【導讀】在精密運動控製應用中
，步進電機的微步進技術能夠顯著提升運動平滑度與定位精度。要充分發揮其性能，工程師需清晰掌握全步
、半步與微步等驅動模式的原理與區別。本文係統解析微步進的工作機製與技術優勢，為實際應用提供實用參考。

摘要

在精密運動控製應用中，步進電機的微步進技術能夠顯著提升運動平滑度與定位精度。要充分發揮其性能
，工程師需清晰掌握全步、半步與微步等驅動模式的原理與區別。本文係統解析微步進的工作機製與技術優勢
，為實際應用提供實用參考。

簡介

步進電機準確度高且控製方案相對簡單，因此廣泛應用於工業

、醫療和三軸定位係統應用

，例如3D打印機和計算機數控(CNC)機ji器qi。雖sui然ran交jiao流liu電dian機ji和he無wu刷shua直zhi流liu電dian機ji都dou能neng實shi現xian高gao準zhun確que度du
，但dan步bu進jin電dian機ji除chu了le高gao準zhun確que度du優you勢shi之zhi外wai
，還hai能neng在zai開kai環huan控kong製zhi模mo式shi下xia運yun行xing
，並bing能neng在zai低di速su時shi提ti供gong高gao扭niu矩ju輸shu出chu。此ci外wai，相xiang較jiao於yu伺si服fu電dian機ji
，步bu進jin電dian機ji通tong常chang更geng具ju性xing價jia比bi且qie更geng簡jian單dan。與yu有you刷shua直zhi流liu電dian機ji不bu同tong，步bu進jin電dian機ji能neng夠gou在zai高gao扭niu矩ju下xia保bao持chi位wei置zhi穩wen定ding。

weibujinrangdianjiyijiaoxiaodezengliangyidong，yincidianjimeizhuandelisandingweidianshuliangxianzhuzengjia，dianjizaoshenghezhendongxiangyingdijiangdi，shifeichangshiyongdebujindianjikongzhifangshi。ADI公司的Trinamic運動控製技術包含步進電機驅動器IC、板級模塊和完整的解決方案

，能夠實現高達256微步進的步進電機操作。

步進電機基礎知識

電機結構

步進電機，常常又稱為步進器，由磁轉子和定子線圈組成。混合式兩相步進電機的轉子有兩個磁杯，每個磁杯通常有50個齒

，如圖1所(suo)示(shi)。這(zhe)些(xie)磁(ci)體(ti)的(de)磁(ci)性(xing)相(xiang)反(fan)，且(qie)位(wei)置(zhi)相(xiang)互(hu)錯(cuo)開(kai)。定(ding)子(zi)由(you)兩(liang)組(zu)線(xian)圈(quan)組(zu)成(cheng)
，這(zhe)些(xie)線(xian)圈(quan)圍(wei)繞(rao)中(zhong)心(xin)轉(zhuan)子(zi)分(fen)布(bu)在(zai)多(duo)個(ge)位(wei)置(zhi)。按(an)順(shun)序(xu)給(gei)每(mei)相(xiang)通(tong)電(dian)，電(dian)機(ji)就(jiu)會(hui)旋(xuan)轉(zhuan)。

圖1.混合式步進電機結構。(a) 8極定子。(b)永磁轉子。

工作原理

步進電機通過將一整圈旋轉分割成等距的步進來實現離散運動。例如，若一台步進電機每轉擁有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
，當電流通過電機線圈時
，會產生一個磁場
；該(gai)磁(ci)場(chang)會(hui)吸(xi)引(yin)或(huo)排(pai)斥(chi)永(yong)磁(ci)轉(zhuan)子(zi)
，從(cong)而(er)驅(qu)動(dong)轉(zhuan)子(zi)旋(xuan)轉(zhuan)，直(zhi)至(zhi)與(yu)磁(ci)場(chang)對(dui)齊(qi)。為(wei)了(le)保(bao)持(chi)電(dian)機(ji)持(chi)續(xu)旋(xuan)轉(zhuan)
，每(mei)個(ge)線(xian)圈(quan)必(bi)須(xu)交(jiao)替(ti)通(tong)電(dian)，以(yi)確(que)保(bao)磁(ci)場(chang)始(shi)終(zhong)領(ling)先(xian)於(yu)轉(zhuan)子(zi)位(wei)置(zhi)。

圖2.混合式步進電機操作。

全步進和半步進

為了更好地理解步進電機的步進行為
，我們來分析一個簡化的兩相步進電機模型。該模型有一個磁極對，如圖3所示。

圖3.帶有永磁轉子的簡化兩相步進電機。

全步進模式

zaiquanbujinmoshixia，qudongqishiyongzhengdianliuhuofudianliuweilianggexianquantongdian。liangxiangtongshitongdian，yishixianzuidaniuju。qiehuanxianquanzhongdianliudefangxiang，huidaozhixianquanraozhouxuanzhuan。qiehuanmoshi（也稱為換相）通常遵循圖4所示的周期序列。

圖4.兩相步進電機的全步進模式。

全步進能夠實現精確的步進、速(su)度(du)控(kong)製(zhi)和(he)高(gao)保(bao)持(chi)扭(niu)矩(ju)。此(ci)外(wai)
，當(dang)電(dian)機(ji)高(gao)速(su)運(yun)行(xing)時(shi)，全(quan)步(bu)進(jin)可(ke)以(yi)大(da)大(da)地(di)提(ti)高(gao)電(dian)機(ji)的(de)扭(niu)矩(ju)輸(shu)出(chu)。然(ran)而(er)，全(quan)步(bu)進(jin)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)振(zhen)動(dong)過(guo)大(da)並(bing)產(chan)生(sheng)較(jiao)大(da)噪(zao)聲(sheng)
，如(ru)圖(tu)5所suo示shi。這zhe種zhong振zhen動dong和he噪zao聲sheng主zhu要yao歸gui因yin於yu電dian機ji位wei置zhi的de大da幅fu跳tiao變bian，這zhe使shi得de電dian機ji在zai到dao達da目mu標biao位wei置zhi時shi容rong易yi過guo衝chong，從cong而er在zai特te定ding速su度du下xia引yin發fa高gao共gong振zhen現xian象xiang並bing降jiang低di輸shu出chu扭niu矩ju。

圖5.全步進過衝和振鈴。

擁有單個磁極對的簡化電機采用全步進換相時，每轉可以實現4個離散位置。若將這一概念擴展到擁有50個磁極對的電機，那麼每轉就能實現200個全步進。

通過該設置，當轉子的齒與線圈的磁場對齊時，電機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衝、振動和噪聲問題。如圖6所示，通過采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ge
，從cong而er使shi位wei置zhi分fen辨bian率lv加jia倍bei。電dian機ji驅qu動dong器qi通tong過guo單dan相xiang和he雙shuang相xiang勵li磁ci的de交jiao替ti，實shi現xian半ban步bu進jin行xing為wei。半ban步bu進jin模mo式shi不bu僅jin提ti高gao了le位wei置zhi分fen辨bian率lv，還hai減jian少shao了le振zhen動dong。低di速su時shi旋xuan轉zhuan扭niu矩ju略lve有you增zeng加jia，但dan在zai新xin的de半ban步bu進jin位wei置zhi，電dian機ji的de保bao持chi扭niu矩ju會hui減jian小xiao。這zhe通tong常chang被bei稱cheng為wei“增量扭矩”。

圖6.兩相步進電機的半步進模式。

jinguanbanbujinmoshidailailezhuduogaijin，danrengcunzaiyixiewenti。dianjirenghuifashengjiaodadeweizhitiaobian，zheyiweizhedianjidexuanzhuanbingfeiwanquanpingwen。ciwentizaidisushiyouqimingxian，zheyeshiwomenxuyaoweibujindezhongyaoyuanyin。

微步進

什麼是微步進
？

微wei步bu進jin是shi一yi種zhong控kong製zhi步bu進jin電dian機ji的de方fang法fa，能neng夠gou讓rang電dian機ji旋xuan轉zhuan到dao全quan步bu進jin之zhi間jian的de多duo個ge中zhong間jian位wei置zhi。它ta通tong常chang用yong於yu實shi現xian更geng高gao的de位wei置zhi分fen辨bian率lv和he更geng平ping穩wen的de低di速su旋xuan轉zhuan。微wei步bu進jin通tong過guo將jiang每mei個ge全quan步bu進jin分fen成cheng多duo個ge等deng距ju的de微wei步bu進jin來lai實shi現xian，如ru圖tu7所示。提高微步分辨率可以減小步進距離，從而降低位置過衝和振鈴，進而改善振動和噪聲。

圖7.微步進時通過每個線圈的電流。

圖8.不同步進模式下電流波形和位置過衝/振鈴的比較。

微步進工作原理

微步進的實現依賴於向電機提供正弦波形，如圖8所suo示shi。電dian機ji驅qu動dong器qi利li用yong電dian流liu調tiao節jie將jiang這zhe些xie正zheng弦xian波bo精jing確que傳chuan送song到dao每mei個ge電dian機ji線xian圈quan。然ran而er，我wo們men無wu法fa產chan生sheng完wan美mei的de正zheng弦xian波bo。正zheng弦xian波bo的de質zhi量liang，以yi及ji基ji於yu此ci的de微wei步bu進jin質zhi量liang，受shou限xian於yu步bu進jin驅qu動dong器qi的de模mo數shu轉zhuan換huan器qi(ADC)和數模轉換器(DAC)的分辨率。ADI Trinamic的每款步進電機驅動器均配備至少8位的ADC和DAC
，每個全步進最多可實現256個微步進。混合式步進電機通常每轉有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。步進分辨率為0.00703125°
，相當驚人。

關鍵考慮因素：位置準確度和增量扭矩

盡管微步進技術具有諸多優勢，但也麵臨兩個關鍵挑戰：位置準確度和增量扭矩。

位(wei)置(zhi)準(zhun)確(que)度(du)是(shi)指(zhi)電(dian)機(ji)的(de)實(shi)際(ji)位(wei)置(zhi)與(yu)目(mu)標(biao)位(wei)置(zhi)之(zhi)間(jian)的(de)誤(wu)差(cha)。微(wei)步(bu)進(jin)雖(sui)然(ran)能(neng)夠(gou)通(tong)過(guo)增(zeng)加(jia)離(li)散(san)位(wei)置(zhi)數(shu)量(liang)提(ti)高(gao)位(wei)置(zhi)分(fen)辨(bian)率(lv)，但(dan)並(bing)不(bu)能(neng)提(ti)高(gao)位(wei)置(zhi)準(zhun)確(que)度(du)。電(dian)機(ji)的(de)準(zhun)確(que)度(du)仍(reng)然(ran)取(qu)決(jue)於(yu)結(jie)構(gou)公(gong)差(cha)


、電機負載以及驅動器向電機線圈準確提供所需電流水平的能力。無論是全步進還是微步進

，這些限製因素都會影響電機的準確度。

增(zeng)量(liang)扭(niu)矩(ju)是(shi)指(zhi)當(dang)電(dian)機(ji)處(chu)於(yu)靜(jing)止(zhi)狀(zhuang)態(tai)時(shi)
，使(shi)其(qi)離(li)開(kai)當(dang)前(qian)位(wei)置(zhi)所(suo)需(xu)的(de)扭(niu)矩(ju)量(liang)。使(shi)用(yong)全(quan)步(bu)進(jin)時(shi)，磁(ci)轉(zhuan)子(zi)與(yu)電(dian)機(ji)線(xian)圈(quan)精(jing)準(zhun)對(dui)齊(qi)，產(chan)生(sheng)最(zui)大(da)保(bao)持(chi)扭(niu)矩(ju)，此(ci)扭(niu)矩(ju)等(deng)於(yu)電(dian)機(ji)的(de)額(e)定(ding)保(bao)持(chi)扭(niu)矩(ju)。然(ran)而(er)，當(dang)使(shi)用(yong)微(wei)步(bu)進(jin)時(shi)
，增(zeng)量(liang)扭(niu)矩(ju)會(hui)依(yi)據(ju)電(dian)機(ji)所(suo)處(chu)的(de)微(wei)步(bu)進(jin)位(wei)置(zhi)而(er)相(xiang)應(ying)地(di)減(jian)小(xiao)。

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：

可以通過幾個例子來仔細說明這一定義。假設一個電機使用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。增量扭矩減小至電機保持扭矩的70.709%。

再舉一個例子，當電機停止在7/256微步位置時：

因此
，SDR為256
，增量扭矩下降至電機保持扭矩的0.61%。

表1總結了SDR與增量扭矩之間的關係。

表1.增量扭矩

需xu要yao注zhu意yi的de是shi
，雖sui然ran增zeng量liang扭niu矩ju會hui降jiang低di電dian機ji在zai微wei步bu進jin位wei置zhi的de保bao持chi扭niu矩ju
，但dan旋xuan轉zhuan扭niu矩ju基ji本ben不bu受shou影ying響xiang。當dang電dian機ji旋xuan轉zhuan時shi，增zeng量liang扭niu矩ju減jian小xiao的de影ying響xiang不bu會hui表biao現xian出chu來lai。在zai實shi際ji應ying用yong中zhong，如ru果guo需xu要yao高gao保bao持chi扭niu矩ju

，用yong戶hu應ying盡jin量liang將jiang電dian機ji停ting在zai全quan步bu進jin或huo半ban步bu進jin位wei置zhi。

常見微步進應用

許多使用步進電機的應用都可以從微步進技術獲益。例如，在3D打(da)印(yin)中(zhong)，要(yao)實(shi)現(xian)高(gao)質(zhi)量(liang)的(de)打(da)印(yin)效(xiao)果(guo)，必(bi)須(xu)確(que)保(bao)高(gao)位(wei)置(zhi)分(fen)辨(bian)率(lv)並(bing)將(jiang)振(zhen)動(dong)降(jiang)至(zhi)最(zui)低(di)。醫(yi)療(liao)成(cheng)像(xiang)和(he)手(shou)術(shu)機(ji)器(qi)人(ren)需(xu)要(yao)安(an)靜(jing)的(de)操(cao)作(zuo)和(he)精(jing)準(zhun)的(de)定(ding)位(wei)
，進(jin)而(er)可(ke)以(yi)確(que)保(bao)患(huan)者(zhe)感(gan)到(dao)舒(shu)適(shi)和(he)安(an)全(quan)。微(wei)步(bu)進(jin)技(ji)術(shu)可(ke)以(yi)滿(man)足(zu)這(zhe)些(xie)要(yao)求(qiu)。

此外，由於微步進的步長較小
，位置過衝也顯著減小。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，還會給某些應用中（如數控銑床）造成額外的磨損並影響可靠性。通過減少機械振動和噪聲，微步進技術還能減少與操作電機控製係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
、閥門控製
、氣泵、閉路電視、機器人和工廠自動化等領域。

ADI Trinamic解決方案

ADI Trinamic的步進電機產品具備多種特性
，能夠幫助用戶實現微步進控製。該係列的所有產品均支持高達256個微步進的分辨率。

此外，有些ADI Trinamic器件還具備MicroPlyer™技術，這是一種創新型微步進插值技術
，旨在讓老舊應用也能輕鬆享受微步進的高分辨率優勢。

ADI Trinamic產品係列提供了完整、高效且小巧的解決方案，能夠滿足各種空間和性能需求。這些器件有助於降低步進電機應用的複雜性，並縮短上市時間。

MicroPlyer微步進插值器

256微步進的分辨率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技術支持將較低步進分辨率係統升級到256微步進
，而無需修改運動控製邏輯。

MicroPlyer的(de)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)是(shi)在(zai)步(bu)進(jin)脈(mai)衝(chong)之(zhi)間(jian)加(jia)入(ru)額(e)外(wai)的(de)電(dian)流(liu)步(bu)進(jin)，同(tong)時(shi)精(jing)準(zhun)控(kong)製(zhi)位(wei)置(zhi)和(he)速(su)度(du)。該(gai)技(ji)術(shu)會(hui)測(ce)量(liang)前(qian)一(yi)步(bu)進(jin)周(zhou)期(qi)的(de)時(shi)間(jian)長(chang)度(du)並(bing)將(jiang)其(qi)分(fen)成(cheng)若(ruo)幹(gan)相(xiang)等(deng)部(bu)分(fen)，從(cong)而(er)在(zai)步(bu)進(jin)脈(mai)衝(chong)之(zhi)間(jian)進(jin)行(xing)時(shi)間(jian)插(cha)值(zhi)。這(zhe)會(hui)產(chan)生(sheng)一(yi)個(ge)內(nei)部(bu)256微步進STEP信號來驅動電機。盡管輸入的是低分辨率步進信號，但卻能平穩地輸出256微步進。因此
，ADI Trinamic步進電機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微步進驅動器和係統，實現更平穩的256微步進運動。如果使用步進角為1.8°的電機，期望速度為每秒10轉(RPS)，那麼使用16微步進時，輸入STEP信號須為32 kHz。通常，對於支持256微步進的200全步進電機，需要512 kHz的信號頻率才能實現10 RPS的轉速。對於某些主機控製器或MCU來說，此頻率可能過高。在這種情況下
，設計人員可以采用支持MicroPlyer的ADI Trinamic驅動器，這樣就能繼續使用32 kHz STEP信號。ADI Trinamic驅動器可以對STEP信號進行插值處理，從而實現256微步進的高分辨率運動控製，如圖9所示。

TMC2240（36 V
、2 A rms+智能集成步進驅動器，帶有S/D和SPI）與TMC5240（36 V、2 A rms+智能集成步進驅動器和控製器）

ADI公司的TMC2240和TMC5240是智能
、高性能
、兩相步進電機驅動器IC
，具有串行通信接口（SPI
、UART）
、豐富的診斷功能以及采用MicroPlyer技術的微步進插值特性。這些驅動器IC結合了基於256微步進的先進步進電機驅動器、內置索引器
，以及兩個完全集成的36 V、3.0 AMAX H橋，並具備無損耗式集成電流檢測(ICS)功能。TMC2240和TMC5240憑借出色的運動和電流控製能力，能夠實現平穩、安靜的步進電機運動。這兩款器件還具備全套ADI Trinamic特性

，包括提高能效的CoolStep™、無傳感器負載和失速檢測(StallGuard2™/StallGuard4™)、低噪聲運行(StealthChop2)和降低紋波的電流控製(SpreadCycle™)。SpreadCycle和StealthChop2斬波模式支持在非常寬的速度範圍內實現最低噪聲運行，可以在SpreadCycle和StealthChop2之間自動切換。ADI Trinamic的先進StealthChop2斬波可確保無噪聲運行，同時提供出色的效率和電機扭矩。TMC5240是一款cDriver™ IC，通過集成運動控製器，超越了傳統電機驅動器，簡化了係統架構。其中集成的8點運動斜坡允許用戶設置期望的位置和運動曲線，從而盡量減少抖動，並分擔必要的計算工作
，減輕主機控製器的負擔。

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，以防止器件受損。此外
，這些器件還支持測量一個外部模擬輸入、評估驅動器溫度和估算電機溫度的功能。

高集成度
、高gao能neng效xiao和he小xiao尺chi寸cun有you利li於yu打da造zao小xiao型xing化hua的de可ke擴kuo展zhan係xi統tong，從cong而er實shi現xian經jing濟ji高gao效xiao的de解jie決jue方fang案an。其qi中zhong還hai內nei置zhi電dian流liu檢jian測ce功gong能neng
，因yin而er無wu需xu龐pang大da的de外wai部bu電dian流liu檢jian測ce電dian阻zu。完wan整zheng的de解jie決jue方fang案an不bu僅jin性xing能neng出chu色se，而er且qie還hai大da大da降jiang低di了le學xue習xi難nan度du。

圖9.MicroPlyer微步進插值器的簡化示例
，支持從全步進到16微步進的插值。

這兩款產品均可用於醫療器械、實驗室和工廠自動化、閉路電視、安防、3D打印機等領域。

TMC2160（雙極步進電機高壓驅動器）與TMC5160（雙極步進電機高壓驅動器和運動控製器）

TMC2160和TMC5160是高功率、兩相步進電機驅動器IC
，配備串行通信接口（STEP/DIR、SPI
、UART），支持256微步進分辨率

，並采用MicroPlyer技術實現微步進插值。這些IC集成了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是一款集成運動控製器的cDriver IC，采用了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沒有集成FET
，用戶可以靈活地選擇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係統以及高壓工業係統等廣泛應用。

這兩款產品均可用於醫療、紡織、機器人
、工業驅動、閉路電視、安防、工廠自動化等領域。

TMC2300（兩相步進電機低壓驅動器）

TMC2300是一款用於兩相電池供電步進電機的低壓步進電機驅動器。除了CoolStep、StealthChop2、StallGuard4和SpreadCycle特性之外，該驅動器還支持256微步進分辨率。StealthChop2能夠為便攜式、家庭和辦公應用帶來安靜的運動控製體驗。TMC2300采用STEP/DIR接口
，支持高達256微步進
，可通過可選的UART接口可進行高級配置。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驅動器采用小型3 mm × 3 mm封裝
，能夠提供高電機電流
，適用於物聯網、手持設備、電池供電設備和移動醫療器械。

結論

微步進在各種步進電機應用中都展現出諸多優勢。結合微步進技術與ADI Trinamic解決方案，可以有效滿足高效率、精準定位和極低噪聲應用的要求。ADI Trinamic的所有步進電機產品均支持256微步進
，因此對現有係統進行微步進升級變得十分簡便。

參考文獻

1 George Beauchemin。“Microstepping Myths。”機械設計75，第19期
，2003年10月。

（作者：Cindy Chang

，應用工程師Tea Tran，應用工程師）

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