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NPM日本脈沖步進電機驅動電路的設計

2026-7-21　　閱讀(161)

步進電機驅動電路的設計

這次，我將解釋步進電機驅動電路設計的一般流程。

步進電機驅動電路設計流程

設計開始
1.電機選擇	電機的選擇取決于設備的具體要求（扭矩/推力、轉速、分辨率等）。驅動系統和控制系統的選擇也需考慮必要的功能和成本。
2.驅動集成電路選擇	電機驅動IC的選擇取決于電機的電流、命令輸入接口、驅動方式和勵磁方式。
3. IC常數的選擇	電流檢測電阻和參考電壓值等常數由電機電流值計算得出。電路設計時考慮了勵磁方式等其他集成電路功能。
4.考慮增加電路	我們正在考慮增加其他電路，例如（命令輸入濾波器和防止關機期間過熱的措施）。
5. IC配置考慮因素	PCB設計基于驅動IC數據手冊，并考慮了散熱和外圍元件布局等因素。
6.驗證	對已完成的電路板的規格和運行情況進行了檢查，包括（電路板/電機的發熱量、抗噪性等）。
目標

我將解釋每個步驟的關鍵點。

1. 電機選擇

選擇電機時，應確保其扭矩和運行速度均在設備所需的扭矩曲線范圍內。*1
此外，由于扭矩特性會因控制方式（恒流/恒壓）和驅動方式（雙極/單極）的不同而有所差異，因此在確定驅動方式和控制方式時，應同時考慮所需功能和成本。*2

有關驅動方式和控制方式的特性，請參閱
“第一部分：步進電機驅動IC基礎知識"。

*1推力轉換為扭矩。扭矩計算中考慮了安全系數。如果您需要電機選型方面的幫助，請聯系我們的銷售部門。
*2由于本系列文章主要討論電機驅動IC，我們將以使用雙極恒流或單極恒流驅動IC為例進行討論。

2. 驅動集成電路選擇

電機輸出電流

選擇能夠承受所選電機額定電流的驅動IC。

驅動IC的最大電流是指安裝在具有大散熱面積的理想電路板上時的值，因此在選擇時應假設實際可提供的電流約為其60-70%。

例如，如果IC的最大電流為3A，最好假設實際可提供的電流約為2A。
但是，如果可以使用大面積電路板、實現高效散熱或用于短時額定測試，則此假設不適用。

此外，不建議選擇最大電流遠大于電機電流的驅動IC。
例如，最大電流為3A的IC設計用于處理約1-2A的電流，因此如果電機電流低至0.2A，則誤差可能會很大（具體取決于驅動IC），并且可能無法正確控制電機。

電機電源電壓

驅動IC的電機電源電壓也需要留有足夠的余量。

根據電機和電路的不同，如果電機因外力作用而產生功率，則可能施加高于電源電壓的電壓。因此，建議選擇能夠承受至少比施加電壓高50%的驅動IC。
此外，電機電源電壓至少應為電機線圈電阻×電機電流×2。更多詳情，請參閱

“第六部分：如何選擇與恒流驅動IC配合使用的電機"。

驅動系統、勵磁系統

選擇與電機驅動方式和勵磁方式相匹配的集成電路 (IC)。

步進電機的驅動 IC 通常分為雙極恒流 IC 和單極恒流 IC。

此外，大多數驅動 IC 都具有微步控制功能（nW1-2 相勵磁）。
如果您有精細分辨率、振動抑制或降低運行噪聲的要求，微步控制可能有效。有關微步的更多信息，請參閱

“第 3 部分：驅動 IC 控制方法‘勵磁方式’

"。如果您需要進行雙極恒壓驅動，可以使用雙極恒流 IC 來實現雙極恒壓驅動。
但是，在恒壓驅動時，微步功能將不可用。*3

*3請向驅動 IC 制造商咨詢該驅動 IC 是否適用于恒壓驅動。

命令輸入接口

我們將考慮符合系統控制需求的命令輸入接口（時鐘/相位/串行等），并選擇具有該接口的驅動IC。*4

有關命令輸入接口的詳細信息，請參閱“第2部分：驅動IC操作命令信號規范"。

*4對于時鐘型輸入接口，使用我們專用的時鐘生成LSI（PCL系列、PCD系列）可以相對輕松地實現精細的時鐘控制，例如加/減速控制。

其他功能

不同廠商生產的驅動芯片各有特色，例如高效電流再生、防丟步以及無需電流檢測電阻等。選擇驅動
芯片時，請根據系統所需功能進行選擇。
如果該驅動芯片有配套的評估板，建議在評估板上驗證其運行情況。

3. IC常數的選擇

電流檢測電阻

選擇電機電流設定值和附加IC功能的常量。

根據電機電流值和驅動IC的設定電流計算公式選擇電流檢測電阻的值。
選擇時，還必須考慮參考電壓范圍和檢測電阻的功率。
由于驅動IC內部存在差異，各相之間的電流以及參考電壓與輸出電流之間的關系可能存在約±5%的誤差。為了抑制這種誤差的擴大，我們建議使用精度為±1%或更低的電阻。

此外，一些新型驅動IC不帶檢測電阻，您可以選擇其中一款。
有關選擇電流檢測電阻的信息，請參閱“第5部分：使用恒流驅動IC時的電流設定

"。在確定電流檢測電阻值和參考電壓值（電阻分壓器值）時，我們建議使用Excel等電子表格軟件。

參考電壓值

電機電流的計算和設定基于施加于驅動IC的參考電壓值和電流檢測電阻的阻值。*5
參考電壓可以通過將電源電壓或驅動IC的穩壓器輸出電壓與一個電阻分壓產生，也可以使用微控制器的DA輸出電壓。

通過改變參考電壓，可以改變電機電流。因此，如果系統中的電機電流值不固定，可以通過調節參考電壓的分壓電阻和一個電位器來調節電機電流。或者，也可以在確定電機電流后，為電位器選擇一個固定的阻值。有關

參考電壓的設定，請參閱“第5部分：使用恒流驅動IC時的電流設定"。

*5一些驅動IC具有固定的參考電壓，此時電機電流僅由檢測電阻設定。

激發方法

激勵方式包括2-2相激勵、1-2相激勵和微步進（nW1-2相激勵），許多驅動IC允許用戶選擇激勵方式。
微步進適用于提高位置分辨率、降低運行噪聲或實現平穩旋轉的情況。

但是，輸入時鐘指令需要速度和脈沖數乘以分辨率。
此外，PF型電機的結構限制了其位置分辨率，約為1/8。設置更高的分辨率會導致運動抖動。
為了降低運行噪聲并提高平穩性，高于1/8的分辨率是有效的。
有關激勵方式的更多信息，請參閱“第三部分：驅動IC控制方法‘激勵方式’"。

衰減設置

恒流驅動系統利用衰減控制來高效地回收和利用線圈中存儲的能量。
衰減控制旨在提高微步進過程中的電流跟蹤性能。
有關衰減控制的更多信息，請參閱“第四部分：衰減控制"。

斬波頻率

一些驅動集成電路允許您設置電流控制周期的頻率。
這用于減少電流脈動或改變電機發出的聲音。
然而，不同電機之間存在差異，有些電機比其他電機產生更明顯的噪音，因此調整后的聲音質量可能并不適用于所有電機。

驅動IC輸出信號

某些驅動集成電路具有在初始激勵狀態下輸出的電角度監測信號，以及在元件過熱或過電流時輸出的誤差信號。
必要時，這些信號會連接到控制器。

其他的

某些驅動芯片具有特殊功能，例如跳頻抑制功能。
如果該驅動芯片有配套的評估板，建議使用該評估板驗證其功能。

4. 考慮增加電路

除了驅動IC的基本功能外，它還增加了其他必要的系統功能。

命令輸入過濾器

當時鐘輸入信號通過電纜傳輸時，噪聲可能會引入到信號線中。
在這種情況下，可以使用CR濾波器或類似器件對噪聲進行濾波，從而提高抗噪性能。

停機期間的散熱應對措施

由于步進電機持續消耗電流，即使在停止狀態下，電機和驅動器也會產生熱量。
如果允許在停止狀態下降低扭矩，則可采取控制措施，例如降低控制電流值的參考電壓或關閉勵磁，以抑制電機和驅動器的發熱。
控制時序由控制器指令或脈沖輸入時序決定。*6

*6最好在電機振動停止后（例如 50 毫秒）再調整電流值。

5. IC配置考慮因素

根據驅動芯片的數據手冊和應用說明，放置各個元件。

散熱

許多驅動IC通過電路板散熱，如果散熱不足，則需要使用散熱片和散熱鰭片進行散熱。安裝散熱鰭片時，應考慮電路板與周圍元件的干擾。此外，電路板的設計應充分利用導熱孔等設計，確保熱量能夠有效地散發到整個電路板上。
驅動IC產生的熱量主要來自輸出級FET的導通電阻以及電機電流引起的I2×R功耗；電流加倍，產生的熱量大約增加四倍。必須確保驅動IC內部的結溫不會因發熱而超過保證值。根據驅動IC的不同，其結溫必須低于120°C。有關
發熱的更多信息，請參閱“第七章：電機和驅動器的發熱"。

外圍組件布局

驅動IC周圍的外圍元件，特別是電流檢測電阻和電源電容，應盡可能靠近IC放置。
在布置電流檢測電阻的導線時，應盡量使用短而粗的導線。過長的導線會增加電機電流紋波。

此外，電源電容應包含一個濾波電容和一個噪聲抑制陶瓷電容。
將噪聲抑制陶瓷電容放置在IC附近可以降低噪聲。
對于濾波電容，應使用數據手冊推薦范圍內的電解電容，并盡可能靠近IC放置。
如果紋波電流較大，使用混合電容可能更有效。

6. 驗證

通過對成品電路板進行規格、運行和可靠性測試，確認產品有效性。

電路板/電機過熱

我們將測量實際產生的熱量，并驗證其是否符合規格。
如果發熱量過大，我們將審查散熱系統和相關規格。有效的解決方案可能是降低電流。

抗噪性測試

我們在電源線和信號線上疊加噪聲，以確保不會發生諸如線路錯位之類的故障。
有多種噪聲抑制措施可供選擇，包括檢查時鐘輸入線的濾波器常數、絞合信號線電纜以及插入鐵氧體磁芯。

其他的

除了規格和運行驗證以及噪聲測試外，還會根據需要進行可靠性測試，例如溫度測試、振動測試、沖擊測試、電壓波動測試和加速度測試。

步進電機驅動電路的設計正是遵循這流程。

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