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          帕智電子(上海)有限公司

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          新聞資訊

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          圣邦微:步進電機系統尺寸更加小巧,運轉更加安靜、圓滑的秘密


          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。


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          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。

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          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。

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          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。

          C:\Users\ritao\Desktop\5.jpg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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