【導讀】步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制電機，目前已滲透到包括電腦、通信設備、辦公自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化、銀行設備在內的多重經(jīng)濟領(lǐng)域且還在不斷深化。相關(guān)數據顯示，2018年-2023年，中國步進(jìn)電機制造行業(yè)市場(chǎng)規模將保持5.1%左右的年均增速。樂(lè )觀(guān)估計，到2023年，行業(yè)市場(chǎng)規模有望突破180億元。
然而，隨著(zhù)IoT和AI技術(shù)的發(fā)展，便攜式智能化產(chǎn)品對步進(jìn)電機在封裝尺寸、功耗、控制精度、噪音、驅動(dòng)響應速度等方面的要求與日俱增。256細分、80nA睡眠功耗、12V/2A驅動(dòng)能力、TQFN-3×3-16L/MSOP-10甚至更小封裝等等已經(jīng)成為衡量產(chǎn)品性能高低的指標性參數。同時(shí)，還要對短路（輸出之間和輸出對地、對電源之間）、過(guò)熱、過(guò)流等建立全方位的安全保護機制。這一切，都給步進(jìn)電機驅動(dòng)設計工程師們提出了相當大的挑戰。
高達256細分
眾所周知，在非超載的情況下，步進(jìn)電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，不受負載變化的影響。當步進(jìn)驅動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅動(dòng)步進(jìn)電機按設定的方向轉動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱(chēng)為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。我們可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數來(lái)控制角位移量，從而達到準確定位的目的；也可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機轉動(dòng)的速度和加速度，從而達到調速的目的。
國內外對細分驅動(dòng)技術(shù)的研究十分活躍。目前，高性能的細分驅動(dòng)電路已經(jīng)可以細分到上千甚至能做到任意細分，經(jīng)過(guò)復雜的計算，便可使細分后的步距角均勻一致，大大提高了步進(jìn)電機的脈沖分辨率，減小或消除了震蕩、噪聲和轉矩波動(dòng)，使步進(jìn)電機更具有“類(lèi)伺服”特性。
SGM42622是圣邦微電子極具代表性的一款步進(jìn)電機驅動(dòng)器。采用真256細分和小型TQFN-3×3-16L綠色封裝，內部集成了邏輯控制和低RDS(ON)功率級電路，能夠實(shí)現可調關(guān)閉時(shí)間的PWM電流控制和高達1/256的細分精度。
圖1 SGM42622采用256細分
功耗尺寸之巧
為了讓器件能適用于不同應用場(chǎng)景中，提前預留出給客戶(hù)配置功能的引腳是行業(yè)內通行的做法。以一顆28引腳的傳統步進(jìn)電機驅動(dòng)芯片為例，其芯片本體封裝面積約為9.7×4.4mm2，加上外圍約20多顆各種功能的分立器件，PCB板面積約為30×40mm2。假設器件本身睡眠功耗為10μA，算上外圍器件功耗后，總功耗將在5mA以上。盡管各芯片廠(chǎng)商想盡辦法，比如采用腳距更低的封裝或QFN封裝等，但需要的分立電阻電容并未因此減少，功耗降低效果依然有限。
比如采用MCU運行GPIO模擬I2C功能。通用I/O控制芯片在開(kāi)啟后的1ms內，利用器件待機（Standby）期間先寫(xiě)入各個(gè)參數到寄存器，并讀出復查寫(xiě)入是否正確。之后，MCU再轉回通用I/O來(lái)控制芯片退出待機模式，并正常工作，從而降低了MCU的開(kāi)銷(xiāo)和功耗。
SGM42622的功能強大，客戶(hù)可以在芯片待機期間對器件的開(kāi)關(guān)頻率、細分精度、衰減模式、轉矩大小等參數進(jìn)行編程設置，這也是SGM42622可以如此小巧的秘密所在。
圖2 SGM42622兼具“小身材”和“大智慧”
安靜圓滑之美
通常來(lái)說(shuō)，步進(jìn)電機的電流過(guò)零失真會(huì )導致步進(jìn)不夠均勻、圓滑，甚至可能導致失步或者可聽(tīng)見(jiàn)的噪聲。造成這一現象的主要原因是消隱時(shí)間（tBLANK）的長(cháng)短和PWM的總關(guān)斷時(shí)間（tOFF）。也就是說(shuō)，消隱時(shí)間在小電流的情況下，需要一個(gè)較短的時(shí)間，所以采用自適應的消隱時(shí)間更加合適；關(guān)斷時(shí)間過(guò)長(cháng)，在小電流的情況下，電流會(huì )衰減到零點(diǎn)，從而導致每一步的平均電流明顯小于目標值。
而在SGM42622中，客戶(hù)可以通過(guò)連接在TOFF引腳和接地之間的外部電阻器對關(guān)斷時(shí)間（慢衰減+快衰減）進(jìn)行靈活設置。但為了增加調節電路的穩定性，必須與調節電阻器并聯(lián)插入一個(gè)小的RC系列。
圖3 用戶(hù)可以對SGM42622的總關(guān)斷時(shí)間（tOFF）進(jìn)行靈活設置
數據顯示，該產(chǎn)品可以驅動(dòng)輸出10V@1.8A（Peak），可以驅動(dòng)尺寸為57的電機，驅動(dòng)能力十分強大，非常適用于1.8V至12V DC總線(xiàn)、心電打印機、三維掃描儀、家庭用快球（Dome）、手機、平板電腦、電視機、攝像頭伸縮機構等細分市場(chǎng)領(lǐng)域。
圖4 實(shí)際驅動(dòng)電機的電流波形圖@3.3V
結語(yǔ)
SGM42622只是圣邦微電子電機驅動(dòng)器產(chǎn)品家族中的一員，原文鏈接展示了更多類(lèi)型的驅動(dòng)器芯片產(chǎn)品。未來(lái)，步進(jìn)電機可以做到體積更小、性能更好、性?xún)r(jià)比更高，并逐步高集成化、智能化發(fā)展，實(shí)現高精度的控制。
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