步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機，目前已滲透到包括電腦、通信設(shè)備、辦公自動化、工業(yè)自動化、銀行設(shè)備在內(nèi)的多重經(jīng)濟領(lǐng)域且還在不斷深化。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2018年-2023年，中國步進電機制造行業(yè)市場規(guī)模將保持5.1%左右的年均增速。樂觀估計，到2023年，行業(yè)市場規(guī)模有望突破180億元。
然而，隨著IoT和AI技術(shù)的發(fā)展，便攜式智能化產(chǎn)品對步進電機在封裝尺寸、功耗、控制精度、噪音、驅(qū)動響應(yīng)速度等方面的要求與日俱增。256細分、80nA睡眠功耗、12V/2A驅(qū)動能力、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(shù)。同時，還要對短路（輸出之間和輸出對地、對電源之間）、過熱、過流等建立全方位的安全保護機制。這一切，都給步進電機驅(qū)動設(shè)計工程師們提出了相當大的挑戰(zhàn)。
高達256細分
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眾所周知，在非超載的情況下，步進電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，不受負載變化的影響。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。我們可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。
國內(nèi)外對細分驅(qū)動技術(shù)的研究十分活躍。目前，高性能的細分驅(qū)動電路已經(jīng)可以細分到上千甚至能做到任意細分，經(jīng)過復(fù)雜的計算，便可使細分后的步距角均勻一致，大大提高了步進電機的脈沖分辨率，減小或消除了震蕩、噪聲和轉(zhuǎn)矩波動，使步進電機更具有“類伺服”特性。
SGM42622是圣邦微電子極具代表性的一款步進電機驅(qū)動器。采用真256細分和小型TQFN-3×3-16L綠色封裝，內(nèi)部集成了邏輯控制和低RDS（ON）功率級電路，能夠?qū)崿F(xiàn)可調(diào)關(guān)閉時間的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
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為了讓器件能適用于不同應(yīng)用場景中，提前預(yù)留出給客戶配置功能的引腳是行業(yè)內(nèi)通行的做法。以一顆28引腳的傳統(tǒng)步進電機驅(qū)動芯片為例，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(shè)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控制芯片在開啟后的1ms內(nèi)，利用器件待機（Standby）期間先寫入各個參數(shù)到寄存器，并讀出復(fù)查寫入是否正確。之后，MCU再轉(zhuǎn)回通用I/O來控制芯片退出待機模式，并正常工作，從而降低了MCU的開銷和功耗。
SGM42622的功能強大，客戶可以在芯片待機期間對器件的開關(guān)頻率、細分精度、衰減模式、轉(zhuǎn)矩大小等參數(shù)進行編程設(shè)置，這也是SGM42622可以如此小巧的秘密所在。
安靜圓滑之美
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通常來說，步進電機的電流過零失真會導致步進不夠均勻、圓滑，甚至可能導致失步或者可聽見的噪聲。造成這一現(xiàn)象的主要原因是消隱時間（tBLANK）的長短和PWM的總關(guān)斷時間（tOFF）。也就是說，消隱時間在小電流的情況下，需要一個較短的時間，所以采用自適應(yīng)的消隱時間更加合適；關(guān)斷時間過長，在小電流的情況下，電流會衰減到零點，從而導致每一步的平均電流明顯小于目標值。
而在SGM42622中，客戶可以通過連接在TOFF引腳和接地之間的外部電阻器對關(guān)斷時間（慢衰減+快衰減）進行靈活設(shè)置。但為了增加調(diào)節(jié)電路的穩(wěn)定性，必須與調(diào)節(jié)電阻器并聯(lián)插入一個小的RC系列。
圖3 用戶可以對SGM42622的總關(guān)斷時間（tOFF）進行靈活設(shè)置
數(shù)據(jù)顯示，該產(chǎn)品可以驅(qū)動輸出10V@1.8A（Peak），可以驅(qū)動尺寸為57的電機，驅(qū)動能力十分強大，非常適用于1.8V至12V DC總線、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(gòu)等細分市場領(lǐng)域。
圖4 實際驅(qū)動電機的電流波形圖@3.3V
結(jié)語
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SGM42622只是圣邦微電子電機驅(qū)動器產(chǎn)品家族中的一員，原文鏈接展示了更多類型的驅(qū)動器芯片產(chǎn)品。未來，步進電機可以做到體積更小、性能更好、性價比更高，并逐步高集成化、智能化發(fā)展，實現(xiàn)高精度的控制。