自從第二次工業革命將人類帶入電氣化時代之后，我們這個世界的“運轉”在很大程度上都是電機驅動的。作為一種將電能轉化成機械能的執行元件，無論是在工業領域的大型裝備還是我們身邊的小型化電子產品中，都可見電機的身影，其應用的廣泛性可見一斑。

根據工作的原理，電機通常被劃分為有刷直流電機（BDC）、無刷直流電機（BLDC）、永磁同步電機（PMSM）、交流感應電機（ACIM）、開關磁阻電機（SRM）和步進電機（Stepper）等。它們各具特點，在長期的市場打拼中也都找到了自己最擅長的應用領域，今天我們就著重來談談其中的步進電機。

步進電機的機遇與挑戰 與其他類型的電機相比，步進電機的工作方式比較特別，它是通過電脈沖信號控制角位移或線位移，給電機加一個脈沖信號，電機就會轉過一個步距角，在非超載的情況下，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，而不受負載變化的影響。這種脈沖信號與轉動／移動位置之間的線性關系，使得人們可以通過控制脈沖寬度、占空比或輸入脈沖周期來對電機的運動進行精確的管理。而且步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差，這使得其在需要高精度角運動的數字控制系統中，如魚得水、應用廣泛。 根據中國工控網的分析，在最近三年中，中國的步進電機市場保持著10%左右的穩定增長，2020年的總體規模將達到11億元左右。

除了傳統的工業應用之外，步進電機在一些新興領域的滲透尤為引人注目。 比如方興未艾的3D打印機，要想精準地控制打印頭的“走位”，使其能夠按照設計要求將打印材料在3D空間堆疊成我們想要的樣貌，高精度的步進電機就是不可或缺的部件。 還有在手機領域，如今為了實現完美的全面屏，很多旗艦型手機采用了升降攝像頭的解決方案，平時將攝像頭模組藏在機身內部，需要的時候通過一個步進電機驅動將其抬升起來，用完了再降回到原先的位置。這樣的步進系統不僅要滿足運動精確性的要求，還要受到手機產品本身在可靠性、體積、成本、功耗等多方面的約束。

由此可見，今天的步進電機系統在獲得新的發展機遇的同時，面臨的技術挑戰也確實不小。

步進電機控制的新“境界” 有效應對這些技術挑戰，除了步進電機自身的品質與能力之外，很重要的一環就在于電機驅動。通俗地講，一個步進系統中電機驅動器的作用，就是將脈沖控制信號“翻譯”為步進電機明白的指令，并據此提供電機運行所需的功率，驅動其完成“規定”的動作。這從原理上很好理解，可是要真正實現完美的電機驅動和控制，一定需要步進電機、驅動IC、控制算法之間的默契配合。

這就像是幫助步進電機練就“凌波微步”這樣的武功絕學，想要真正達到走位精妙、心身合一的境界，就需要電機驅動技術能夠滿足以下這些要求：

更高的分辨率：毋庸贅言，這是實現精準運動控制的基礎，分辨率越高，步進電機步進角的位移也就更精細。

更高的效率：具統計，全球電力供應的28%是被電機消耗掉的，隨著步進電機應用的發展，其效率提升的每一個百分點，帶來的節能總量都會相當可觀。

更低的成本：步進電機想要滲透進更多應用領域，特別是消費級市場，這個能力必不可少。

更低的噪聲和振動：這一優化，將是提升用戶體驗的一個關鍵特性。

更可靠和耐用：確保步進電機安全可靠工作的保護功能和防護措施不能少。

要想練就上面所述的這些“功力”，必須有一些“修煉”所需的“法門”，也就是實現高精度、高可靠步進電機驅動的解決方案。為此，不同的電機驅動IC廠商，都會有自己獨特的技術“絕活兒”，下面我們就以Toshiba的步進電機驅動解決方案為例，一窺其中的奧妙。
步進電機驅動的技術“絕活兒“ 首先，在提高步進電機的分辨率方面，Toshiba提供了一種獨特的“微步技術“。 步進電機的分辨率取決于其步距角，步距角越小，步進精度也就越高。步進電機的工作原理告訴我們，其在全步模式下工作時，步距角等于360°除以總極數，電機的極數越多，步距角越小。但是受電機機械結構所限，極數的增加也是有限的，且會越來越難。為了提升電機的分辨率，人們在轉換相位之間插入一個關閉狀態而走“半步”，由此發展出了半步模式，使得步距角降至全步模式的1/2，但與全步模式相比，半步模式進通常會導致15%?30%的力矩損失。

為了突破步進精度的限制，Toshiba的微步模式（Micro-step mode）改變了傳統的全步驅動的控制方式——即通過打開和關閉兩個繞組的電流，以固定角度令其旋轉——而是通過逐步改變兩個繞組的電流比，以比基本步距角更精細的步距角旋轉它們，由此可以實現1/4、1/8、1/16、1/32、1/64和1/128步的更為精細的運動控制。

圖1：Toshiba的微步模式可以實現更高的步進精度

（圖源：Toshiba） 在降低步進系統功耗，提高效率方面，Toshiba的“絕活兒“主要有兩點：一方面是通過采用更先進的制造工藝，獲得更低的導通電阻和超低待機電流；另一方面，就是優化驅動控制技術。 在這方面，最值得一提的是Toshiba原創的主動增益控制（AGC）技術。在驅動步進電機時，為確保所需電機扭矩具有足夠的裕度，電機控制驅動IC通常提供大于最大負載時峰值電流的電機驅動電流，這就意味著額外的電流會一直持續流動，這也就導致了更大的功耗。

而AGC技術可以根據電機的負載條件自動調節電機驅動電流，最大限度減少不必要的電流消耗，從而大大減少電機驅動IC和電機產生的熱量。與此同時，AGC技術還可以在提供高電機控制效率的同時，防止電機失步，讓更大的電流驅動成為可能。

圖2：步進電機驅動系統由于能量消耗產生的熱量

采用AGC技術（右）明顯低于傳統的控制技術（左）

（圖源：Toshiba） Toshiba獨有的另一個優化控制技術是高級動態混合衰減（ADMD）技術，該技術與傳統的混合衰減模式相比，能夠更緊密地跟蹤輸入電流，從而進一步強化了高轉速條件下的高效電機控制。從圖3中可以看出，電機高速運轉時，傳統的方式可能會發生失步（左），而ADMD則可以實現精準的微步控制（右）。

圖3：采用ADMD技術能夠實現更緊密的輸入電流跟蹤

（圖源：Toshiba） 在優化步進電機控制系統的尺寸和成本方面，Toshiba的高級電流檢測系統（ACDS）技術可以給開發者帶來很大的好處——該技術在提供高精度恒定電流以驅動電機的同時，無需使用外部電流感應電阻，這使得方案所需的外圍元器件數量顯著減少，電路板的尺寸和物料清單（BOM）成本也相應降低。

圖4：ACDS技術顯著減少了外圍元件的數量

優化了BOM和電路板尺寸（圖源：Toshiba）

此外，Toshiba還開發了SMD電流衰減模式選擇功能，可有效降低電機驅動期間所產生的噪聲和振動。根據實際應用的需要，將上述這些技術“絕活兒“綜合應用在電機驅動IC中，就可以為用戶提供針對性的解決方案，幫助其實現“凌波微步”般精確步進控制。

步進電機驅動解決方案

TB67S128FTG步進電機控制器就是這樣一款很有代表性的電機驅動IC。該方案是采用PWM斬波的2相雙極步進電機驅動器，內置時鐘并支持串行控制，可提供額定值為50V／5A的大電流驅動。在其優異性能的背后，我們可以發現不少上文提到的Toshiba的技術“絕活兒”。

基于微步模式，TB67S128FTG可實現高達1/128步的高分辨率。

采用BiCD工藝集成式單片IC，導通電阻低至0.25Ω，減少發熱量，可實現大電流驅動，支持更高的工作扭矩。

采用AGC技術避免電機失速并降低功耗。

集成ADMD技術，提高電流跟蹤能力，進一步優化效率。實現安全高轉速。

采用ACDS技術提高電流跟蹤能力，減少了外圍元件數，優化了BOM。

具備電流衰減模式選擇功能SMD，有效降低電機驅動期間所產生的噪聲和振動。

整合過熱保護檢測和過流保護，還集成有開路檢測功能，確保設備的安全性和高可靠性。

這些特性優勢，使得TB67S128FTG可以廣泛應用于3D打印機、監控攝像頭、電動執行機構、冰箱和空調、ATM等銀行終端、辦公設備、游戲機等產品中。

圖5：TB67S128FTG的框圖（圖源：Toshiba） TC78H670FTG是Toshiba今年推出的一款步進電機驅動IC新品，其內置雙H橋，可以提供2.5V至16V驅動電源，支持最大2A的輸出電流。它同樣是一款采用PWM斬波器的2相雙極步進電機驅動器，可以實現1/128步的高分辨率，采用3mm×3mm的QFN緊湊封裝。 由于采用了Toshiba最新的DMOS工藝，TC78H670FTG可確保低導通電阻（0.48Ω @VM=12V）和超低待機電流（0.1μA），進而實現更高的效率。在我們已經熟悉了的ACDS高級電流檢測系統的加持下，TC78H670FTG在占板面積和成本方面的優勢也很明顯。熱關斷、過流關斷檢測、電機負載開路、欠壓鎖定等安全保護功能也是一應俱全。 從上述的特性可以看出，TC78H670FTG非常適合于USB供電、電池供電以及標準9-12V系統設備，在照相機、安全攝像頭、便攜式打印機、手持式掃描儀、微型投影儀和智能手機等產品中都可以找到施展拳腳的空間。

圖6：TC78H670FTG的框圖（圖源：Toshiba） 在TB67S128FTG和TC78H670FTG的身上，我們能夠很直接地體會到一顆優秀的步進電機驅動IC的過人素質；而圍繞著步進控制系統建立的一系列優勢技術，也令Toshiba形成了自己獨有的體系化優勢，可以根據市場的發展快速開發出相應的產品，提供豐富的步進電機驅動IC產品組合。這些產品自帶的“武（優）功（勢）絕（技）學（術）”，可以讓步進電機修煉出“凌波微步”般的功夫，這可以讓“修煉”的過程變得更輕松。

圖7：Toshiba步進電機驅動IC產品一覽

（圖源：Toshiba）

原文標題：步進電機的“凌波微步”，是怎樣煉成的？

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責任編輯：haq