2020年10月30日 | 步进电机的“凌波微步”，是如何炼成的？

自从第二次工业革命将人类带入电气化时代之后，我们这个世界的“运转”在很大程度上都是电机驱动的。作为一种将电能转化成机械能的执行元件，无论是在工业领域的大型装备还是我们身边的小型化电子产品中，都可见电机的身影，其应用的广泛性可见一斑。

根据工作的原理，电机通常被划分为有刷直流电机（BDC）、无刷直流电机（BLDC）、永磁同步电机（PMSM）、交流感应电机（ACIM）、开关磁阻电机（SRM）和步进电机（Stepper）等。它们各具特点，在长期的市场打拼中也都找到了自己最擅长的应用领域，今天我们就着重来谈谈其中的步进电机。

步进电机的机遇与挑战
与其他类型的电机相比，步进电机的工作方式比较特别，它是通过电脉冲信号控制角位移或线位移，给电机加一个脉冲信号，电机就会转过一个步距角，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。这种脉冲信号与转动／移动位置之间的线性关系，使得人们可以通过控制脉冲宽度、占空比或输入脉冲周期来对电机的运动进行精确的管理。而且步进电机只有周期性的误差而无累积误差，这使得其在需要高精度角运动的数字控制系统中，如鱼得水、应用广泛。

根据中国工控网的分析，在最近三年中，中国的步进电机市场保持着 10%左右的稳定增长，2020 年的总体规模将达到 11 亿元左右。除了传统的工业应用之外，步进电机在一些新兴领域的渗透尤为引人注目。

比如方兴未艾的 3D 打印机，要想精准地控制打印头的“走位”，使其能够按照设计要求将打印材料在 3D 空间堆叠成我们想要的样貌，高精度的步进电机就是不可或缺的部件。

还有在手机领域，如今为了实现完美的全面屏，很多旗舰型手机采用了升降摄像头的解决方案，平时将摄像头模组藏在机身内部，需要的时候通过一个步进电机驱动将其抬升起来，用完了再降回到原先的位置。这样的步进系统不仅要满足运动精确性的要求，还要受到手机产品本身在可靠性、体积、成本、功耗等多方面的约束。

由此可见，今天的步进电机系统在获得新的发展机遇的同时，面临的技术挑战也确实不小。

步进电机控制的新“境界”
有效应对这些技术挑战，除了步进电机自身的品质与能力之外，很重要的一环就在于电机驱动。通俗地讲，一个步进系统中电机驱动器的作用，就是将脉冲控制信号“翻译”为步进电机明白的指令，并据此提供电机运行所需的功率，驱动其完成“规定”的动作。这从原理上很好理解，可是要真正实现完美的电机驱动和控制，一定需要步进电机、驱动 IC、控制算法之间的默契配合。

这就像是帮助步进电机练就“凌波微步”这样的武功绝学，想要真正达到走位精妙、心身合一的境界，就需要电机驱动技术能够满足以下这些要求：

更高的分辨率：毋庸赘言，这是实现精准运动控制的基础，分辨率越高，步进电机步进角的位移也就更精细。

更高的效率：具统计，全球电力供应的 28%是被电机消耗掉的，随着步进电机应用的发展，其效率提升的每一个百分点，带来的节能总量都会相当可观。

更低的成本：步进电机想要渗透进更多应用领域，特别是消费级市场，这个能力必不可少。

更低的噪声和振动：这一优化，将是提升用户体验的一个关键特性。

更可靠和耐用：确保步进电机安全可靠工作的保护功能和防护措施不能少。

要想练就上面所述的这些“功力”，必须有一些“修炼”所需的“法门”，也就是实现高精度、高可靠步进电机驱动的解决方案。为此，不同的电机驱动 IC 厂商，都会有自己独特的技术“绝活儿”，下面我们就以 Toshiba 的步进电机驱动解决方案为例，一窥其中的奥妙。

步进电机驱动的技术“绝活儿“

首先，在提高步进电机的分辨率方面，Toshiba 提供了一种独特的“微步技术“。

步进电机的分辨率取决于其步距角，步距角越小，步进精度也就越高。步进电机的工作原理告诉我们，其在全步模式下工作时，步距角等于 360°除以总极数，电机的极数越多，步距角越小。但是受电机机械结构所限，极数的增加也是有限的，且会越来越难。为了提升电机的分辨率，人们在转换相位之间插入一个关闭状态而走“半步”，由此发展出了半步模式，使得步距角降至全步模式的 1/2，但与全步模式相比，半步模式进通常会导致 15%〜30%的力矩损失。

为了突破步进精度的限制，Toshiba 的微步模式（Micro-step mode）改变了传统的全步驱动的控制方式——即通过打开和关闭两个绕组的电流，以固定角度令其旋转——而是通过逐步改变两个绕组的电流比，以比基本步距角更精细的步距角旋转它们，由此可以实现 1/4、1/8、1/16、1/32、1/64 和 1/128 步的更为精细的运动控制。

图 1：Toshiba 的微步模式可以实现更高的步进精度
 

在降低步进系统功耗，提高效率方面，Toshiba 的“绝活儿“主要有两点：一方面是通过采用更先进的制造工艺，获得更低的导通电阻和超低待机电流；另一方面，就是优化驱动控制技术。

在这方面，最值得一提的是 Toshiba 原创的主动增益控制（AGC）技术。在驱动步进电机时，为确保所需电机扭矩具有足够的裕度，电机控制驱动 IC 通常提供大于最大负载时峰值电流的电机驱动电流，这就意味着额外的电流会一直持续流动，这也就导致了更大的功耗。
而 AGC 技术可以根据电机的负载条件自动调节电机驱动电流，最大限度减少不必要的电流消耗，从而大大减少电机驱动 IC 和电机产生的热量。与此同时，AGC 技术还可以在提供高电机控制效率的同时，防止电机失步，让更大的电流驱动成为可能。

图 2：步进电机驱动系统由于能量消耗产生的热量
采用 AGC 技术（右）明显低于传统的控制技术（左）
 

Toshiba 独有的另一个优化控制技术是高级动态混合衰减（ADMD）技术，该技术与传统的混合衰减模式相比，能够更紧密地跟踪输入电流，从而进一步强化了高转速条件下的高效电机控制。从图 3 中可以看出，电机高速运转时，传统的方式可能会发生失步（左），而 ADMD 则可以实现精准的微步控制（右）。

图 3：采用 ADMD 技术能够实现更紧密的输入电流跟踪
 

在优化步进电机控制系统的尺寸和成本方面，Toshiba 的高级电流检测系统（ACDS）技术可以给开发者带来很大的好处——该技术在提供高精度恒定电流以驱动电机的同时，无需使用外部电流感应电阻，这使得方案所需的外围元器件数量显著减少，电路板的尺寸和物料清单（BOM）成本也相应降低。

图 4：ACDS 技术显著减少了外围元件的数量
优化了 BOM 和电路板尺寸

此外，Toshiba 还开发了 SMD 电流衰减模式选择功能，可有效降低电机驱动期间所产生的噪声和振动。根据实际应用的需要，将上述这些技术“绝活儿“综合应用在电机驱动 IC 中，就可以为用户提供针对性的解决方案，帮助其实现“凌波微步”般精确步进控制。

步进电机驱动解决方案
TB67S128FTG 步进电机控制器就是这样一款很有代表性的电机驱动 IC。该方案是采用 PWM 斩波的 2 相双极步进电机驱动器，内置时钟并支持串行控制，可提供额定值为 50V／5A 的大电流驱动。在其优异性能的背后，我们可以发现不少上文提到的 Toshiba 的技术“绝活儿”。

基于微步模式，TB67S128FTG 可实现高达 1/128 步的高分辨率。

采用 BiCD 工艺集成式单片 IC，导通电阻低至 0.25Ω，减少发热量，可实现大电流驱动，支持更高的工作扭矩。

采用 AGC 技术避免电机失速并降低功耗。

集成 ADMD 技术，提高电流跟踪能力，进一步优化效率。实现安全高转速。

采用 ACDS 技术提高电流跟踪能力，减少了外围元件数，优化了 BOM。

具备电流衰减模式选择功能 SMD，有效降低电机驱动期间所产生的噪声和振动。

整合过热保护检测和过流保护，还集成有开路检测功能，确保设备的安全性和高可靠性。

这些特性优势，使得 TB67S128FTG 可以广泛应用于 3D 打印机、监控摄像头、电动执行机构、冰箱和空调、ATM 等银行终端、办公设备、游戏机等产品中。

图 5：TB67S128FTG 的框图

TC78H670FTG 是 Toshiba 今年推出的一款步进电机驱动 IC 新品，其内置双 H 桥，可以提供 2.5V 至 16V 驱动电源，支持最大 2A 的输出电流。它同样是一款采用 PWM 斩波器的 2 相双极步进电机驱动器，可以实现 1/128 步的高分辨率，采用 3mm× 3mm 的 QFN 紧凑封装。
由于采用了 Toshiba 最新的 DMOS 工艺，TC78H670FTG 可确保低导通电阻（0.48Ω @VM=12V）和超低待机电流（0.1μA），进而实现更高的效率。在我们已经熟悉了的 ACDS 高级电流检测系统的加持下，TC78H670FTG 在占板面积和成本方面的优势也很明显。热关断、过流关断检测、电机负载开路、欠压锁定等安全保护功能也是一应俱全。

从上述的特性可以看出，TC78H670FTG 非常适合于 USB 供电、电池供电以及标准 9-12V 系统设备，在照相机、安全摄像头、便携式打印机、手持式扫描仪、微型投影仪和智能手机等产品中都可以找到施展拳脚的空间。

图 6：TC78H670FTG 的框图

在 TB67S128FTG 和 TC78H670FTG 的身上，我们能够很直接地体会到一颗优秀的步进电机驱动 IC 的过人素质；而围绕着步进控制系统建立的一系列优势技术，也令 Toshiba 形成了自己独有的体系化优势，可以根据市场的发展快速开发出相应的产品，提供丰富的步进电机驱动 IC 产品组合。这些产品自带的“武（优）功（势）绝（技）学（术）”，可以让步进电机修炼出“凌波微步”般的功夫，这可以让“修炼”的过程变得更轻松。

图 7：Toshiba 步进电机驱动 IC 产品一览