步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)尺寸更加小巧,運(yùn)轉(zhuǎn)更加安靜、圓滑的秘密
發(fā)布時間:2021-03-29 來源:圣邦微電子 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】步進(jìn)電機(jī)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(jī),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(jì)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(jìn)電機(jī)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(jì),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(jìn)電機(jī)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(xì)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(biāo)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(hù)機(jī)制。這一切,都給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動設(shè)計(jì)工程師們提出了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。
高達(dá)256細(xì)分
眾所周知,在非超載的情況下,步進(jìn)電機(jī)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(fù)載變化的影響。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號,它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)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(yùn)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(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;也可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度,從而達(dá)到調(diào)速的目的。
國內(nèi)外對細(xì)分驅(qū)動技術(shù)的研究十分活躍。目前,高性能的細(xì)分驅(qū)動電路已經(jīng)可以細(xì)分到上千甚至能做到任意細(xì)分,經(jīng)過復(fù)雜的計(jì)算,便可使細(xì)分后的步距角均勻一致,大大提高了步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。采用真256細(xì)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(dá)1/256的細(xì)分精度。
圖1 SGM42622采用256細(xì)分
功耗尺寸之巧
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(jìn)電機(jī)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(yùn)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(jī)(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(jī)模式,并正常工作,從而降低了MCU的開銷和功耗。
SGM42622的功能強(qiáng)大,客戶可以在芯片待機(jī)期間對器件的開關(guān)頻率、細(xì)分精度、衰減模式、轉(zhuǎn)矩大小等參數(shù)進(jìn)行編程設(shè)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(jìn)電機(jī)的電流過零失真會導(dǎo)致步進(jìn)不夠均勻、圓滑,甚至可能導(dǎo)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(diǎn),從而導(dǎo)致每一步的平均電流明顯小于目標(biāo)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(jìn)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(jìn)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(jī),驅(qū)動能力十分強(qiáng)大,非常適用于1.8V至12V DC總線、心電打印機(jī)、三維掃描儀、家庭用快球(Dome)、手機(jī)、平板電腦、電視機(jī)、攝像頭伸縮機(jī)構(gòu)等細(xì)分市場領(lǐng)域。
圖4 實(shí)際驅(qū)動電機(jī)的電流波形圖@3.3V
結(jié)語
SGM42622只是圣邦微電子電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(shí)現(xiàn)高精度的控制。
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