關(guān)于步進電機驅(qū)動器的降噪技術(shù)解析

作者：Maurizio Di Paolo Emilio

步進電機具有簡單的結(jié)構(gòu)并且易于控制。作為一種數(shù)字電子元件，步進電機廣泛應用于各種開環(huán)控制系統(tǒng)。然而，其驅(qū)動電路和諧振機械結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的噪聲會影響整體性能。大多數(shù)步進電機應用都要求平穩(wěn)的運轉(zhuǎn)。為了獲得流暢的運轉(zhuǎn)效果，設(shè)計者可以修改電壓、電流，或者更常見的是修改微步設(shè)置。電機中的噪聲大小取決于電機類型、環(huán)境條件和具體的應用。永磁式電機和混合式步進電機通常較安靜，因為它們的轉(zhuǎn)動比較穩(wěn)定。而可變磁阻步進電機無論用在哪里，都是最嘈雜的。

為更好地理解噪聲的來源，我們需要思考旋轉(zhuǎn)運動是如何產(chǎn)生的。當步進電機執(zhí)行步進時，它不會立即停止，而是會繼續(xù)略微前后移動，然后再完全停止。這個問題可以通過在電機驅(qū)動器中采用特定的控制邏輯來克服。電機運行過程中，在電機完成上一步但停止之前的那一刻，驅(qū)動器發(fā)出指令開始下一個步進。這種連續(xù)且有規(guī)律的電機前進可以降低噪聲和振動。

還要注意的是，每個步進電機都有一個諧振頻率，通常在電機以每秒150到300步的速度運動時會發(fā)生諧振。許多設(shè)計人員傾向于避開該工作頻率范圍，以將噪聲和振動減至最小。但插入適當設(shè)計和調(diào)整尺寸的減速機也可以減少振動。還有一種傳統(tǒng)的解決方案，即在曲軸上安裝后置式減振器，同樣可以減少振動。

降噪技術(shù)

大多數(shù)步進電機都由脈寬調(diào)制（PWM）信號控制，該信號連續(xù)強制H橋在開關(guān)狀態(tài)之間切換，以此調(diào)節(jié)饋入電機的電流?；谶@種技術(shù)的驅(qū)動器電路通常被稱為斬波器驅(qū)動器，因為它會跟隨PWM波形對輸出電壓進行斬波處理，從而為電機繞組提供恒定電流。

與之相反的是，L/R技術(shù)旨在使施加到繞組的電壓保持恒定，而電流斬波的優(yōu)勢在于它是一種非常高效、緊湊且經(jīng)濟的解決方案，只會產(chǎn)生很少的熱量。

需要注意的是，施加到步進電機的調(diào)制信號會產(chǎn)生音頻信號，當PWM頻率落在音頻頻帶內(nèi)時更加嚴重。通過實驗確實很容易驗證步進電機如何產(chǎn)生噪聲，即使當電機停止或保持在某個位置時也是如此。這種現(xiàn)象主要在開關(guān)頻率低于20 kHz時產(chǎn)生。因此，不難推斷，降低噪聲的第一種方法是增加開關(guān)頻率。大多數(shù)斬波器驅(qū)動器都可以通過修改外部電阻器或電容器的值來增加開關(guān)頻率。其目的是改變用于電流調(diào)節(jié)的PWM信號在關(guān)閉狀態(tài)下的持續(xù)時間，持續(xù)時間越短，開關(guān)頻率越高。

但是，頻率不必過高，因為超過一定限制，開關(guān)損耗也會增加。較恰當?shù)拈_關(guān)頻率值在30到50 kHz之間。如果這樣還不行，則可以減小施加到電機繞組上的電流。實際上，較低的電流就意味著減少振動，當然噪聲也隨之降低。

不過，這種方法也有副作用，那就是扭矩會降低。如果扭矩太低，將可能導致運轉(zhuǎn)失步。由于電機是開環(huán)控制的，因此必須為電機提供足以覆蓋其所有運轉(zhuǎn)條件的電流，即使是在最嚴酷的條件下。一個好的折衷辦法是在電機停止期間減少電流。

通常，電機保持位置所需的電流大大低于加速或以恒定速率轉(zhuǎn)動電機所需的電流。實際上，所有步進電機驅(qū)動器都可通過修改模擬參考電壓VREF來設(shè)置電流值。跳閘電流ITrip是外部RSENSE電阻和VREF參考電壓的函數(shù)。設(shè)計人員一旦選擇了RSENSE電阻，則運行時其值就固定了，因此可通過動態(tài)更改VREF來修改ITrip。

如果需要進一步降低噪聲，則可在慢衰減模式（而不是快速或混合衰減模式）下運行電機。 這種模式最大程度地降低了驅(qū)動電流紋波，從而降低了噪聲并提高了驅(qū)動器效率。但是，慢衰減模式并不總是最佳解決方案，特別是在使用微步進技術(shù)時。

步進驅(qū)動器

集成驅(qū)動器旨在為各種類型的應用提供簡單的配置和高級控制功能。而集成編碼器選件則使步進電機成為同步位置應用的最佳選擇。只要將線圈連接到功率晶體管，并將晶體管連接到控制電路，就可以驅(qū)動步進電機了。

圖1：A3982框圖。（圖片來源：Allegro MicroSystems）

Allegro MicroSystems公司是有刷直流電機和步進電機驅(qū)動器設(shè)計與制造的領(lǐng)導者，提供了一系列集成MOSFET柵極驅(qū)動器的安全可靠的解決方案。該公司的A3982是一款完整的步進電機驅(qū)動器，內(nèi)置轉(zhuǎn)換器，易于操作，適用于低功率和大功率應用。

A3982用于在全步和半步模式下運行雙極步進電機，它可提供高達35 V和±2 A的輸出信號。通過在STEP輸入引腳上施加信號可以選擇電流衰減模式（慢衰減或混合衰減），如圖1中的原理框圖所示。

在混合模式下，斬波控制最初設(shè)置為快速衰減模式，持續(xù)時間為固定關(guān)閉時間的31.25%，然后在其余關(guān)閉時間內(nèi)設(shè)置為慢衰減。這種電流衰減控制機制可降低可以聽到的電機噪聲，提高步進精度并降低功耗。

而轉(zhuǎn)換器的特性則大大簡化了電機控制系統(tǒng)的設(shè)計。只需在STEP輸入引腳上施加一個脈沖，電機即被驅(qū)動一步，無需相序表或高頻控制線。因此，在主機微控制器不可用或負載過重的應用中，A3982是最佳選擇。

東芝電子元件和存儲公司也提供各種步進電機驅(qū)動器。其TB67S128 / 249/279/289器件采用專有的主動增益控制（AGC）技術(shù)。AGC可以動態(tài)調(diào)整步進電機的驅(qū)動電流，以應對大扭矩狀態(tài)，并在實時和開環(huán)設(shè)計中恢復正常電流值。AGC技術(shù)可極大降低功耗，并減少或避免更復雜的閉環(huán)設(shè)計。

圖2：TB67S128電機驅(qū)動器的典型應用（圖片來源：東芝）

TB67S128 / 249/279 / 289FTG器件工作電壓為10V至42V，可分別提供5.0A、4.5A、2.0A和3.0A電流。這些器件還在一個象限中提供了32步和128步微步進功能，使其適用于廣泛的工業(yè)精密電機控制應用（圖2）。

結(jié)論

步進電機具有簡單的結(jié)構(gòu)并且易于控制。作為一種數(shù)字電子元件，步進電機廣泛應用于各種開環(huán)控制系統(tǒng)。然而，其驅(qū)動電路和諧振機械結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的噪聲會影響整體性能。大多數(shù)步進電機應用都要求平穩(wěn)的運轉(zhuǎn)。為了獲得流暢的運轉(zhuǎn)效果，設(shè)計者可以修改電壓、電流，或者更常見的是修改微步設(shè)置。
編輯：hfy