精益求精：瞭解運動控制中的微步進
精益求精：瞭解運動控制中的微步進
作者：ADI 應用工程師 Cindy Chang 及 Tea Tran
摘要
步進馬達對於需要平穩運動和高解析度定位的精密應用非常重要。為了滿足應用需求，必須深入瞭解全步進、半步進和微步進控制之間的差異。本文概述了微步進技術的基礎知識，將可進一步協助讀者了解相關技術知識。
簡介
步進馬達準確度高且控制方案相對簡單，因此廣泛應用於工業、醫療和三軸定位系統應用，例如3D印表機和電腦數控(CNC)機器。雖然交流馬達和無刷直流馬達都能實現高準確度，但步進馬達除了高準確度優勢之外，還能在開迴路控制模式下運行，並能在低速時提供高扭矩輸出。此外，相較於伺服馬達，步進馬達通常更具性價比且更簡單。與有刷直流馬達不同，步進馬達還能夠在高扭矩下保持位置穩定。
微步進讓馬達以較小的增量移動，因此馬達每轉的離散定位點數量顯著增加，馬達雜訊和振動相應地降低，是非常實用的步進馬達控制方式。ADI的Trinamic運動控制技術包含步進馬達驅動器IC、板級模組和完整的解決方案，因此能夠實現高達256微步進的步進馬達操作。
步進馬達基礎知識
馬達結構
步進馬達常常又稱為步進器，由磁轉子和定子線圈組成。混合式兩相步進馬達的轉子有兩個磁杯，每個磁杯通常有50個齒，如圖1所示。這些磁體的磁性相反，且位置相互錯開。定子由兩組線圈組成，這些線圈圍繞中心轉子分佈在多個位置。當按順序為每相通電時，馬達就會旋轉。
工作原理
步進馬達透過將一整圈旋轉分割成等距的步進來實現離散運動。例如，若一台步進馬達每轉擁有200個離散位置，則其步進角為1.8°。步進角等於360°除以全步進數。
如圖2所示，當電流通過馬達線圈時，會產生一個磁場；該磁場會吸引或排斥永磁轉子，進而驅動轉子旋轉，直至與磁場對齊。為了保持馬達持續旋轉，每個線圈必須交替通電，以確保磁場始終領先於轉子位置。
全步進和半步進
為了能更理解步進馬達的步進行為，我們來分析一個簡化的兩相步進馬達模型。該模型有一個磁極對，如圖3所示。
全步進模式
在全步進模式下，驅動器使用正電流或負電流為兩個線圈通電。兩相同時通電，以實現最大扭矩。切換線圈中電流的方向，會導致線圈繞軸旋轉。切換模式（也稱為換相）通常遵循圖4所示的週期序列。
全步進能夠實現精準的步進、速度控制和高保持扭矩。此外，當馬達高速運行時，全步進可以大幅提高馬達的扭矩輸出。然而，全步進可能導致振動過大並產生較大雜訊，如圖5所示。這種振動和雜訊主要歸因於馬達位置的大幅跳變，這使得馬達在到達目標位置時容易過沖，進而在特定速度下引發高共振現象並降低輸出扭矩。
擁有單一磁極對的簡化馬達採用全步進換相時，每轉可以實現4個離散位置。若將此一概念擴展到擁有50個磁極對的馬達，那麼每轉就能實現200個全步進。
透過該設定，當轉子的齒與線圈的磁場對齊時，馬達便可以精準定位到特定位置。
半步進模式
減小步長可以改善位置過沖、振動和雜訊問題。如圖6所示，透過採用其他電流狀態可以減小步長。半步進模式將每個磁極對的轉子位置數增加到8個，進而使位置解析度加倍。馬達驅動器透過單相和雙相勵磁的交替實現了半步進行為，半步進模式不僅提高了位置解析度，還減少了振動。低速時旋轉扭矩略有增加，但在新的半步進位置，馬達的保持扭矩會減小，這通常被稱為「增量扭矩」。
儘管半步進模式帶來了許多改良，但仍存在一些問題。馬達仍會發生較大的位置跳變，表示馬達的旋轉並非完全平穩。此問題在低速時尤其明顯，這也是我們需要微步進的重要原因。
微步進
什麼是微步進？
微步進是一種控制步進馬達的方法，能夠讓馬達旋轉到全步進之間的多個中間位置。其通常用於實現更高的位置解析度和更平穩的低速旋轉。微步進透過將每個全步進分成多個等距的微步進來實現，如圖7所示。提高微步解析度可以減小步進距離，進而降低位置過沖和振鈴，進而改善振動和雜訊。
微步進工作原理
微步進的實現依賴於向馬達提供正弦波形，如圖8所示。馬達驅動器利用電流調節將這些正弦波精確傳送到每個馬達線圈。然而，我們無法產生完美的正弦波。正弦波的品質，以及基於此的微步進品質，受限於步進驅動器的類比數位轉換器(ADC)和數位類比轉換器(DAC)的解析度。ADI Trinamic的每款步進馬達驅動器均配備至少8位元的ADC和DAC，每個全步進最多可實現256個微步進。混合式步進馬達通常每轉有200個全步進，因此使用256個微步可實現每轉最多51,200個離散位置。0.00703125°為相當高的步進解析度可謂。
關鍵考慮因素：位置準確度和增量扭矩
儘管微步進技術具有諸多優勢，但也面臨兩個關鍵挑戰：位置準確度和增量扭矩。
位置準確度是指馬達的實際位置與目標位置之間的誤差。微步進雖然能夠透過增加離散位置數量提高位置解析度，但並不能提高位置準確度。馬達的準確度仍然取決於結構公差、馬達負載以及驅動器向馬達線圈準確提供所需電流水準的能力。無論是全步進還是微步進，這些限制因素都會影響馬達的準確度。
增量扭矩是指當馬達處於靜止狀態時，使其離開當前位置所需的扭矩量。使用全步進時，磁轉子與馬達線圈精準對齊，產生最大保持扭矩，此扭矩等於馬達的額定保持扭矩。然而，當使用微步進時，增量扭矩會依據馬達所處的微步進位置而相應地減小。
增量扭矩可利用公式4來近似計算：
其中：
- TINC：增量扭矩，單位為牛頓·米(N·m)
- THOLD:全步進保持轉矩，單位為牛頓·米(N·m)
- SDR: 分步比或以下最簡分數的分母：
可以透過幾個例子來仔細說明此一定義。假設一個馬達使用256個微步進，停止在一個半步進位置。
SDR就是該最簡分數的分母；因此，SDR為2。增量扭矩減小至馬達保持扭矩的70.709%。
再舉一個例子，當馬達停止在7/256微步位置時：
因此，SDR為256，增量扭矩下降至馬達保持扭矩的0.61%。
表1總結了SDR與增量扭矩之間的關係。
| SDR | TINC / THOLD |
| 1 | 100.00% |
| 2 | 70.709% |
| 4 | 38.267% |
| 8 | 17.508% |
| 16 | 9.801% |
| 32 | 4.907% |
| 64 | 2.454% |
| 128 | 1.227% |
| 256 | 0.614% |
需要注意的是，雖然增量扭矩會降低馬達在微步進位置的保持扭矩，但旋轉扭矩基本不受影響。當馬達旋轉時，增量扭矩減小的影響不會表現出來。在實際應用中，如果需要高保持扭矩，使用者應儘量將馬達停在全步進或半步進位置。
常見微步進應用
許多使用步進馬達的應用都可以從微步進技術獲益。例如，在3D列印中，要實現高品質的列印效果，必須確保高位置解析度並將振動降至最低。醫療成像和手術機器人需要安靜的操作和精準的定位，如此才能確保患者感到舒適和安全，而微步進技術便可以滿足這些要求。
此外，由於微步進的步長較小，位置過沖也顯著減小。這帶來了許多優點，包括振動更小、效率更高、運動更平穩。機械振動會消耗能量，還會為某些應用中（如數控銑床）造成額外的磨損並影響可靠性。透過減少機械振動和雜訊，微步進技術還能減少與操作馬達控制系統相關的成本和能源浪費。 目前，其應用範圍較廣泛，涵蓋了醫療研究設備、閥門控制、氣泵、有線電視、機器人和工廠自動化等領域。
ADI Trinamic解決方案
ADI Trinamic的步進馬達產品具備多種特性，能夠協助用戶實現微步進控制。該系列的所有產品均支援高達256個微步進的解析度。
此外，有些ADI Trinamic元件還具備MicroPlyer™技術，這是一種創新型微步進插值技術，目的在使得老舊應用也能輕鬆享受微步進的高解析度優勢。
ADI Trinamic產品系列提供了完整、高效且小巧的解決方案，能夠滿足各種空間和性能需求。這些元件有助於降低步進馬達應用的複雜性，並縮短上市時間。
MicroPlyer微步進插值器
256微步進的解析度可能超出了某些製造商生產的步進驅動器的能力。幸運的是，ADI Trinamic的MicroPlyer技術支援將較低步進解析度系統升級到256微步進，而無需修改運動控制邏輯。
MicroPlyer的工作原理是在步進脈衝之間加入額外的電流步進，同時精準控制位置和速度。該技術會測量前一步進週期的時間長度並將其分成若干相等部分，進而在步進脈衝之間進行時間插值，而這會產生一個內部256微步進STEP訊號來驅動馬達。儘管輸入的是低解析度步進訊號，但卻能平穩地輸出256微步進。因此，ADI Trinamic步進馬達驅動器非常適合用來直接替換現有應用中的同類產品。
例如，設計人員可能希望升級16微步進驅動器和系統，實現更平穩的256微步進運動。如果使用步進角為1.8°的馬達，期望速度為每秒10轉(RPS)，那麼使用16微步進時，輸入STEP訊號須為32 kHz。通常，對於支援256微步進的200全步進馬達，需要512 kHz的訊號頻率才能實現10 RPS的轉速。對於某些主機控制器或MCU來說，此頻率可能過高。在這種情況下，設計人員可以採用支援MicroPlyer的ADI Trinamic驅動器，如此便能繼續使用32 kHz STEP訊號。ADI Trinamic驅動器可以對STEP訊號進行插值處理，進而實現256微步進的高解析度運動控制，如圖9所示。
TMC2240（36 V、2 A rms+智慧整合步進驅動器，具有S/D和SPI）與TMC5240（36 V、2 A rms+智慧整合步進驅動器和控制器）
ADI的TMC2240和TMC5240是智慧、高性能、兩相步進馬達驅動器IC，具有串列通訊介面（SPI、UART）、豐富的診斷功能以及採用MicroPlyer技術的微步進插值特性。這些驅動器IC結合了基於256微步進的先進步進馬達驅動器、內建索引器，以及兩個完全整合的36 V、3.0 AMAX H橋，並具備無損耗式整合電流感測(ICS)功能。TMC2240和TMC5240憑藉卓越的運動和電流控制能力，能夠實現平穩、安靜的步進馬達運動。此兩款元件還具備全套ADI Trinamic特性，包括提高能效的CoolStep™、無感測器負載和失速檢測(StallGuard2™/StallGuard4™)、低雜訊運行(StealthChop2)和降低漣波的電流控制(SpreadCycle™)。SpreadCycle和StealthChop2斬波模式支援在非常寬的速度範圍內實現最低雜訊運行，可以在SpreadCycle和StealthChop2之間自動切換。ADI Trinamic的先進StealthChop2斬波可確保無雜訊運行，同時提供卓越的效率和馬達扭矩。TMC5240則是一款cDriver™ IC，透過整合運動控制器可超越傳統馬達驅動器，簡化系統架構。其中整合的8點運動斜坡允許用戶設定期望的位置和運動曲線，進而儘量減少抖動，並分擔必要的計算工作，減輕主機控制器的負擔。
這些產品擁有診斷和保護功能，例如短路或過流保護、熱關斷和欠壓保護(UVLO)。在熱關斷和UVLO事件期間，驅動器會被禁用，以防止元件受損。此外，這些元件還支援測量一個外部類比輸入、評估驅動器溫度和估算馬達溫度的功能。
高整合度、高能效和精巧尺寸有利於打造小型化的可擴展系統，進而實現經濟高效的解決方案。其中還內建電流感測功能，因而無需龐大的外部電流感測電阻。完整的解決方案不僅性能卓越，而且還大幅降低了學習難度。
此兩款產品均可用於醫療器械、實驗室和工廠自動化、CCTV、安防、3D印表機等領域。
TMC2160（雙極步進馬達高壓驅動器）與TMC5160（雙極步進馬達高壓驅動器和運動控制器）
TMC2160和TMC5160是高功率、兩相步進馬達驅動器IC，配備串列通訊介面（STEP/DIR、SPI、UART），支援256微步進解析度，並採用MicroPlyer技術實現微步進插值。這些IC整合了ADI Trinamic的多種先進功能，包括CoolStep、StealthChop2、StallGuard2和SpreadCycle，以進一步優化驅動器性能。TMC5160是一款整合運動控制器的cDriver IC，採用了SixPoint™斜坡技術，不僅能夠實現更快速的定位，還能有效緩解梯形斜坡引起的共振問題。
這些IC沒有整合FET，用戶可以彈性選擇FET來適應大電流和/或高電壓應用場景。這種多功能性使其適用於電池供電系統以及高壓工業系統等廣泛應用。
此兩款產品均可用於醫療、紡織、機器人、工業驅動、有線電視、安防、工廠自動化等領域。
TMC2300（兩相步進馬達低壓驅動器）
TMC2300是一款用於兩相電池供電步進馬達的低壓步進馬達驅動器。除了CoolStep、StealthChop2、StallGuard4和SpreadCycle特性之外，該驅動器還支援256微步進解析度。StealthChop2能夠為可攜式、家庭和辦公應用帶來安靜的運動控制體驗。TMC2300則採用STEP/DIR介面，支援高達256微步進，可透過可選的UART介面可進行進階配置。高效率功率級和0.03 µA的微小待機電流，有助於延長電池壽命。該驅動器使用兩節AA電池或一節鋰離子電池，最低放電電壓為2.0 V。
TMC2300驅動器採用小型3 mm × 3 mm封裝，能夠提供高馬達電流，適用於物聯網、手持裝置、電池供電設備和行動醫療器械。
結論
微步進在各種步進馬達應用中都展現出許多優勢。結合微步進技術與ADI Trinamic解決方案，可以有效滿足高效率、精準定位和極低雜訊應用的要求。ADI Trinamic的所有步進馬達產品均支援256微步進，因此對現有系統進行微步進升級將變得十分簡便。
參考文獻
George Beauchemin。“Microstepping Myths。”機械設計75，第19期，2003年10月。