步进电机系统尺寸小巧设计的秘密解读

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。

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。

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。

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。

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。

编辑：hfy