步進(jìn)電機(jī)在基于計(jì)算機(jī)和微控制器的位置控制應(yīng)用中很流行，例如機(jī)器人技術(shù)，工業(yè)自動(dòng)化，CNC機(jī)器，3D打印機(jī)和攝像機(jī)控制。由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且連接線數(shù)量有限，因此步進(jìn)電動(dòng)機(jī)看上去看似簡(jiǎn)單。在網(wǎng)上常能看到，甚至還有很多關(guān)于如何使用老式L293D驅(qū)動(dòng)器IC和Arduino控制步進(jìn)電機(jī)的教程，但是對(duì)于嚴(yán)肅的應(yīng)用，一切都取決于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的質(zhì)量和功能。

常用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器類型

可拔插驅(qū)動(dòng)模塊

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如果您從事涉及步進(jìn)電機(jī)的愛好項(xiàng)目，或者正在構(gòu)建3D打印機(jī)，則可能熟悉可拔插驅(qū)動(dòng)模塊。它們由一個(gè)帶有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC的小型PCB和排針連接器組成，可將模塊插入較大的電路板。

可拔插驅(qū)動(dòng)模塊種類很多，可從多家半導(dǎo)體制造商的驅(qū)動(dòng)器IC中進(jìn)行選擇。一些高端的則是圍繞Trinamic步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器IC構(gòu)建的所謂SilentStepSticks，其中TMC2100和TMC2130是最受歡迎的。

這些SilentStepSticks是3D打印應(yīng)用程序的理想選擇，尤其是在長(zhǎng)時(shí)間的打印作業(yè)中。使用較不高級(jí)的驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的噪音可能很快會(huì)令人煩惱。SilentStepSticks不僅可使打印機(jī)安靜運(yùn)行，而且還有助于獲得更好，更平滑和更一致的打印結(jié)果。

除了標(biāo)準(zhǔn)的Enable，Step和Dir信號(hào)之外，基于TMC2130和TMC5160的還具有SPI接口，該接口可用于調(diào)整和配置多個(gè)驅(qū)動(dòng)器參數(shù)。現(xiàn)代3D打印軟件比如Marlin支持這些驅(qū)動(dòng)程序，甚至可以在打印過程中通過SPI接口自動(dòng)調(diào)整電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，以達(dá)到最佳效果。

盡管可拔插驅(qū)動(dòng)模塊很小并且易于更換，但它們也有許多缺點(diǎn)。由于尺寸非常小，大多數(shù)驅(qū)動(dòng)器IC都使用集成MOSFET，即使在頂部沒有散熱片的情況下，容易過熱。在像CNC這樣要求更高的應(yīng)用中，這主要是一個(gè)問題。

此外，可拔插驅(qū)動(dòng)模塊不提供電動(dòng)機(jī)電源和控制信號(hào)之間的電氣隔離，從而使其不適用于復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

工業(yè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

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工業(yè)驅(qū)動(dòng)器通常用于廣泛的應(yīng)用，并且大多位于帶有接線盒的外殼中，該接線盒用于連接電源，電動(dòng)機(jī)導(dǎo)線和控制信號(hào)。通常，外殼也會(huì)用作內(nèi)部電子設(shè)備的散熱器。一些驅(qū)動(dòng)器外殼甚至適合直接安裝在步進(jìn)電機(jī)的背面。通常使用DIP開關(guān)完成主要驅(qū)動(dòng)器參數(shù)（如微步距和電動(dòng)機(jī)電流）的配置。更高級(jí)的驅(qū)動(dòng)程序還提供用于配置和調(diào)整電動(dòng)機(jī)參數(shù)的串行端口或USB接口。

工業(yè)驅(qū)動(dòng)器傾向于具有光耦合器輸入，從而為控制信號(hào)（使能，步進(jìn)和Dir信號(hào)）提供電隔離。一些驅(qū)動(dòng)程序使用ModBus（甚至CAN總線）來控制電動(dòng)機(jī)的位置，速度和方向。

概括地說，有兩種驅(qū)動(dòng)程序類型可用：開環(huán)和閉環(huán)。后者使用旋轉(zhuǎn)編碼器將電機(jī)軸位置反饋給驅(qū)動(dòng)。如果電動(dòng)機(jī)在某些負(fù)載條件下失步，則可以提供更高的精度和補(bǔ)償。如果需要驅(qū)動(dòng)多個(gè)步進(jìn)電機(jī)，也可以選擇多軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

Trinamic TMC2160電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC
我們的“金剛狼”數(shù)控龍門機(jī)器人（在第1部分和第2 部分中發(fā)布）基于Eding CNC的CNC310控制板。由于CNC310板需要外部步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，因此我們考慮使用基于Trinamic IC的驅(qū)動(dòng)器。這將使CNC龍門機(jī)器人能夠安靜地運(yùn)行，這在將機(jī)器用作SMT組件的拾取和放置機(jī)器時(shí)尤其重要。

最初，我們使用TMC2100和TMC2130 SilentStepSticks進(jìn)行了一些快速測(cè)試，但這些測(cè)試無法完成任務(wù)，并且會(huì)迅速過熱。取而代之的是，我們研究了全新的TMC2160，它使用外部MOSFET，并設(shè)計(jì)用于耗電較大的應(yīng)用（圖1）。

可以使用TMC2160轉(zhuǎn)接板，但是不幸的是，僅通過SPI可以配置電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器參數(shù)，而CNC310板不支持該功能。此外，控制信號(hào)與電動(dòng)機(jī)電源之間也沒有電隔離。

最后，我們?cè)O(shè)計(jì)了自己的基于TMC2160的驅(qū)動(dòng)器，該IC以獨(dú)立模式運(yùn)行，并具有用于控制信號(hào)的光耦合器輸入。這允許使用DIP開關(guān)設(shè)置電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器參數(shù)。

大多數(shù)現(xiàn)代的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（如TMC2160）都是所謂的斬波器驅(qū)動(dòng)器，它們可以快速接通和斷開相對(duì)較高的電壓（通常是額定電動(dòng)機(jī)電壓的八倍，以達(dá)到最佳效果）。該技術(shù)允許控制每相的平均電流。大多數(shù)斬波驅(qū)動(dòng)器在20–50kHz范圍內(nèi)使用斬波頻率。由于斬波頻率高于可聽范圍，因此噪聲水平保持較低。在恒定的固定斬波頻率下，通過改變輸出脈沖的脈沖寬度來控制平均輸出電流，這種技術(shù)稱為脈沖寬度調(diào)制（PWM）。

除了經(jīng)典的恒定停機(jī)時(shí)間斬波器外，TMC2160還具有兩種復(fù)雜的SpreadCycle和StealthChop2斬波器模式，可確保無噪音運(yùn)行，并具有最高效率和最佳電機(jī)轉(zhuǎn)矩。

StealthChop2是基于電壓斬波器的原理。它特別保證了電動(dòng)機(jī)在靜止和慢速運(yùn)行時(shí)均保持安靜，但滾珠軸承會(huì)產(chǎn)生噪音。與其他電壓模式斬波器不同，stealthChop2不需要任何配置。在加電后的第一個(gè)動(dòng)作期間，它會(huì)自動(dòng)學(xué)習(xí)最佳設(shè)置，并在隨后的動(dòng)作中進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)置。初始?xì)w位序列足以進(jìn)行學(xué)習(xí)。StealthChop2通過立即對(duì)電動(dòng)機(jī)速度的變化做出反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)了較高的電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)性能。

SpreadCycle是高級(jí)逐周期斬波器模式。它在廣泛的速度和負(fù)載范圍內(nèi)提供平穩(wěn)的運(yùn)行和良好的共振阻尼。SpreadCycle斬波器方案可自動(dòng)集成并調(diào)整快速衰減周期，以確保平滑的過零性能，并在低振動(dòng)下實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)和最高峰值速度。

TMC2160的其他進(jìn)步包括MicroPlyer階躍插值，用于中頻諧振的諧振阻尼，DcStep負(fù)載相關(guān)的速度控制，StallGuard高精度無傳感器電動(dòng)機(jī)負(fù)載檢測(cè)以及CoolStep電流控制，可節(jié)省多達(dá)75％的能量。有關(guān)更多信息，請(qǐng)參考TMC2160產(chǎn)品頁面和數(shù)據(jù)手冊(cè)。

下面為電路圖：

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總結(jié)

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