【导读】在精密运动控制应用中，步进电机的微步进技术能够显著提升运动平滑度与定位精度。要充分发挥其性能，工程师需清晰掌握全步、半步与微步等驱动模式的原理与区别。本文系统解析微步进的工作机制与技术优势，为实际应用提供实用参考。
摘要
在精密运动控制应用中，步进电机的微步进技术能够显著提升运动平滑度与定位精度。要充分发挥其性能，工程师需清晰掌握全步、半步与微步等驱动模式的原理与区别。本文系统解析微步进的工作机制与技术优势，为实际应用提供实用参考。
简介
步进电机准确度高且控制方案相对简单，因此广泛应用于工业、医疗和三轴定位系统应用，例如3D打印机和计算机数控(CNC)机器。虽然交流电机和无刷直流电机都能实现高准确度，但步进电机除了高准确度优势之外，还能在开环控制模式下运行，并能在低速时提供高扭矩输出。此外，相较于伺服电机，步进电机通常更具性价比且更简单。与有刷直流电机不同，步进电机能够在高扭矩下保持位置稳定。
微步进让电机以较小的增量移动，因此电机每转的离散定位点数量显著增加，电机噪声和振动相应地降低，是非常实用的步进电机控制方式。ADI公司的Trinamic运动控制技术包含步进电机驱动器IC、板级模块和完整的解决方案，能够实现高达256微步进的步进电机操作。
步进电机基础知识
电机结构
步进电机，常常又称为步进器，由磁转子和定子线圈组成。混合式两相步进电机的转子有两个磁杯，每个磁杯通常有50个齿，如图1所示。这些磁体的磁性相反，且位置相互错开。定子由两组线圈组成，这些线圈围绕中心转子分布在多个位置。按顺序给每相通电，电机就会旋转。
图1.混合式步进电机结构。(a) 8极定子。(b)永磁转子。
工作原理
步进电机通过将一整圈旋转分割成等距的步进来实现离散运动。例如，若一台步进电机每转拥有200个离散位置，则其步进角为1.8°。步进角等于360°除以全步进数。
如图2所示，当电流通过电机线圈时，会产生一个磁场；该磁场会吸引或排斥永磁转子，从而驱动转子旋转，直至与磁场对齐。为了保持电机持续旋转，每个线圈必须交替通电，以确保磁场始终领先于转子位置。
图2.混合式步进电机操作。
全步进和半步进
为了更好地理解步进电机的步进行为，我们来分析一个简化的两相步进电机模型。该模型有一个磁极对，如图3所示。
图3.带有永磁转子的简化两相步进电机。
全步进模式
在全步进模式下，驱动器使用正电流或负电流为两个线圈通电。两相同时通电，以实现最大扭矩。切换线圈中电流的方向，会导致线圈绕轴旋转。切换模式（也称为换相）通常遵循图4所示的周期序列。
图4.两相步进电机的全步进模式。
全步进能够实现精确的步进、速度控制和高保持扭矩。此外，当电机高速运行时，全步进可以大大地提高电机的扭矩输出。然而，全步进可能导致振动过大并产生较大噪声，如图5所示。这种振动和噪声主要归因于电机位置的大幅跳变，这使得电机在到达目标位置时容易过冲，从而在特定速度下引发高共振现象并降低输出扭矩。
图5.全步进过冲和振铃。
拥有单个磁极对的简化电机采用全步进换相时，每转可以实现4个离散位置。若将这一概念扩展到拥有50个磁极对的电机，那么每转就能实现200个全步进。
通过该设置，当转子的齿与线圈的磁场对齐时，电机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、振动和噪声问题。如图6所示，通过采用其他电流状态可以减小步长。半步进模式将每个磁极对的转子位置数增加到8个，从而使位置分辨率加倍。电机驱动器通过单相和双相励磁的交替，实现半步进行为。半步进模式不仅提高了位置分辨率，还减少了振动。低速时旋转扭矩略有增加，但在新的半步进位置，电机的保持扭矩会减小。这通常被称为“增量扭矩”。
图6.两相步进电机的半步进模式。
尽管半步进模式带来了诸多改进，但仍存在一些问题。电机仍会发生较大的位置跳变，这意味着电机的旋转并非完全平稳。此问题在低速时尤其明显，这也是我们需要微步进的重要原因。
微步进
什么是微步进？
微步进是一种控制步进电机的方法，能够让电机旋转到全步进之间的多个中间位置。它通常用于实现更高的位置分辨率和更平稳的低速旋转。微步进通过将每个全步进分成多个等距的微步进来实现，如图7所示。提高微步分辨率可以减小步进距离，从而降低位置过冲和振铃，进而改善振动和噪声。
图7.微步进时通过每个线圈的电流。
图8.不同步进模式下电流波形和位置过冲/振铃的比较。
微步进工作原理
微步进的实现依赖于向电机提供正弦波形，如图8所示。电机驱动器利用电流调节将这些正弦波精确传送到每个电机线圈。然而，我们无法产生完美的正弦波。正弦波的质量，以及基于此的微步进质量，受限于步进驱动器的模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)的分辨率。ADI Trinamic的每款步进电机驱动器均配备至少8位的ADC和DAC，每个全步进最多可实现256个微步进。混合式步进电机通常每转有200个全步进，因此使用256个微步可实现每转最多51,200个离散位置。步进分辨率为0.00703125°，相当惊人。
关键考虑因素：位置准确度和增量扭矩
尽管微步进技术具有诸多优势，但也面临两个关键挑战：位置准确度和增量扭矩。
位置准确度是指电机的实际位置与目标位置之间的误差。微步进虽然能够通过增加离散位置数量提高位置分辨率，但并不能提高位置准确度。电机的准确度仍然取决于结构公差、电机负载以及驱动器向电机线圈准确提供所需电流水平的能力。无论是全步进还是微步进，这些限制因素都会影响电机的准确度。
增量扭矩是指当电机处于静止状态时，使其离开当前位置所需的扭矩量。使用全步进时，磁转子与电机线圈精准对齐，产生最大保持扭矩，此扭矩等于电机的额定保持扭矩。然而，当使用微步进时，增量扭矩会依据电机所处的微步进位置而相应地减小。
增量扭矩可利用公式4来近似计算：
其中：
•TINC：增量扭矩，单位为牛顿·米(N·m)
•THOLD：全步进保持转矩，单位为牛顿·米(N·m)
•SDR：分步比或以下最简分数的分母：
可以通过几个例子来仔细说明这一定义。假设一个电机使用256个微步进，停止在一个半步进位置。
SDR就是该最简分数的分母；因此，SDR为2。增量扭矩减小至电机保持扭矩的70.709%。
再举一个例子，当电机停止在7/256微步位置时：
因此，SDR为256，增量扭矩下降至电机保持扭矩的0.61%。
表1总结了SDR与增量扭矩之间的关系。
表1.增量扭矩
需要注意的是，虽然增量扭矩会降低电机在微步进位置的保持扭矩，但旋转扭矩基本不受影响。当电机旋转时，增量扭矩减小的影响不会表现出来。在实际应用中，如果需要高保持扭矩，用户应尽量将电机停在全步进或半步进位置。
常见微步进应用
许多使用步进电机的应用都可以从微步进技术获益。例如，在3D打印中，要实现高质量的打印效果，必须确保高位置分辨率并将振动降至最低。医疗成像和手术机器人需要安静的操作和精准的定位，进而可以确保患者感到舒适和安全。微步进技术可以满足这些要求。
此外，由于微步进的步长较小，位置过冲也显著减小。这带来了许多优点，包括振动更小、效率更高、运动更平稳。机械振动会消耗能量，还会给某些应用中（如数控铣床）造成额外的磨损并影响可靠性。通过减少机械振动和噪声，微步进技术还能减少与操作电机控制系统相关的成本和能源浪费。
目前，其应用范围较广泛，涵盖了医疗研究设备、阀门控制、气泵、闭路电视、机器人和工厂自动化等领域。
ADI Trinamic解决方案
ADI Trinamic的步进电机产品具备多种特性，能够帮助用户实现微步进控制。该系列的所有产品均支持高达256个微步进的分辨率。
此外，有些ADI Trinamic器件还具备MicroPlyer™技术，这是一种创新型微步进插值技术，旨在让老旧应用也能轻松享受微步进的高分辨率优势。
ADI Trinamic产品系列提供了完整、高效且小巧的解决方案，能够满足各种空间和性能需求。这些器件有助于降低步进电机应用的复杂性，并缩短上市时间。
MicroPlyer微步进插值器
256微步进的分辨率可能超出了某些制造商生产的步进驱动器的能力。幸运的是，ADI Trinamic的MicroPlyer技术支持将较低步进分辨率系统升级到256微步进，而无需修改运动控制逻辑。
MicroPlyer的工作原理是在步进脉冲之间加入额外的电流步进，同时精准控制位置和速度。该技术会测量前一步进周期的时间长度并将其分成若干相等部分，从而在步进脉冲之间进行时间插值。这会产生一个内部256微步进STEP信号来驱动电机。尽管输入的是低分辨率步进信号，但却能平稳地输出256微步进。因此，ADI Trinamic步进电机驱动器非常适合用来直接替换现有应用中的同类产品。
例如，设计人员可能希望升级16微步进驱动器和系统，实现更平稳的256微步进运动。如果使用步进角为1.8°的电机，期望速度为每秒10转(RPS)，那么使用16微步进时，输入STEP信号须为32 kHz。通常，对于支持256微步进的200全步进电机，需要512 kHz的信号频率才能实现10 RPS的转速。对于某些主机控制器或MCU来说，此频率可能过高。在这种情况下，设计人员可以采用支持MicroPlyer的ADI Trinamic驱动器，这样就能继续使用32 kHz STEP信号。ADI Trinamic驱动器可以对STEP信号进行插值处理，从而实现256微步进的高分辨率运动控制，如图9所示。
TMC2240（36 V、2 A rms+智能集成步进驱动器，带有S/D和SPI）与TMC5240（36 V、2 A rms+智能集成步进驱动器和控制器）
ADI公司的TMC2240和TMC5240是智能、高性能、两相步进电机驱动器IC，具有串行通信接口（SPI、UART）、丰富的诊断功能以及采用MicroPlyer技术的微步进插值特性。这些驱动器IC结合了基于256微步进的先进步进电机驱动器、内置索引器，以及两个完全集成的36 V、3.0 AMAX H桥，并具备无损耗式集成电流检测(ICS)功能。TMC2240和TMC5240凭借出色的运动和电流控制能力，能够实现平稳、安静的步进电机运动。这两款器件还具备全套ADI Trinamic特性，包括提高能效的CoolStep™、无传感器负载和失速检测(StallGuard2™/StallGuard4™)、低噪声运行(StealthChop2)和降低纹波的电流控制(SpreadCycle™)。SpreadCycle和StealthChop2斩波模式支持在非常宽的速度范围内实现最低噪声运行，可以在SpreadCycle和StealthChop2之间自动切换。ADI Trinamic的先进StealthChop2斩波可确保无噪声运行，同时提供出色的效率和电机扭矩。TMC5240是一款cDriver™ IC，通过集成运动控制器，超越了传统电机驱动器，简化了系统架构。其中集成的8点运动斜坡允许用户设置期望的位置和运动曲线，从而尽量减少抖动，并分担必要的计算工作，减轻主机控制器的负担。
这些产品拥有诊断和保护功能，例如短路或过流保护、热关断和欠压保护(UVLO)。在热关断和UVLO事件期间，驱动器会被禁用，以防止器件受损。此外，这些器件还支持测量一个外部模拟输入、评估驱动器温度和估算电机温度的功能。
高集成度、高能效和小尺寸有利于打造小型化的可扩展系统，从而实现经济高效的解决方案。其中还内置电流检测功能，因而无需庞大的外部电流检测电阻。完整的解决方案不仅性能出色，而且还大大降低了学习难度。
图9.MicroPlyer微步进插值器的简化示例，支持从全步进到16微步进的插值。
这两款产品均可用于医疗器械、实验室和工厂自动化、闭路电视、安防、3D打印机等领域。
TMC2160（双极步进电机高压驱动器）与TMC5160（双极步进电机高压驱动器和运动控制器）
TMC2160和TMC5160是高功率、两相步进电机驱动器IC，配备串行通信接口（STEP/DIR、SPI、UART），支持256微步进分辨率，并采用MicroPlyer技术实现微步进插值。这些IC集成了ADI Trinamic的多种先进功能，包括CoolStep、StealthChop2、StallGuard2和SpreadCycle，以进一步优化驱动器性能。TMC5160是一款集成运动控制器的cDriver IC，采用了SixPoint™斜坡技术，不仅能够实现更快速的定位，还能有效缓解梯形斜坡引起的共振问题。
这些IC没有集成FET，用户可以灵活地选择FET来适应大电流和/或高电压应用场景。这种多功能性使其适用于电池供电系统以及高压工业系统等广泛应用。
这两款产品均可用于医疗、纺织、机器人、工业驱动、闭路电视、安防、工厂自动化等领域。
TMC2300（两相步进电机低压驱动器）
TMC2300是一款用于两相电池供电步进电机的低压步进电机驱动器。除了CoolStep、StealthChop2、StallGuard4和SpreadCycle特性之外，该驱动器还支持256微步进分辨率。StealthChop2能够为便携式、家庭和办公应用带来安静的运动控制体验。TMC2300采用STEP/DIR接口，支持高达256微步进，可通过可选的UART接口可进行高级配置。高效率功率级和0.03 µA的微小待机电流，有助于延长电池寿命。该驱动器使用两节AA电池或一节锂离子电池，最低放电电压为2.0 V。
TMC2300驱动器采用小型3 mm × 3 mm封装，能够提供高电机电流，适用于物联网、手持设备、电池供电设备和移动医疗器械。
结论
微步进在各种步进电机应用中都展现出诸多优势。结合微步进技术与ADI Trinamic解决方案，可以有效满足高效率、精准定位和极低噪声应用的要求。ADI Trinamic的所有步进电机产品均支持256微步进，因此对现有系统进行微步进升级变得十分简便。
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，应用工程师Tea Tran，应用工程师）
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