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步进电机系统尺寸更加小巧,运转更加安静、圆滑的秘密
2021-04-06

关键词:步进电机;256细分;可编程;关断时间可设置

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机,目前已渗透到包括电脑、通信设备、办公自动化、工业自动化、银行设备在内的多重经济领域且还在不断深化。相关数据显示,2018年-2023年,中国步进电机制造行业市场规模将保持5.1%左右的年均增速。乐观估计,到2023年,行业市场规模有望突破180亿元。

然而,随着IoT和AI技术的发展,便携式智能化产品对步进电机在封装尺寸、功耗、控制精度、噪音、驱动响应速度等方面的要求与日俱增。256细分、80nA睡眠功耗、12V/2A驱动能力、TQFN-3×3-16L/MSOP-10甚至更小封装等等已经成为衡量产品性能高低的指标性参数。同时,还要对短路(输出之间和输出对地、对电源之间)、过热、过流等建立全方位的安全保护机制。这一切,都给步进电机驱动设计工程师们提出了相当大的挑战。

高达256细分

众所周知,在非超载的情况下,步进电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,不受负载变化的影响。当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度,称为“步距角”,它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。我们可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。

国内外对细分驱动技术的研究十分活跃。目前,高性能的细分驱动电路已经可以细分到上千甚至能做到任意细分,经过复杂的计算,便可使细分后的步距角均匀一致,大大提高了步进电机的脉冲分辨率,减小或消除了震荡、噪声和转矩波动,使步进电机更具有“类伺服”特性。

SGM42622是圣邦微电子极具代表性的一款步进电机驱动器。采用真256细分和小型TQFN-3×3-16L绿色封装,内部集成了逻辑控制和低RDS(ON)功率级电路,能够实现可调关闭时间的PWM电流控制和高达1/256的细分精度。


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图1 SGM42622采用256细分

功耗尺寸之巧

为了让器件能适用于不同应用场景中,提前预留出给客户配置功能的引脚是行业内通行的做法。以一颗28引脚的传统步进电机驱动芯片为例,其芯片本体封装面积约为9.7×4.4mm2,加上外围约20多颗各种功能的分立器件,PCB板面积约为30×40mm2。假设器件本身睡眠功耗为10μA,算上外围器件功耗后,总功耗将在5mA以上。尽管各芯片厂商想尽办法,比如采用脚距更低的封装或QFN封装等,但需要的分立电阻电容并未因此减少,功耗降低效果依然有限。

比如采用MCU运行GPIO模拟I2C功能。通用I/O控制芯片在开启后的1ms内,利用器件待机(Standby)期间先写入各个参数到寄存器,并读出复查写入是否正确。之后,MCU再转回通用I/O来控制芯片退出待机模式,并正常工作,从而降低了MCU的开销和功耗。

SGM42622的功能强大,客户可以在芯片待机期间对器件的开关频率、细分精度、衰减模式、转矩大小等参数进行编程设置,这也是SGM42622可以如此小巧的秘密所在。

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封装

框图

图2 SGM42622兼具“小身材”和“大智慧”

安静圆滑之美

通常来说,步进电机的电流过零失真会导致步进不够均匀、圆滑,甚至可能导致失步或者可听见的噪声。造成这一现象的主要原因是消隐时间(tBLANK)的长短和PWM的总关断时间(tOFF)。也就是说,消隐时间在小电流的情况下,需要一个较短的时间,所以采用自适应的消隐时间更加合适;关断时间过长,在小电流的情况下,电流会衰减到零点,从而导致每一步的平均电流明显小于目标值。

而在SGM42622中,客户可以通过连接在TOFF引脚和接地之间的外部电阻器对关断时间(慢衰减+快衰减)进行灵活设置。但为了增加调节电路的稳定性,必须与调节电阻器并联插入一个小的RC系列。

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图3 用户可以对SGM42622的总关断时间(tOFF)进行灵活设置

数据显示,该产品可以驱动输出10V@1.8A(Peak),可以驱动尺寸为57的电机,驱动能力十分强大,非常适用于1.8V至12V DC总线、心电打印机、三维扫描仪、家庭用快球(Dome)、手机、平板电脑、电视机、摄像头伸缩机构等细分市场领域。

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图4  实际驱动电机的电流波形图@3.3V

结语

SGM42622只是圣邦微电子电机驱动器产品家族中的一员。未来,步进电机可以做到体积更小、性能更好、性价比更高,并逐步高集成化、智能化发展,实现高精度的控制。