本应用笔记旨在为采用 spreadCycle™ 斩波器的 ADI TRINAMIC IC 的参数化提供实用指南。有关文中提及的参数位置及设置方法，请参阅具体产品的技术文档。
优化斩波器设置
通过观察电机轴的运动行为、用手指尖感受电机振动，以及可选地使用示波器测量电机电流，可以轻松优化斩波器设置。以下说明旨在指导您以最少的时间投入，为您的应用获得合适的斩波器设置。
电机设置
第一步，您需要了解哪些参数会直接或间接影响斩波器设置，从而在开始优化之前先对这些参数进行选择。
表 1：优化斩波器设置前应考虑的参数。
| 参数 | 描述 | 设置 |
|---|---|---|
| 电机类型 | 每种电机类型都有独特的特性，如转矩曲线、电感、反电动势、微步质量和线圈电阻。 | 根据转矩曲线、成本、电流等要求选择适合的电机。通常，电流更高的绕组会带来更高的速度极限。 |
| 驱动器供电电压 | 电压过低或过高时，电机都无法良好运行。 | 作为参考，满足： RCOIL∗ICOIL << VS < 25∗RCOIL∗ICOIL |
| 电机线圈电流 | 通常，步进电机在额定电流下工作最佳，此时转矩最高且相对转矩纹波最低。但可能需要在降低电流下运行的因素包括： 1. 降低功耗 2. 待机运行 |
作为参考，使步进电机工作在额定电流的 50% 到 100%。使用 coolStep™ 短时增加电流可提供额外转矩，同时允许降低额定电流。待机时，根据机械和应用情况，电流可降至零。 |
| 速度 | 三个基本范围： 1. 低速（慢，每秒几个微步）——此时微步性能对等间距步进最为重要。 2. 中速（电机转动较快）——可达到最佳正弦波形，因为反电动势仍低于供电电压 VS。 3. 高速（电机每秒数转）——无法再达到正弦目标波形，波形发生畸变，转矩随速度增加而下降。 |
可针对所有这些速度范围优化电机行为。 范围 1（慢速）和范围 2（中速）可以一起优化。范围 3（高速）可能受益于全步进，因此如果范围 1 和 2 的优化对应用不充分，可单独优化范围 3。 |
| 斩波频率 | 斩波频率由许多参数决定。基本而言，应通常位于可听范围之外（即高于 16 至 20 kHz），但也不宜过高（即低于 50 kHz），以限制电机和功率驱动器的开关损耗。 | 尽量保持斩波频率较低但高于可听范围。对于最高速运行，较高的频率可能更有益。 |
| 波形 | 对于大多数步进电机，正弦波形是较好的选择。对微步等间距要求极高的特定应用，可能受益于适配的微步波形。 | 当使用高分辨率编码器或将激光笔固定在电机上并以极低速度移动电机时，可以最好地优化波形。 |
两相步进电机的整定方法
我们将针对所需的速度范围依次优化电机设置；但如果希望使用同一套设置覆盖所有速度范围，可能需要迭代一次或多次。
准备步骤
在额定条件下运行电机。如果可能，使用带电流探头的示波器连接到其中一个电机线圈上。也可以通过测量线圈电压来评估斩波频率。如果能够访问检测电阻，测量一个或两个检测电阻上的电压，这样就不需要电流探头。
- 选择合适的硬件设置，例如空白时间 TBL。
提示：TBL 过低会导致正弦波形失真，但该值也不必不必要地提高。以 16MHz 时钟频率为例，1‑2µs（TBL = 1 或 2）是一个良好的起始点。
- 开启 spreadCycle 斩波模式（chm = 0）。
- 选择关断时间 tOFF，范围在 5µs 至 20µs 之间，并按以下公式计算：
TOFF = [tOFF ∗ fCLK / 32 – 12/32]。
- 选择迟滞结束值 HEND 为 5 至 12（例如 10），写入 HEND（设置 HSTART = 0，HEND = 13）。
请记住，HEND 使用偏移量 -3，HSTART 使用偏移量 +1
中低速优化
在中低速范围内，电机应实现等间距步进、尽可能低的振动以及低斩波噪声。测试时请使用尽可能高的微步分辨率。
以中速运行电机。用手指尖在不同速度下感受电机的振动。在极低速下尝试观察和感受微步的等间距性。
提示：在电机轴上安装一个长指针，有助于在最低速度下检查微步性能。
可以使用示波器观察电流波形。示波器应显示如图 1 所示的正弦波。如果正弦波出现如图 2 所示的失真，说明电机速度过快或供电电压不足。如图 3 所示的失真提示空白时间（TBL）设置过低，请将 TBL 增加一档。其他类型的失真则暗示可能存在布局问题。
优化斩波器设置 – 行为方法
- 现在，将迟滞减小到 0（例如 HSTART=0；HEND=2）。您应该会感受到电机噪声增大且微步等间距性变差。如果在 0 迟滞和之前的迟滞值之间感觉不到电机振动的差异，请改变电机速度再试。在极低速下观察微步等间距性时，电机会每隔几个微步（与微步分辨率匹配的间隔）出现较短的步进——这看起来就像电机在每个半步位置暂停一下然后继续转动。
逐渐增大 HEND 迟滞设置，直到电机振动不再进一步减小，或者微步等间距性不再因进一步增大而改善。如有疑问，可再增加一到两个增量，以补偿模拟参数（如供电电压等）的偏差。如果达到了 HEND 设置的上限（HEND=15），可以将 HSTRT 增加到最大 HSTRT=3。
- 如果最终得到的迟滞设置高于 15，或者斩波频率变得可听见（高频唧唧声），请减小关断时间（TOFF），然后返回步骤 1。
- 尝试增大关断时间（TOFF），找到出现可闻斩波噪声的值，然后往回减小几档，用新的设置返回步骤 1。通过这种方式，可以在斩波频率高于所需值时将其降低。
优化斩波器设置 – 示波器测量
- 将电机停止在一个线圈电流为中间值的位置，例如在一个整步位置。连接示波器探头，测量检测电阻对 GND 的电压。采集一个或几个斩波周期的单次波形，如图 4 所示（图中显示斩波器工作在 40kHz）。
- 如图所示，检查快速衰减周期的持续时间——该持续时间在不同周期之间会有微小变化。其（估算的）平均持续时间应略大于空白时间 tBLANK（参见表格）。若持续时间过短，请增大 HEND 迟滞设置。若已到达 HEND 设置上限（HEND=15），可将 HSTRT 逐步增加至 HSTRT=3。若持续时间远长于 tBLANK，则减小迟滞。
表 2. 空白时间设置
| 参数 | 描述 | 设置 | 注释 |
|---|---|---|---|
| TBL | 选择比较器空白时间 tBLANK | 0 | 16 tCLK |
| 1 | 24 tCLK | ||
| 2 | 36 tCLK | ||
| 3 | 54 tCLK |
- 测量斩波频率。频率在 20kHz 至 50kHz 之间较为合理。若频率过低，减小 TOFF；若频率过高，增大 TOFF。更改 TOFF 后，返回步骤 1。
使用迟滞递减
迟滞递减器可在低电压情况下以及电机速度增加导致反电动势接近电源电压时，稳定斩波频率。因此，需要额外增加两个步骤：
- 现在，将您确定的迟滞值分配到 HSTRT 和 HEND 设定值中。作为经验法则，我们将迟滞值的 20%-30% 分配给迟滞起始设置。
示例：如果您确定的迟滞值为 10，则设置 HSTRT=2；HEND=10。考虑到 HSTRT 有 +1 的偏移量、HEND 有 -3 的偏移量，最终结果为：迟滞起始 = 3+7，迟滞结束 = 7。
- 如果您的驱动器支持，请选择迟滞递减速度。如果目标斩波频率较高（≥40kHz），请使用 16 个时钟（HDEC=0）的设置。如果目标斩波频率较低（25 – 40kHz），可增加到 32 个时钟（HDEC=1）；对于更低的频率，可使用更高的设置。如果不想使用迟滞递减功能，请将大部分迟滞值分配给 HEND，或者使用最高的 HDEC 设置。
静止优化
在静止状态下，斩波噪声和位置保持是优化的主要目标。如果可以将电流减小到零（驱动器关闭），斩波噪声为零，但电机位置必须依靠机械摩擦力来维持。为了保持微步目标位置，或者需要更大的保持力矩时，电机电流不能减到零，通常设置为运行电流的 25%～75%。
让电机以极慢的速度运动，但使用静止电流设置。每秒一个或几个微步较为合适，以便评估不同微步位置下的静止斩波噪声（因为噪声可能会在某些微步位置随机出现）。
如果静止斩波噪声不成问题或已经足够好，可以跳过此步骤。
提示：静止斩波噪声通常只能在安静环境下评估，因为理想情况下它几乎听不见。
- 尝试通过减小 TOFF 设置来提高斩波频率，以降低噪声较大位置的可闻噪声。也可以尝试降低斩波频率，因为机械结构对不同频率的传导效果不同。提示：修改 TOFF 后，可能需要重新优化低速和中速的斩波设置。
- 尝试开启随机关断时间（rndtf）。这可以展宽噪声频谱。
- 如果您的驱动器支持 chopSync™，可以开启 chopSync™ 替代 rndtf。使用接近目标斩波频率的同步频率 fSYNC。将 TOFF 减小几个步长，以确保原生斩波频率低于 chopSync™ 频率。
SYNC = [ fCLK / (64 × fSYNC) ]
如果开启 chopSync™ 后听到了目标斩波频率一半的噪声，请减小 TOFF 或增大 SYNC。
此外，选择一个低速或中速运行速度下的速度阈值 VHIGH，当速度超过该阈值时关闭 chopSync™，因为在较高速度下 chopSync™ 反而会导致电机噪声变差。
提示：开启 chopSync™ 后，可能需要重新优化低速和中速的斩波设置。
- 如果可行，进一步减小电机电流。
- 通过始终将电机定位到某些良好的微步位置，可在静止时使用一组良好的微步位置。一个良好的微步位置会以整步的间距重复出现。读出微步指针，确保停止在相同位置。注意：静止斩波噪声过大通常是 PCB 布局不良的提示。
注意：静止斩波噪声过大通常是 PCB 布局不良的提示。
高速优化
在高速运行时，必须保持电机谐振较低，以尽可能维持较高的力矩。微步波形的作用会减弱，因为在此速度范围内已无法维持完整的微步波形（见图 2），且随着速度增加，波形会越来越差。整步有时能使电机力矩提高几个百分点。对于高速性能而言，更重要的是让电机在特定应用的负载下或在其实际应用环境中运行，但您可以先通过用手指轻捏电机轴制动的方式，在电机失步前评估其力矩。
您可以通过缓慢加速电机至目标速度来测试高速性能。如果电机在到达目标速度前出现较大谐振甚至失步，可尝试更快的加速度，并确保在后续应用中跳过临界速度。在极高速度下，机械负载和安装条件的影响会更大，因为驱动器已无法有效控制电流波形（参见图 7）。
- 您可以考虑通过减小 TOFF 设置来提高高速运行时的斩波频率。将 TOFF 设置在 2 到 4 之间通常能在最高速度下获得最佳性能。更高的斩波频率会缩短斩波器的响应时间。
提示：修改 TOFF 后，可能需要重新优化低速和中速的斩波设置。 - 如果您的驱动器支持，可以尝试将电机切换为整步模式。确保驱动器线圈能获得恒定的电流。因此，在整步位置或接近整步位置（基于 TMC26x 的驱动器）切换为整步非常重要——参见图 5。设置 VHIGHFS（对于 TMC5XXX 驱动器）。
- 由于整步不需要高精度的斩波工作，您可以尝试仅切换为慢衰减斩波模式——参见图 6，例如通过设置 VHIGHCHM（对于 TMC5XXX 驱动器）。
- 确定一个用于切换到整步模式的速度阈值 VHIGH。该阈值可通过示波器观察，找到无法维持微步正弦波形的速度点来确定，如图 2 所示；或者通过评估电机噪声和振动来确定。
低电感电机优化示例
低电感电机可实现高速运行。另一方面，由于电感较低，线圈电流上升和下降很快，斩波纹波可能会变得过高。本示例以 TMC5130-EVAL 评估板配合示例电机进行优化指导。所得结果也可用于所有 spreadCycle 驱动器，如 TMC2130。
电机：QSH4218-47-28-040（0.5Ω，0.6mH）
使用评估板默认设置检查性能：
- 标准设置：所有测量的速度均为 200 000（约 4 RPS）。
- RSENSE=0R15，IRUN=23
- TOFF=5，HSTRT=5，HEND=3，TBL=2（f=27kHz）
局部放大：在每个慢衰减周期中，电机损失约 135mA 电流。这部分损失部分源于先断后合时间，其作用类似于快衰减。总电流纹波为 300mA。这远超出迟滞型斩波器在最大设置下所能处理的范围。因此，负导通（快衰减）周期已处于最小值。该最小持续时间受限于 TBL，因为斩波周期在空白时间结束前无法终止。
优化设置
从测量结果可以看出，应提高斩波频率，并在可能的情况下减小 TBL：
- TOFF=2 → 将峰值电流纹波从 300mA 降低至 240mA
- TBL=1 → 将峰值电流纹波从 240mA 降低至 200mA
此时电流波形有所改善。由于电流纹波从 300mA（图 8）降低到 200mA（图 10），波形变得更细。斩波频率从 26kHz 上升至 60kHz。
不过，波形仍存在失真，电机噪声也偏大。为了消除失真，斩波迟滞必须覆盖 200mA 的电流纹波：
增大 HSTRT=12、HEND=8 可将波形改善为正弦波（注意 – 在 HSTRT 和 HEND 设置如此之高的情况下，IRUN 必须为 30 或更低，见图 11）。
优化经典斩波模式的斩波器设置
如需尝试使用经典斩波模式，可以用它来替代扩展周期斩波模式。但对大多数电机而言，其性能往往不及 spreadCycle™。与 spreadCycle™ 的相关说明类似，当 chm=1 时，可根据电机谐振特性和微步质量来确定 TBL、TOFF、TFD 以及波形偏移（OFFSET）。以下示波器截图旨在为良好及不良的设置提供一些参考。示波器通道说明：CH1 和 CH2 为检流电阻电压，CH3 为 A 相线圈的电流探头。
高速全步进配合慢衰减
经典斩波器尤其适用于高速全步进运行。这种配置也用于 dcStep™ 操作。TMC5130 和 TMC2130 支持一种特殊的高速模式，可将驱动器切换至全步进且仅使用慢衰减的模式。图 3.4 显示了高速下两个检流电阻上的波形。波形显示目标电流仍然可以达到。当速度进一步提高时，目标电流将无法再达到。转矩会下降，波形与 spreadCycle 在高速下的表现类似（见图 7）。
三相步进电机斩波器设置的定性优化方法
三相电机与两相电机的一个主要区别在于：其线圈内部存在互联。因此，斩波方案也有所不同。不过，如果您已经成功使用 spreadCycle™ 斩波器驱动过两相电机，那么您也能快速完成三相电机的参数配置。我们将按顺序针对所需的速度范围优化电机设置；但如果希望只用一套设置覆盖全部速度范围，则可能需要反复迭代几次。
准备工作
在额定条件下让电机投入运行。如果可能，请用电流探头将示波器连接到其中一个电机线圈上。您也可以通过测量线圈电压来评估斩波频率。如果您能够接触到检流电阻，也可以测量单个检流电阻上的电压。这样，甚至不需要电流探头即可完成测量。
- 选择合适的硬件设置，例如消隐时间 TBL 和电机电流幅值。提示：TBL 过低会导致正弦波失真，但该值也不宜不必要地设置得过高。1.5-2.5µs（在 16MHz 时钟频率下对应 TBL = 2 或 3）是一个不错的起点。
- 选择关断时间 TOFF = 2。设置 nosd 标志以跳过关断时间。大多数电机在每个斩波周期中并不需要额外的关断时间。
- 由于我们将使用步进/方向输入，请选择斩波方向 UVW（cdir=1）。这将始终按照电机运行方向相同的顺序对线圈进行斩波，这是最优设置。关闭斩波同步（csync=0），除非您需要快速转动电机，否则无需开启。
- 选择迟滞结束值（5 至 12，例如 10），并将其写入 HYST。
中低速优化
在中低速范围内，电机应实现等间距的步进、尽可能低的振动以及较低的斩波噪声。请在测试中使用尽可能高的微步分辨率。
让电机以中低速运行。尝试用指尖感受不同速度下的电机振动。尝试在极低速度下观察和感受微步的等间距性。
提示：在电机轴上安装一根长指针，有助于在最低速度下检查微步性能。
您可能希望使用示波器检查电流波形。示波器应显示如图 1 所示的纯净正弦波。如果正弦波出现如图 2 或图 3 所示的失真，则表明电机速度过快或电源电压不够高。低速下波形完全失真是消隐时间设置过低的迹象。请将 TBL 增加一档。
对于采用 spreadCycle 斩波器运行的三相步进电机，迟滞设置的调整最为关键——它在斩波噪声与精度之间进行权衡。在最佳设置下，电机运行平稳。当增加迟滞时，斩波噪声会增加，但电机性能并不会因此受益。
调整 HYST 设置：
- 从一个较低的设置（例如 5）开始增加 HYST。一旦增加一个档位后电机并未运转得更加平稳，就停止增加。如果使用示波器检查，您会看到正弦波变得更加平滑，但很难观察到波形中的失真。
- 如果斩波噪声变得可闻，请尽可能提高电源电压，或降低电机电流。如果找不到合适的设置，则需要使用电感更低的电机。
高速优化
在高速范围内（见图 2 或图 3），电机应实现低谐振运行。最佳设置通常是在启用斩波同步（csync）时。在低速时启用 csync 也不会产生不良影响，但在用示波器检查时，您会在电流过零点处看到微小的扰动。
斩波器噪声故障排除指南
嘶嘶声或唧唧声的斩波噪声可能会令人烦恼。尤其是在电机静止状态下，许多应用都要求静音运行。虽然最新的 ADI TRINAMIC 驱动器支持 stealthChop 技术以实现绝对静音的电机运行，但与传统斩波方案相比，spreadCycle 同样能提供良好的性能。
如果前述优化过程未能达到预期效果，可以尝试以下额外措施。
检查清单：
- PCB 布局
PCB 布局对于实现最佳电机性能和低斩波噪声至关重要。由于两相电机的两个线圈斩波器独立运行，两者之间的任何耦合都会导致相互调制。这种调制会引起电流变化，进而导致电机振动以及由电机内部磁致伸缩产生的可听噪声。最关键的一点是检流电阻地（sense resistor ground）与驱动器芯片地之间必须具有紧密且对称的连接，因为检流电阻的电压测量决定了电机电流，并且与公共地相关。请参考应用笔记 AN011《良好的接地连接》。 - 驱动器时钟频率的选择
更高的斩波频率通常会降低可听噪声，原因有二：一是减小了电流纹波，二是将频率移出了人耳可听范围。作为首要措施，可以减少斩波关断时间和迟滞。提高驱动器时钟频率可以进一步增强这一效果，尤其是当原始频率较低（例如 10 MHz 或更低）时。 - 电机与电源电压的选择
如果电机标称电压（线圈电阻乘以电机电流）与电源电压之间的余量不足，会导致斩波频率偏低且可听见。将电源电压提高到至少为电机标称电压的两倍，或者选择电流绕组更高的电机，通常可以消除斩波噪声。 - 电机类型的选择
某些类型的电机由于采用了特定材料或装配工艺，极易放大斩波噪声而产生可听声音。可以尝试更换不同的电机制造商。
文章原作：Bernhard Dwersteg ；由饭谷仔翻译并发布于 海蓝岛。
