【導讀】步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制電機，目前已滲透到包括電腦、通信設備、辦公自動化、工業自動化、銀行設備在內的多重經濟領域且還在不斷深化。相關數據顯示，2018年-2023年，中國步進電機制造行業市場規模將保持5.1%左右的年均增速。樂觀估計，到2023年，行業市場規模有望突破180億元。
然而，隨著IoT和AI技術的發展，便攜式智能化產品對步進電機在封裝尺寸、功耗、控制精度、噪音、驅動響應速度等方面的要求與日俱增。256細分、80nA睡眠功耗、12V/2A驅動能力、TQFN-3×3-16L/MSOP-10甚至更小封裝等等已經成為衡量產品性能高低的指標性參數。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，都給步進電機驅動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。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。我們可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，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動的速度和加速度，從而達到調速的目的。
國內外對細分驅動技術的研究十分活躍。目前，高性能的細分驅動電路已經可以細分到上千甚至能做到任意細分，經過復雜的計算，便可使細分后的步距角均勻一致，大大提高了步進電機的脈沖分辨率，減小或消除了震蕩、噪聲和轉矩波動，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動器。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，能夠實現可調關閉時間的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
為了讓器件能適用于不同應用場景中，提前預留出給客戶配置功能的引腳是行業內通行的做法。以一顆28引腳的傳統步進電機驅動芯片為例，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，利用器件待機（Standby）期間先寫入各個參數到寄存器，并讀出復查寫入是否正確。之后，MCU再轉回通用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頻率、細分精度、衰減模式、轉矩大小等參數進行編程設置，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。造成這一現象的主要原因是消隱時間（tBLANK）的長短和PWM的總關斷時間（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，所以采用自適應的消隱時間更加合適；關斷時間過長，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斷時間（慢衰減+快衰減）進行靈活設置。但為了增加調節電路的穩定性，必須與調節電阻器并聯插入一個小的RC系列。
圖3 用戶可以對SGM42622的總關斷時間（tOFF）進行靈活設置
數據顯示，該產品可以驅動輸出10V@1.8A（Peak），可以驅動尺寸為57的電機，驅動能力十分強大，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、攝像頭伸縮機構等細分市場領域。
圖4 實際驅動電機的電流波形圖@3.3V
結語
SGM42622只是圣邦微電子電機驅動器產品家族中的一員，原文鏈接展示了更多類型的驅動器芯片產品。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、智能化發展，實現高精度的控制。
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