方案提供了基礎。對于有一定積累的設計者，可以方便地調整分立器件選型和少量軟件修改，較低成本地完成對新步進電動機的適配驅動。對于步進電動機驅動系統理論研究者，此方案也更利于發現和解決微步驅動過程中的細節問題。

3.2 基本集成芯片方案

隨著微步驅動技術的發展，專用集成化芯片的驅動方案被提出并得到了快速發展，以TI、Trinamic、Allegro、MPS等為代表的廠商提供了多種微步驅動集成芯片，為開發人員提供了快速、高能效、小型化的解決方案。對于驅動電流小于3 A，MOSFET組成的H橋可以完全集成在單個芯片內完成驅動，如DRV8434、A5977等型號。對于電流大于3 A，在當前技術條件下仍需要配合外部H橋完成驅動，如TMC262C、DRV8711等型號。根據集成功能的復雜程度提供不同接口類型的芯片方案，如圖5所示。

圖5 基本集成芯片3種方案

1)并聯控制接口型

此類型將D/A轉換器、比較器和H橋/柵極驅動器集成在芯片內，控制接口提供4個PWM控制輸入口或一些配置接口，如參考電壓、電流檢測、衰減模式等，微步的正余弦電流控制和加減速曲線仍需要在嵌入式處理器內完成。僅通過4個PWM控制引腳可實現半步長驅動，對于帶參考電壓引腳的型號，可以通過對其參考電壓調制配合完成更大細分數的微步驅動[14]，如DRV8843、L6258等型號。通過4個PWM控制引腳可實現快慢電流衰減，或者通過電流檢測引腳設置提供內置的固定時間慢衰減，如MP6509、DRV8833C等型號，較新的一些型號可以通過衰減模式引腳配置快、慢混合或者智能自適應衰減，如DRV8425等型號。

2)步進數(STEP)/方向(DIR)控制接口型

此方案在并聯控制接口型的基礎上將正余弦電流控制的分度器集成在芯片內，通過配置接口完成細分數的設置，最高可進行256細分，再通過步進數和方向引腳即可完成微步驅動，如DRV8424、STSPIN820、MP6500等型號。步進數引腳只需要通過PWM的脈沖數控制步進電動機需要轉動的步進總數，通過PWM的頻率控制步進電動機需要轉動速度，方向引腳決定轉動方向。正余弦電流控制的集成大大減輕了微步處理對嵌入式處理器性能的需求，而且步進數接口也更加有利于加減速曲線的調優。

3)串行控制接口型

此方案在步進數控制接口型的基礎上將控制寄存器和串行接口SPI/UART等集成在芯片內，通過串行接口完成微步驅動的細分數、電流衰減模式、最大電流、關斷時間等的配置，以及步進數和方向的控制，如DRV8434S、TMC2226、A4993等型號。得益于串行接口的優勢，可配置的功能和監控的信息更加豐富，同時減少了配置引腳的需求數，使得單個嵌入式處理器可以控制更多的微步驅動芯片，簡化了多個步進電動機控制系統的復雜性，控制軟件在對不同電機協調操作時更加便捷。

3.3 全功能集成芯片方案

基本集成芯片方案已經將微步驅動需要正余弦電流控制、智能自適應衰減集成，但是加減速曲線的控制仍占用嵌入式處理器資源，需要軟件算法調優。部分廠商已經可以提供全功能集成芯片的方案，如AMT49700、L6480、TMC5130A等型號，將控制加減速曲線的斜率發生器集成在芯片內，通過串行接口設置微步起動速率、加速斜率、運行速率、減速斜率、停止速率以及微步的總步數、方向，就可以簡潔地驅動步進電動機轉動。采用此方案的驅動系統，設計人員將起動、停止速率等參數和細分數、電流衰減模式等在初始化時配置一次，通過對總步數、方向寄存器的操作來控制步進電動機，將步進電動機微步驅動的關鍵問題抽離，可以把嵌入式處理器資源更加專注在系統協同方面，加快了整個系統的調試進度。

其他全功能集成芯片，如TMC5031在單芯片內集成了兩路步進電動機驅動電路，通過一個SPI接口可以方便地完成2個步進電動機的驅動，非常適用雙軸控制系統應用。TMC5160系列特別加入了編碼器接口，可以應用在對步進電動機閉環控制的情況，同時還加入溫度檢測、短路保護、欠壓檢測等功能，為設計人員在步進電動機微步驅動系統設計中提供更加經濟高效的解決方案。

4 結 語

步進電動機微步驅動技術在多年的發展中，圍繞正余弦電流控制、電流衰減控制、加速、減速控制等關鍵問題的處理，形成了多種解決方案，其中集成芯片方案以其高效、高性能、小尺寸、經濟的特點在應用中逐步廣泛，按功能集成度形成了豐富的產品種類。在解決關鍵問題的基礎上更完善的診斷、監控、保護功能也在不斷加入，為步進電動機的微步驅動提供更加全面的解決方案。對于控制精度和響應能力要求更高的領域，采用閉環控制的微步系統可獲得更高性能，同時比伺服電機系統更具性價比，個別芯片已經將編碼器接口進行集成，后續會有更多集成芯片方案出現，為步進電動機閉環控制的微步驅動技術的廣泛應用提供基礎。