步进马达无所不在。其广泛用于各种应用，例如机器人、印表机、工业位置控制、投影仪、相机等。步进马达通常有两个马达绕组。每个绕组由全桥驱动。马达位置透过调节马达绕组中的电流进行控制。

为了使马达的运动轨迹更顺畅、位置控制更准确，需要采用微步进控制。在微步进控制时，绕组中电流以正弦(A线条)和余弦(B线条)函数进行调整(图1)，每一步对应一个预设的电流水准。没有*佳的衰变模式，就无法进行良好的微步进，会使马达位置控制效能较差。

图1　微步进正弦和余弦函数

步进马达衰变模式运作简介

衰变是驱动中断后驱动开关和二极体中的回圈电流，在脉冲宽度调变(PWM)电流调节/斩波技术中很常见。通常达到斩波电流的阈值后，驱动电流就会中断。为了处理衰变电流，全桥可以两种不同状态运行：快速衰变与慢速衰变。混合了快速衰变和慢速衰变的混合衰变也常常用到。图2为正向电流的快速衰变与慢速衰变。

图2　微步进马达控制正向电流的快速衰变与慢速衰变。

图3为典型的PWM周期和事件顺序。本图中不同的衰变模式说明如下：

图3　慢速、快速与混合衰变模式的电流波形。

在慢速衰变中，电流使用两个低阶场效电晶体(FET)进行回圈。然而，被调节的电流水准却会因为电流衰变的速度较慢而受限。

在快速衰变中，全桥反转绕组电压，使电流以更快的速度衰变。快速衰变的限制在于电流充电和放电的速度相似，因此，波纹电流可能会很大。这会导致较低的效率，并限制了一些可调节的电流水准。

混合衰变是快速衰变和慢速衰变的组合。首先透过快速衰变，经过特定时间后转至慢速衰变模式。固定混合衰变也有其限制。PWM周期或慢速与快速衰变的结合比例要根据马达、步进速度、负载电流和电源电压大小进行优化。与高电流水准相比，低负载电流水准需要不同的组合比例。

三大传统衰变模式各有限制

传统的固定衰变模式(慢速、快速和混合衰变)有许多限制。其中有一项是无法准确的调节电流，限制了微步进马达的性能表现。传统的固定衰变还需要设计人员进行微调，以确定*佳的设定。*后，固定衰变不根据电源电压、负载电流、反电动势(BEMF)和微步进等各种的参数进行调整。

通常，逐一尝试各种固定衰变选项，观察示波器中的电流来选择*适宜的选项，是目前开发人员所能采用的*佳开发方法。但这个过程非常耗时，而且在选择*佳模式时仍须在不同条件限制中进行妥协，例如：

．快速步进速度的*佳化(藉由设置更高的混合衰变比例)会导致马达保持在同一步时，电流调节中出现过多涟波(Ripple)。

．新电池和电量减少的旧电池，衰变模式可能不一样。

．处理峰值电流和处理接近零电流的*佳衰变模式大不相同。

．以激进的衰变设定(混合衰变周期中快速衰变比例较高)来削弱反电动势，会在调节大多数步进的电流时引起过多的涟波。

．针对全新马达微调出来的设定可能不适合用在接近报废的旧马达上。

掌握两大重点　摆脱传统衰变限制

在寻找处理衰变电流的改进方法时，仔细分析其限制处会出现一些问题。不同水准的微步进电流能有不同的衰变模式吗？能否将电流调节和步进变化的衰变方法分离开？衰变模式能否随着负载、供应电压和反电动势的变化而作改变？

以上问题的答案都是肯定的。笔者建议的解决方案满足了两个主要需求。

**，找出特定电流调节水准中特定步进的*佳衰变。在此方法中，电流调节期间，控制器记录着线圈电流达到目标电流的讯号(Itrip)在PWM周期发生的位置。其从记忆体中读取前一个周期的“Itrip事件和时间”，随后动态地决定当前周期需要的衰变行动。

**，快速地从一步转折至另一步。作为对步命令的反应，提高快速衰变比例允许在更短的时间里达到新的水准，从而提供快速步进反应。

这种解决方案已经被整合到步进马达驱动器中，例如德州仪器(TI)的DRV8846或AutoTune。这是一种兼容并蓄的数位模式，使用者无需进行微调，可以为任何情况下提供*佳减损设置。减损设置根据电流水准、步进变化、供电、反电动势和负载等变化的参数即时进行调整。

此方法有几点优势。自我调整减损模式不需要进行调试。另外，更小的涟波使得平均电流在峰值电流检测整流时可以更准确地达到所想要的步进电流水准，使得微步进的精密程度更高，步进马达转动更顺畅。更小的涟波还降低了马达和驱动的噪音。

AutoTune衰变模式根据以下变化参数自动进行调整：

．电源电压

．负载电感

．负载电阻

．步进马达中步进反电动势

．需要调节的电流强弱(转矩)

因此，AutoTune可以在不牺牲涟波和步进效能的前提下，满足上述所有参数的需求。图4是未采用自我调整衰变的电流波形。AutoTune除去了反电动势造成的变形。图5为采用AutoTune后的电流波形。此模式节省了设置传统固定衰变的装置针脚，降低了系统成本。与大多数传统衰变模式(图6左)，此模式还能实现更快的步进过度或反应时间(图6右)，不在电流调节中引起过多的涟波，同时在相邻两步之间保持步进。该示例步进反应时间快了三倍。

图4　反电动势的存在对电流调节造成的损失。

图5　采用自我调整衰变消除反电动势的效果。

图6　采用传统衰变模式(左)与智慧衰变模式(右)的步进切换时间比较，具体数字分别为600微秒及200微秒。

设计人员应该在情况允许时使用慢速衰变周期，使自我调整衰变模式的效率更高。

这是因为慢速衰变减少开关损耗，通常使用效率更高的低阶FET执行。在图7中，A线条的是线圈中调节的电流。B线条和C线条为全桥输出电压波形，显示了输出切换。B线条的尖峰为用于快速/固定衰变的反FET电压。右侧为采用TI的自我调整衰变功能AutoTune的图表，尽少地采用了快速/固定衰变，左侧为固定混合衰变图表。这使得使用AutoTune可以实现更高效能。

图7　固定混合衰变(左)与AutoTune(右)比较。

此自我调整衰变模式改善了低电流调节(微步进正弦接近零交叉点)效能。因为自我调整衰变模式与慢速衰变相似，在低电流时产生的波纹较低。但是，自我调整衰变不会引起慢速衰变会出现的调节损耗(图8)。

图8　固定慢速衰变模式与TIDRV8846的AutoTune衰变的电流比较。

慢速衰变会引起调节损耗是因为在*短开启时间内累积的电流多于慢速衰变降低的电流量。慢速衰变是电流路径/回路中的电压降产生的。回路电流越低，电压降就越小，电流衰变量也因而变得更少。

自我调整衰变模式将成未来趋势

类似德仪AutoTune的自我调整衰变模式，将为马达电流整流衰变模式的未来趋势，因为这类解决方案能实现更大的电流调节，步进也更为**。

此智慧解决方案会在马达运行于不同电源电压、负载电流、负载电感反电动势时主动记录相关数据，并据此调整衰变。这种作法能带来两大优势，一是更高的效能，二是加快产品上市速度，设计人员不用再担心得解决棘手的衰变问题。

(本文作者任职于德州仪器)