步進電機噪聲管理的必要性

電機控制設(shè)計系列文章的第 2 部分重點介紹如何降低噪聲，這是步進電機中最大的挑戰(zhàn)之一。

電機中的噪音量取決于電機類型、環(huán)境條件和具體應(yīng)用。永磁和混合步進電機通常更安靜，因為它們具有更一致的旋轉(zhuǎn)。相反，無論使用何種應(yīng)用，可變磁阻步進電機都是噪音最大的電機。

為了更好地理解噪聲的起源，我們需要考慮旋轉(zhuǎn)運動是如何發(fā)生的。步進電機執(zhí)行一步時，它不會立即停止，而是在完全停止之前繼續(xù)略微向前和向后移動。這種行為可以通過在電機驅(qū)動器中采用特定的控制邏輯來克服。在電機運行期間，驅(qū)動器在電機完成上一步后停止前一刻命令下一步運動。這種連續(xù)和有規(guī)律的電機推進有助于降低噪音和振動。

還應(yīng)該注意的是，每個步進電機都有一個共振頻率，這通常發(fā)生在電機以每秒 150 到 300 步之間的速度移動時。許多設(shè)計人員傾向于避免這個工作速度范圍，以最大限度地減少噪音和振動。插入適當設(shè)計和尺寸的齒輪箱有助于減少振動。位于曲軸上的后安裝阻尼器是另一種減少振動的傳統(tǒng)解決方案。

降噪技術(shù)

大多數(shù)步進電機由脈寬調(diào)制 (PWM) 信號控制，該信號持續(xù)強制 H 橋在開和關(guān)狀態(tài)之間切換，從而調(diào)節(jié)為電機供電的電流?；谶@種技術(shù)的驅(qū)動器電路通常被稱為“斬波驅(qū)動器”，因為它們通過在應(yīng)用 PWM 波形之后斬波輸出電壓來為電機繞組提供恒定電流。

與 L/R 技術(shù)不同，L/R 技術(shù)旨在保持施加在繞組上的電壓恒定，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，產(chǎn)生少量熱量。

然而，PWM 信號有一個副作用：應(yīng)用于步進電機的調(diào)制信號可以產(chǎn)生一個聲音信號，如果 PWM 頻率落在音頻頻帶內(nèi)，則更是如此。通過實驗，確實很容易驗證步進電機如何在停止或保持位置時產(chǎn)生噪音。這種現(xiàn)象主要發(fā)生在低于 20 kHz 的開關(guān)頻率。

因此，可以推斷出降低噪聲的第一種方法是提高開關(guān)頻率。大多數(shù)斬波驅(qū)動器能夠通過修改外部電阻器或電容器的值來提高開關(guān)頻率。其作用是改變用于電流調(diào)節(jié)的 PWM 信號在關(guān)斷狀態(tài)下的持續(xù)時間。此持續(xù)時間越短，開關(guān)頻率越高。

然而，沒有必要超過頻率值，因為超過一定限度，開關(guān)損耗也會增加。合適的開關(guān)頻率值可以在 30 到 50 kHz 之間。如果這種技術(shù)還不夠，可以減少施加到電機繞組的電流。事實上，較低的電流意味著減少振動，從而減少噪音。

然而，副作用是扭矩降低，如果扭矩過低，可能會導致操作過程中的步數(shù)丟失。由于電機是在開環(huán)中控制的，因此必須向電機提供足以涵蓋所有操作條件的電流量，即使是最惡劣的操作條件。一個好的折衷方案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遠低于加速或以恒定速度移動電機所需的電流。幾乎所有步進電機驅(qū)動器都允許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 電阻器和 VREF 參考電壓的函數(shù)。因為第一個一旦被設(shè)計者選擇，就有一個固定值，在運行時，可以通過動態(tài)改變 VREF 來修改 Itrip。

如果需要進一步降低噪音，電機可以在慢衰減模式下運行，而不是在快速或混合衰減模式下運行。這種模式最大限度地減少了驅(qū)動電流紋波，降低了噪聲并提高了驅(qū)動器效率。然而，慢衰減模式并不總是最好的解決方案，尤其是當您想使用微步進技術(shù)時。

步進驅(qū)動器

集成驅(qū)動器旨在為每種類型的應(yīng)用提供簡單的配置和高級控制功能。集成編碼器選項使步進電機成為同步位置應(yīng)用的合適選擇。通過將線圈連接到功率晶體管并將晶體管連接到控制電路來驅(qū)動步進電機。

Allegro MicroSystems 是有刷直流和步進電機驅(qū)動器設(shè)計和制造領(lǐng)域的領(lǐng)導者，提供具有集成和 MOSFET 柵極驅(qū)動器的廣泛的安全和穩(wěn)健解決方案組合。Allegro 的A3982 是一款完整的步進電機驅(qū)動器，具有易于操作的內(nèi)置轉(zhuǎn)換器，適用于低功率和高功率應(yīng)用。該驅(qū)動器設(shè)計用于在全步和半步模式下運行雙極步進電機，可提供高達 35 V 和 ±2 A 的輸出信號?？梢酝ㄟ^在 STEP 處施加信號來選擇電流衰減模式（慢速或混合）輸入引腳，如圖1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，持續(xù)時間為固定關(guān)閉時間的 31.25%，然后在剩余的關(guān)閉時間中緩慢衰減。這種電流衰減控制方案降低了可聽的電機噪音，提高了步進精度，并降低了功耗。

圖 1：A3982 框圖（圖片：Allegro MicroSystems）

轉(zhuǎn)換器功能極大地簡化了電機控制系統(tǒng)的設(shè)計。通過在 STEP 輸入引腳上施加一個脈沖，電機被驅(qū)動一步。不需要相序表或高頻控制線，使A3982成為主微控制器不可用或負擔過重的應(yīng)用的正確選擇。

Toshiba Electronic Devices and Storage Corp. 還提供多種步進電機驅(qū)動器。所述TB67S128 / 249 /289分之279器件具有專有有源增益控制（AGC）的技術(shù)。AGC 動態(tài)調(diào)整步進電機驅(qū)動電流，以解決大扭矩條件，實時和開環(huán)設(shè)計恢復(fù)正常電流值。AGC 技術(shù)可顯著節(jié)省功耗并減少或消除更復(fù)雜的閉環(huán)設(shè)計。

TB67S128/249/279/289FTG 器件分別提供 5.0 A、4.5 A、2.0 A 和 3.0 A，電機工作電壓為 10V 至 42V。這些器件還包括一個象限內(nèi)的 32 步和 128 步微步進功能，使其適用于各種工業(yè)精密電機控制應(yīng)用（圖 2）。

文章來源：eeweb Maurizio Di Paolo Emilio

編輯：ymf