在智能制造、消費(fèi)電子與精密裝備飛速發(fā)展的今天，步進(jìn)電機(jī)以其“脈沖對(duì)應(yīng)位移”的精準(zhǔn)控位特性、無累積誤差的穩(wěn)定性、快速啟停的響應(yīng)能力，成為定角度、定距離運(yùn)動(dòng)場景的核心執(zhí)行元件，而步進(jìn)電機(jī)的性能很大程度由驅(qū)動(dòng)芯片決定。

作為“控制中樞”，驅(qū)動(dòng)芯片承擔(dān)著脈沖分配、電流調(diào)節(jié)、細(xì)分控制等關(guān)鍵功能，其電壓適配范圍、輸出電流能力、細(xì)分精度、保護(hù)機(jī)制直接影響電機(jī)的運(yùn)行精度和噪聲水平。

隨著各領(lǐng)域?qū)?span style="color:rgb(9,181,132);">設(shè)備小型化、高精度、低功耗、高可靠性的要求持續(xù)升級(jí)，傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方案已難以滿足復(fù)雜場景需求，高性能、集成化、智能化的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，正成為技術(shù)升級(jí)的核心突破口，也成為選型時(shí)的關(guān)鍵考量因素。

步進(jìn)電機(jī)原理

步進(jìn)電機(jī)通常由交錯(cuò)排布的兩組線圈繞組和永磁轉(zhuǎn)子組成。當(dāng)電流通過線圈繞組時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場，該磁場吸引永磁定子使其旋轉(zhuǎn)，直至與磁場對(duì)齊，通過給線圈繞組交替通電產(chǎn)生一個(gè)不斷旋轉(zhuǎn)的磁場，就會(huì)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 步進(jìn)電機(jī)原理示意圖

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)主要技術(shù)特點(diǎn)

微步細(xì)分技術(shù)

傳統(tǒng)全步驅(qū)動(dòng)模式下，步進(jìn)電機(jī)每接收一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的步距角（通常為1.8°），受限于此無法實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的運(yùn)動(dòng)與定位精度，而由于轉(zhuǎn)子在步距角之間跳變，電機(jī)會(huì)產(chǎn)生明顯的震動(dòng)和噪音。為了克服這些缺點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)通常采取微步細(xì)分技術(shù)，其基本原理是在兩個(gè)相鄰繞組之間通過精確控制電流，使兩個(gè)繞組產(chǎn)生的合成磁場在一個(gè)步距角范圍內(nèi)平滑過渡而非簡單切換。微步細(xì)分技術(shù)可以極大提升步進(jìn)電機(jī)控制精度，并顯著降低噪音。

圖2 微步細(xì)分技術(shù)示意圖

微步細(xì)分程度越高，電流波形越接近平滑正弦波，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)越平穩(wěn)，可控制的最小旋轉(zhuǎn)角度越小，控制精度越高。

圖3 不同微步細(xì)分模式下電流

電流控制技術(shù)&自適應(yīng)放電技術(shù)

由于步進(jìn)電機(jī)利用通電繞組產(chǎn)生的磁場來驅(qū)動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子，因此繞組中電流大小直接決定了轉(zhuǎn)子所受到的力矩，進(jìn)而影響到電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。而電機(jī)繞組的電感特性導(dǎo)致了繞組電流的上升下降并非瞬間完成，而是存在充-放電的過程，特別是在電流衰減過程中，永磁轉(zhuǎn)子與繞組線圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)帶來的反向電動(dòng)勢直接影響步進(jìn)電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖4 步進(jìn)電機(jī)電流控制模式

僅使用Slow Decay模式，無法抑制反向電動(dòng)勢，電流波形失真。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)有雜音。

圖5 Slow Decay模式電流

Adaptive Decay模式：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中自動(dòng)檢測電流，當(dāng)電流符合預(yù)期正弦波形時(shí)采取Slow Decay；波形失真時(shí)，采取Fast Decay迅速矯正電流，有效抑制反向電動(dòng)勢，電流紋波小，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平滑、安靜、高效。

圖6 Adaptive Decay模式電流

堵轉(zhuǎn)檢測技術(shù)

在步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用中，對(duì)堵轉(zhuǎn)異常的實(shí)時(shí)檢測可以有效預(yù)防設(shè)備卡滯，結(jié)構(gòu)應(yīng)力過載，提前預(yù)警故障，減小因硬件損壞導(dǎo)致的維修更換成本，因而具有重要意義。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的堵轉(zhuǎn)檢測功能通常使用反向電動(dòng)勢法。當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)繞組會(huì)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢（BEMF），繞組電壓由以下公式表示：

可見電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，繞組電壓包含反向電動(dòng)勢，而當(dāng)繞組電流iM為0時(shí)，繞組電壓即為反向電動(dòng)勢電壓。而當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，定子與繞組無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而反向電動(dòng)勢也為0，根據(jù)此原理可以通過檢測繞組電流為0時(shí)的反向電動(dòng)勢來判斷電機(jī)是否堵轉(zhuǎn)。

圖7 電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)波形

圖8 電機(jī)堵轉(zhuǎn)波形

艾為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選型

數(shù)模龍頭艾為電子推出的AW8646QNR是一款支持1/32微步模式的高性能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，其內(nèi)部集成步進(jìn)驅(qū)動(dòng)時(shí)序控制邏輯，外部只需輸入方向控制以及單路PWM信號(hào)就可控制步進(jìn)電機(jī)，省去麻煩的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。

圖9 AW8646QNR典型框圖

AW8646QNR主要特性：

Dual H橋驅(qū)動(dòng)：

Output voltage：3~12V

Max Current：1.4A (2A peak)

RDSON：730mΩ HS+LS

Step/DIR 控制接口

Up To 1/32 Micro Stepping

放電模式：

SLOW DECAY/

FAST DECAY/

MIX DECAY/

Adaptive DECAY

輸入IO接口電平：1.8V 邏輯，支持到5.5V

支持OTP/UVP/OCP,OCP啟動(dòng)時(shí)間0.1us

封裝：24-QFN 4*4mm