步進電動機在需要平穩(wěn)運動和高分辨率定位的精確應用中至關(guān)重要。認識到滿足，半步步和微替代控制之間的差異對于滿足這些要求至關(guān)重要。本文通過匯總微填充的基礎來縮小知識差距。

介紹

步進電動機廣泛用于工業(yè)，醫(yī)療和3軸定位系統(tǒng)應用程序，例如3D打印機和計算機數(shù)值控制(CNC)機器，因為它們的精確性和相對簡單的控制方案。盡管交流電動機和無刷直流電動機可以獲得高精度，但步進電動機在操作開放環(huán)控制和低速下具有高扭矩時具有高精度的額外優(yōu)勢。此外，步進電動機通常比伺服電動機更具成本效益，更復雜。與拉絲直流電動機不同，步進電動機可以用高扭矩保持位置。

通過允許電動機以較小的增量移動，微填充在步進電動機控制方面非常有用，從而導致每次革命的離散位置的數(shù)量顯著增加，并隨后減少電動機噪聲和振動。模擬設備的三位一體運動控制具有步進電動機驅(qū)動器IC，板級模塊和完整的解決方案，這些解決方案能夠以高達256 microSteps操作步進電動機。

步進運動基礎知識

汽車構(gòu)建

步進電動機(通常稱為步進)由磁性轉(zhuǎn)子和定子線圈組成?；旌?階段的步進器具有一個帶有兩個磁性杯的轉(zhuǎn)子，每個轉(zhuǎn)子通常具有50齒。這些磁體具有相反的磁性極性，并且物理上彼此相抵消。定子由兩根線圈組成，位于中央轉(zhuǎn)子周圍的多個位置。以序列為啟動的每個相都會導致電動機旋轉(zhuǎn)。

手術(shù)

步進電動機通過將完整旋轉(zhuǎn)分為等距步驟，以離散的步驟移動。例如，電動機每革命中有200個離散位置的步進電動機將具有1.8°的階躍角度。階躍角度來自將革命的360°除以完整步驟的數(shù)量。

當電流應用于電動機的線圈時，產(chǎn)生一個吸引或排斥永久磁鐵轉(zhuǎn)子的磁場，轉(zhuǎn)子將旋轉(zhuǎn)以與該磁場對齊。為了保持電動機旋轉(zhuǎn)，必須交替進行每個線圈，以使磁場保持在轉(zhuǎn)子前方。

全腳和半腳

為了更好地了解步進電動機的步進行為，我們將使用一個磁極對的簡化的2相步進運動模型評估。

全步模式

在完整的模式下，驅(qū)動程序用正電流或負電流為兩個線圈通電。這兩個階段均同時充滿電，可實現(xiàn)最大扭矩。通過線圈切換電流方向會導致軸旋轉(zhuǎn)。開關(guān)模式通常稱為換向，通常遵守圖相當?shù)闹芷谛蛄小?

FullStepping可以進行精確的步驟，速度控制和高固定扭矩。此外，在高速運行時，F(xiàn)ullStepping可以最大化電動機的扭矩輸出。但是，飽滿的振動和嘈雜的操作。這種振動和噪聲主要是由于位置跳躍，這會導致電動機超過其目標位置，從而導致特定速度和降低的施加扭矩產(chǎn)生高共振。

由于具有單個磁極對的簡化電動機使用全步換向可實現(xiàn)每次革命的四個離散位置，因此將此概念擴展到具有50磁極對的電動機，轉(zhuǎn)化為每革命的200個完整步驟。當轉(zhuǎn)子的牙齒與線圈的磁場對齊時，該設置使電動機可將電動機定向到特定位置。

半步模式

減少步驟的大小可改善位置過沖，振動和噪聲問題?？梢酝ㄟ^實現(xiàn)額外的電流狀態(tài)來實現(xiàn)階梯降低。半步模型將轉(zhuǎn)子位置的數(shù)量增加到每個磁極對的八個，從而導致位置分辨率增加一倍。電機驅(qū)動器在單相和雙相激發(fā)之間交替，以達到半步的行為。半步模型允許較高的位置分辨率，并減少振動。旋轉(zhuǎn)扭矩在低速下略有增加，但是在新的半步驟位置的電動機保持扭矩減少。這通常稱為增量扭矩。

盡管有這些改進，但半步模型并非沒有問題。電動機仍然可以使位置相對較大，這意味著電動機的旋轉(zhuǎn)并不完美。在低速下，問題尤其明顯，是微填充需求背后的驅(qū)動力。

微分

什么是微分?

微填充是一種控制步進電動機的方法，使電動機可以旋轉(zhuǎn)到完整步驟之間的多個中間位置。它通常用于實現(xiàn)更高的位置分辨率和低速旋轉(zhuǎn)。如圖7所示，這是通過將每個整個步驟分為等距的縮影來實現(xiàn)的。增加微孔分的分辨率導致較小的行進距離，從而減少了過沖和響起的位置，從而改善了振動和噪聲。

微分如何工作?

如圖8所示，通過向電動機提供正弦波形式來實現(xiàn)微填充。電機驅(qū)動器利用電流調(diào)節(jié)來精確地將這些正弦曲線傳遞到每個電動機線圈上。但是，不可能產(chǎn)生完美的正弦體。正弦波質(zhì)量，因此微填充的質(zhì)量受到步進驅(qū)動器的類似物到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)字到Analog(DACS)轉(zhuǎn)換器的分辨率的限制。 ADI Trinamic的每個步進電動機驅(qū)動程序中的每個驅(qū)動器至少都有8位ADC和DAC，每整步可啟用多達256個微桿。由于混合步進電動機通常每旋轉(zhuǎn)200個完整的步驟，因此使用256個微孔可允許每次革命最多51,200個離散位置。這導致令人印象深刻的步驟分辨率為0.00703125°。

主要考慮因素：位置準確性和遞增扭矩

微填充有很多好處，但它帶來了兩個關(guān)鍵挑戰(zhàn)：位置準確性和遞增扭矩。

位置精度是指電動機的實際位置與其指揮位置之間的誤差。盡管微填充以更離散的位置增加了位置分辨率，但并不能提高位置精度。電動機的準確性仍然是施工公差，電動機上的負載以及駕駛員準確地為電動機線圈提供所需電流水平的能力。這些限制因素會影響電動機的準確性，而不管飽滿或微替代。

增量扭矩定義為當電動機停滯時將電動機從位置拉出所需的扭矩量。當使用全速度時，磁轉(zhuǎn)子與電機線圈完全對齊，從而產(chǎn)生的最大保持扭矩等于電動機的指定固定扭矩。但是，當使用微填充時，根據(jù)保持電動機的微桿位置的遞減降低。

重要的是，盡管增量扭矩會降低可用的扭矩以將電動機保持在這些微桿位置，但旋轉(zhuǎn)扭矩在很大程度上不受影響。當電動機旋轉(zhuǎn)時，將看不到減少扭矩的效果。從實際的角度來看，如果需要高固定扭矩，用戶應嘗試在全步或半步的位置停止電動機。

常見的微填充應用

許多使用步進電動機的應用程序都可以從微填充中受益。例如，3D打印需要高位置分辨率和最小振動才能產(chǎn)生高質(zhì)量的印刷品。醫(yī)學成像和手術(shù)機器人需要安靜的操作和精確的定位，以確?；颊叩氖孢m性和安全性。微觀填充滿足了這些要求。

另外，由于步長較小，位置過時大大降低。這帶來了幾個優(yōu)點：振動降低，效率提高和運動更順暢。機械振動會消耗能量，在某些應用中，例如CNC銑床，引入了額外的磨損并損害了可靠性。通過減少機械振動和噪聲，微填充還減少了與操作電動機控制系統(tǒng)相關(guān)的成本和能量的廢物。

使用微臺化的其他應用包括醫(yī)學研究設備，閥門控制，氣泵，CCTV，機器人技術(shù)和工廠自動化。

ADI Trinamic解決方案

ADI Trinamic的步進運動產(chǎn)品提供了各種功能，可以幫助合并微填充。 MicroStepping(高達256個微桿)是ADI Trinamic的所有步進運動產(chǎn)品的標準配置。

此外，某些ADI Trinamic零件提供了MicroPlyer?技術(shù)，這是一種微型插值技術(shù)，旨在使較舊的應用程序輕松利用高的微孔分分辨率。

ADI Trinamic產(chǎn)品組合包括完整，高效和小型印刷解決方案，以支持任何空間和性能要求。這些零件可以幫助減少步進電機應用中的復雜性和時間。

微磷酸微孔插裝器

256個微桿的分辨率可能超出了一些制造商的步進驅(qū)動程序的能力。幸運的是，ADI Trinamic的微透析技術(shù)允許低步驟的分辨率系統(tǒng)升級到256個微桿，而無需修改運動控制邏輯。

MicroPlyer通過在保持位置和速度的同時合并步驟脈沖之間的其他當前步驟來起作用。單位通過測量上一步周期的時間間隔并將其分為相等的部分，從而在步驟脈沖之間插入時間。這會產(chǎn)生一個內(nèi)部256-Microstep步驟信號，該信號用于驅(qū)動電動機。盡管提供了低分辨率的臺階輸入，但結(jié)果是平滑的256微孔輸出。因此，ADI Trinamic步進電動機驅(qū)動器是用于現(xiàn)有應用的置換式替換的理想選擇。

例如，設計師可能希望升級16微孔驅(qū)動器和系統(tǒng)，以使用256個微桿菌實現(xiàn)更平滑的運動。如果所需的速度為1.8°步角電動機每秒10轉(zhuǎn)(RPS)，則使用16個微孔時，輸入步驟信號將需要為32 kHz。通常，具有256個微桿的200個全步電動機需要512 kHz信號頻率才能旋轉(zhuǎn)10 rps。對于某些主機控制器或MCU來說，這可能太高了。另外，設計人員可以掉入支持微散熱器并保持32 kHz步驟信號的ADI Trinamic驅(qū)動器中。如圖9所示，ADI Trinamic驅(qū)動程序?qū)⑻幚聿襟E信號的插值，以使用256個微桿來創(chuàng)建運動。

TMC2240 36 V，2 A RMS +智能集成的步進驅(qū)動程序，帶有S/D和SPI和TMC5240 36 V，2 A RMS +智能集成的步進驅(qū)動程序和控制器

ADI的TMC2240和TMC5240具有串行通信接口(SPI，UART)的智能，高性能，2階段步進電動機驅(qū)動器IC，具有微散熱器技術(shù)的微插值插值。這些驅(qū)動程序ICS基于256個微桿，一個內(nèi)置索引和兩個完全集成的36 V，3.0 Amax H-Bridges以及非隔離性集成電流傳感(ICS)，將高級步進運動驅(qū)動器組合在一起。 具有一流的運動和電流控制，TMC2240和TMC5240具有平滑和無聲的步進電機運動，具有完整的ADI三動力功能，提高功率效率冷卻步?，無傳感器負載和失速檢測(靜步2?/4?)，靜默操作(靜步2)和波紋減少電流控制(SpreadCycle?).everalcycle和StealthChop2斬波器模式可在各種速度下進行最小的噪聲操作，并在everalcycle和StealthChop2之間進行自動切換。 Adi Trinamic的精致StealthChop2 Chopper確保無噪聲操作與最大效率和最佳電動機扭矩相結(jié)合。 TMC5240是CDRIVER?IC，它通過集成運動控制器而超越了典型的電動機驅(qū)動程序，從而允許簡化的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。集成的8點運動坡道允許用戶對所需的位置和運動配置文件進行編程，從而最大程度地減少混蛋并從主機控制器中卸載必要的計算。TMC5240是CDRIVER?IC，它通過集成運動控制器而超越了典型的電動機驅(qū)動程序，從而允許簡化的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。集成的8點運動坡道允許用戶對所需的位置和運動配置文件進行編程，從而最大程度地減少混蛋并從主機控制器中卸載必要的計算。TMC5240是CDRIVER?IC，它通過集成運動控制器而超越了典型的電動機驅(qū)動程序，從而允許簡化的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。集成的8點運動坡道允許用戶對所需的位置和運動配置文件進行編程，從而最大程度地減少混蛋并從主機控制器中卸載必要的計算。

這些產(chǎn)品具有診斷和保護措施，例如短或過電流保護，熱關(guān)閉和欠壓鎖定(UVLO)。在熱關(guān)機和UVLO事件中，駕駛員被禁用以防止損壞發(fā)生。此外，這些設備提供了測量一個外部模擬輸入，評估駕駛員溫度并估算運動溫度的功能。

高集成，高能效和小型顏色構(gòu)成具有成本效益解決方案的微型和可擴展系統(tǒng)。內(nèi)部電流傳感消除了對笨重的外部電流態(tài)電阻的需求。完整的解決方案可提供一流的表現(xiàn)，并將學習曲線降至最低。

這兩種產(chǎn)品都可以用于醫(yī)療儀器，實驗室和工廠自動化，CCTV，Security和3D打印機等應用中。

TMC2160雙極步進電動機和TMC5160高壓驅(qū)動器高壓驅(qū)動器和雙極步進電動機的運動控制器

TMC2160和TMC5160是具有串行通信接口(步驟/DIR，SPI，UART)的高功率，2相步進電動機驅(qū)動器IC，256-微晶狀體分辨率和與微賴斯的微隔插入。這些IC利用各種ADI Trinamic功能，包括CoolStep，StealthChop2，StallGuard2和SpraverCycle來優(yōu)化駕駛員性能。 TMC5160是一個CDRIVER IC，具有集成運動控制器，具有Sixpoint?漸變，以更快的定位和梯形斜坡引起的緩解共振。

這些IC沒有集成的FET，可以通過選擇FET進行靈活性，以適應高電流和/或高壓。這種多功能性允許從電池動力系統(tǒng)到高壓工業(yè)應用的廣泛應用。

這兩種產(chǎn)品都可以用于醫(yī)療，紡織品，機器人技術(shù)和工業(yè)驅(qū)動器以及閉路電視，安全性和工廠自動化的應用中。

TMC2300 2階程步進電動機的低壓驅(qū)動器

TMC23 00是一個低壓步進電動機驅(qū)動器，可用于2相電池驅(qū)動的步進電動機。該驅(qū)動器除了Coolstep，StealthChop2，StallGuard4和SpreadCycle功能外，還包括256-微孔分的分辨率。 StealthChop2可實現(xiàn)對便攜式，家庭和辦公應用程序的無聲運動控制。 TMC2300使用可選的UART接口進行高級配置，利用最多256個microSteps的步驟/DIR接口。高效的功率階段和0.03 μA的微小備用電流有助于保證電池壽命較長。該駕駛員使用的雙AA或單鋰離子電池可以將其排入通常2.0V。

TMC2300驅(qū)動器可從3毫米×3毫米套件中提供高電機電流，適用于物聯(lián)網(wǎng)，手持設備，電池操作設備和移動醫(yī)療設備。

結(jié)論

MicroStepping在不同的步進電機應用中提供了許多好處。當高效率，精確定位和最小噪聲是至關(guān)重要的因素時，與ADI Trinamic溶液合并的效率是至關(guān)重要的。 ADI Trinamic的所有步進運動產(chǎn)品都具有256微質(zhì)的功能，并以簡單的任務來升級現(xiàn)有系統(tǒng)。