掌握精度：理解运动控制中的微秒

步进电动机在需要平稳运动和高分辨率定位的精确应用中至关重要。认识到满足，半步步和微替代控制之间的差异对于满足这些要求至关重要。本文通过汇总微填充的基础来缩小知识差距。

介绍

步进电动机广泛用于工业，医疗和3轴定位系统应用程序，例如3D打印机和计算机数值控制(CNC)机器，因为它们的精确性和相对简单的控制方案。尽管交流电动机和无刷直流电动机可以获得高精度，但步进电动机在操作开放环控制和低速下具有高扭矩时具有高精度的额外优势。此外，步进电动机通常比伺服电动机更具成本效益，更复杂。与拉丝直流电动机不同，步进电动机可以用高扭矩保持位置。

通过允许电动机以较小的增量移动，微填充在步进电动机控制方面非常有用，从而导致每次革命的离散位置的数量显着增加，并随后减少电动机噪声和振动。模拟设备的三位一体运动控制具有步进电动机驱动器IC，板级模块和完整的解决方案，这些解决方案能够以高达256 microSteps操作步进电动机。

步进运动基础知识

汽车构建

步进电动机(通常称为步进)由磁性转子和定子线圈组成。混合2阶段的步进器具有一个带有两个磁性杯的转子，每个转子通常具有50齿。这些磁体具有相反的磁性极性，并且物理上彼此相抵消。定子由两根线圈组成，位于中央转子周围的多个位置。以序列为启动的每个相都会导致电动机旋转。

手术

步进电动机通过将完整旋转分为等距步骤，以离散的步骤移动。例如，电动机每革命中有200个离散位置的步进电动机将具有1.8°的阶跃角度。阶跃角度来自将革命的360°除以完整步骤的数量。

当电流应用于电动机的线圈时，产生一个吸引或排斥永久磁铁转子的磁场，转子将旋转以与该磁场对齐。为了保持电动机旋转，必须交替进行每个线圈，以使磁场保持在转子前方。

全脚和半脚

为了更好地了解步进电动机的步进行为，我们将使用一个磁极对的简化的2相步进运动模型评估。

全步模式

在完整的模式下，驱动程序用正电流或负电流为两个线圈通电。这两个阶段均同时充满电，可实现最大扭矩。通过线圈切换电流方向会导致轴旋转。开关模式通常称为换向，通常遵守图相当的周期序列。

FullStepping可以进行精确的步骤，速度控制和高固定扭矩。此外，在高速运行时，FullStepping可以最大化电动机的扭矩输出。但是，饱满的振动和嘈杂的操作。这种振动和噪声主要是由于位置跳跃，这会导致电动机超过其目标位置，从而导致特定速度和降低的施加扭矩产生高共振。

由于具有单个磁极对的简化电动机使用全步换向可实现每次革命的四个离散位置，因此将此概念扩展到具有50磁极对的电动机，转化为每革命的200个完整步骤。当转子的牙齿与线圈的磁场对齐时，该设置使电动机可将电动机定向到特定位置。

半步模式

减少步骤的大小可改善位置过冲，振动和噪声问题。可以通过实现额外的电流状态来实现阶梯降低。半步模型将转子位置的数量增加到每个磁极对的八个，从而导致位置分辨率增加一倍。电机驱动器在单相和双相激发之间交替，以达到半步的行为。半步模型允许较高的位置分辨率，并减少振动。旋转扭矩在低速下略有增加，但是在新的半步骤位置的电动机保持扭矩减少。这通常称为增量扭矩。

尽管有这些改进，但半步模型并非没有问题。电动机仍然可以使位置相对较大，这意味着电动机的旋转并不完美。在低速下，问题尤其明显，是微填充需求背后的驱动力。

微分

什么是微分?

微填充是一种控制步进电动机的方法，使电动机可以旋转到完整步骤之间的多个中间位置。它通常用于实现更高的位置分辨率和低速旋转。如图7所示，这是通过将每个整个步骤分为等距的缩影来实现的。增加微孔分的分辨率导致较小的行进距离，从而减少了过冲和响起的位置，从而改善了振动和噪声。

微分如何工作?

如图8所示，通过向电动机提供正弦波形式来实现微填充。电机驱动器利用电流调节来精确地将这些正弦曲线传递到每个电动机线圈上。但是，不可能产生完美的正弦体。正弦波质量，因此微填充的质量受到步进驱动器的类似物到数字转换器(ADC)和数字到Analog(DACS)转换器的分辨率的限制。 ADI Trinamic的每个步进电动机驱动程序中的每个驱动器至少都有8位ADC和DAC，每整步可启用多达256个微杆。由于混合步进电动机通常每旋转200个完整的步骤，因此使用256个微孔可允许每次革命最多51,200个离散位置。这导致令人印象深刻的步骤分辨率为0.00703125°。

主要考虑因素：位置准确性和递增扭矩

微填充有很多好处，但它带来了两个关键挑战：位置准确性和递增扭矩。

位置精度是指电动机的实际位置与其指挥位置之间的误差。尽管微填充以更离散的位置增加了位置分辨率，但并不能提高位置精度。电动机的准确性仍然是施工公差，电动机上的负载以及驾驶员准确地为电动机线圈提供所需电流水平的能力。这些限制因素会影响电动机的准确性，而不管饱满或微替代。

增量扭矩定义为当电动机停滞时将电动机从位置拉出所需的扭矩量。当使用全速度时，磁转子与电机线圈完全对齐，从而产生的最大保持扭矩等于电动机的指定固定扭矩。但是，当使用微填充时，根据保持电动机的微杆位置的递减降低。

重要的是，尽管增量扭矩会降低可用的扭矩以将电动机保持在这些微杆位置，但旋转扭矩在很大程度上不受影响。当电动机旋转时，将看不到减少扭矩的效果。从实际的角度来看，如果需要高固定扭矩，用户应尝试在全步或半步的位置停止电动机。

常见的微填充应用

许多使用步进电动机的应用程序都可以从微填充中受益。例如，3D打印需要高位置分辨率和最小振动才能产生高质量的印刷品。医学成像和手术机器人需要安静的操作和精确的定位，以确保患者的舒适性和安全性。微观填充满足了这些要求。

另外，由于步长较小，位置过时大大降低。这带来了几个优点：振动降低，效率提高和运动更顺畅。机械振动会消耗能量，在某些应用中，例如CNC铣床，引入了额外的磨损并损害了可靠性。通过减少机械振动和噪声，微填充还减少了与操作电动机控制系统相关的成本和能量的废物。

使用微台化的其他应用包括医学研究设备，阀门控制，气泵，CCTV，机器人技术和工厂自动化。

ADI Trinamic解决方案

ADI Trinamic的步进运动产品提供了各种功能，可以帮助合并微填充。 MicroStepping(高达256个微杆)是ADI Trinamic的所有步进运动产品的标准配置。

此外，某些ADI Trinamic零件提供了MicroPlyer™技术，这是一种微型插值技术，旨在使较旧的应用程序轻松利用高的微孔分分辨率。

ADI Trinamic产品组合包括完整，高效和小型印刷解决方案，以支持任何空间和性能要求。这些零件可以帮助减少步进电机应用中的复杂性和时间。

微磷酸微孔插装器

256个微杆的分辨率可能超出了一些制造商的步进驱动程序的能力。幸运的是，ADI Trinamic的微透析技术允许低步骤的分辨率系统升级到256个微杆，而无需修改运动控制逻辑。

MicroPlyer通过在保持位置和速度的同时合并步骤脉冲之间的其他当前步骤来起作用。单位通过测量上一步周期的时间间隔并将其分为相等的部分，从而在步骤脉冲之间插入时间。这会产生一个内部256-Microstep步骤信号，该信号用于驱动电动机。尽管提供了低分辨率的台阶输入，但结果是平滑的256微孔输出。因此，ADI Trinamic步进电动机驱动器是用于现有应用的置换式替换的理想选择。

例如，设计师可能希望升级16微孔驱动器和系统，以使用256个微杆菌实现更平滑的运动。如果所需的速度为1.8°步角电动机每秒10转(RPS)，则使用16个微孔时，输入步骤信号将需要为32 kHz。通常，具有256个微杆的200个全步电动机需要512 kHz信号频率才能旋转10 rps。对于某些主机控制器或MCU来说，这可能太高了。另外，设计人员可以掉入支持微散热器并保持32 kHz步骤信号的ADI Trinamic驱动器中。如图9所示，ADI Trinamic驱动程序将处理步骤信号的插值，以使用256个微杆来创建运动。

TMC2240 36 V，2 A RMS +智能集成的步进驱动程序，带有S/D和SPI和TMC5240 36 V，2 A RMS +智能集成的步进驱动程序和控制器

ADI的TMC2240和TMC5240具有串行通信接口(SPI，UART)的智能，高性能，2阶段步进电动机驱动器IC，具有微散热器技术的微插值插值。这些驱动程序ICS基于256个微杆，一个内置索引和两个完全集成的36 V，3.0 Amax H-Bridges以及非隔离性集成电流传感(ICS)，将高级步进运动驱动器组合在一起。 具有一流的运动和电流控制，TMC2240和TMC5240具有平滑和无声的步进电机运动，具有完整的ADI三动力功能，提高功率效率冷却步™，无传感器负载和失速检测(静步2™/4™)，静默操作(静步2)和波纹减少电流控制(SpreadCycle™).everalcycle和StealthChop2斩波器模式可在各种速度下进行最小的噪声操作，并在everalcycle和StealthChop2之间进行自动切换。 Adi Trinamic的精致StealthChop2 Chopper确保无噪声操作与最大效率和最佳电动机扭矩相结合。 TMC5240是CDRIVER™IC，它通过集成运动控制器而超越了典型的电动机驱动程序，从而允许简化的系统体系结构。集成的8点运动坡道允许用户对所需的位置和运动配置文件进行编程，从而最大程度地减少混蛋并从主机控制器中卸载必要的计算。TMC5240是CDRIVER™IC，它通过集成运动控制器而超越了典型的电动机驱动程序，从而允许简化的系统体系结构。集成的8点运动坡道允许用户对所需的位置和运动配置文件进行编程，从而最大程度地减少混蛋并从主机控制器中卸载必要的计算。TMC5240是CDRIVER™IC，它通过集成运动控制器而超越了典型的电动机驱动程序，从而允许简化的系统体系结构。集成的8点运动坡道允许用户对所需的位置和运动配置文件进行编程，从而最大程度地减少混蛋并从主机控制器中卸载必要的计算。

这些产品具有诊断和保护措施，例如短或过电流保护，热关闭和欠压锁定(UVLO)。在热关机和UVLO事件中，驾驶员被禁用以防止损坏发生。此外，这些设备提供了测量一个外部模拟输入，评估驾驶员温度并估算运动温度的功能。

高集成，高能效和小型颜色构成具有成本效益解决方案的微型和可扩展系统。内部电流传感消除了对笨重的外部电流态电阻的需求。完整的解决方案可提供一流的表现，并将学习曲线降至最低。

这两种产品都可以用于医疗仪器，实验室和工厂自动化，CCTV，Security和3D打印机等应用中。

TMC2160双极步进电动机和TMC5160高压驱动器高压驱动器和双极步进电动机的运动控制器

TMC2160和TMC5160是具有串行通信接口(步骤/DIR，SPI，UART)的高功率，2相步进电动机驱动器IC，256-微晶状体分辨率和与微赖斯的微隔插入。这些IC利用各种ADI Trinamic功能，包括CoolStep，StealthChop2，StallGuard2和SpraverCycle来优化驾驶员性能。 TMC5160是一个CDRIVER IC，具有集成运动控制器，具有Sixpoint™渐变，以更快的定位和梯形斜坡引起的缓解共振。

这些IC没有集成的FET，可以通过选择FET进行灵活性，以适应高电流和/或高压。这种多功能性允许从电池动力系统到高压工业应用的广泛应用。

这两种产品都可以用于医疗，纺织品，机器人技术和工业驱动器以及闭路电视，安全性和工厂自动化的应用中。

TMC2300 2阶程步进电动机的低压驱动器

TMC23 00是一个低压步进电动机驱动器，可用于2相电池驱动的步进电动机。该驱动器除了Coolstep，StealthChop2，StallGuard4和SpreadCycle功能外，还包括256-微孔分的分辨率。 StealthChop2可实现对便携式，家庭和办公应用程序的无声运动控制。 TMC2300使用可选的UART接口进行高级配置，利用最多256个microSteps的步骤/DIR接口。高效的功率阶段和0.03 µA的微小备用电流有助于保证电池寿命较长。该驾驶员使用的双AA或单锂离子电池可以将其排入通常2.0V。

TMC2300驱动器可从3毫米×3毫米套件中提供高电机电流，适用于物联网，手持设备，电池操作设备和移动医疗设备。

结论

MicroStepping在不同的步进电机应用中提供了许多好处。当高效率，精确定位和最小噪声是至关重要的因素时，与ADI Trinamic溶液合并的效率是至关重要的。 ADI Trinamic的所有步进运动产品都具有256微质的功能，并以简单的任务来升级现有系统。