步進(jìn)電機(jī)的噪聲管理

電機(jī)中的噪音量取決于電機(jī)類型、環(huán)境條件和具體應(yīng)用。永磁和混合式步進(jìn)電機(jī)通常更安靜，因?yàn)樗鼈兙哂懈恢碌男D(zhuǎn)。相反，無論使用何種應(yīng)用，可變磁阻步進(jìn)電機(jī)都是噪音最大的電機(jī)。

為了更好地理解噪聲的起源，我們需要考慮旋轉(zhuǎn)運(yùn)動是如何發(fā)生的。步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行一步時(shí)，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(jī)驅(qū)動器中采用特定的控制邏輯來克服。在電機(jī)運(yùn)行期間，驅(qū)動器在電機(jī)完成上一步后停止前一刻命令下一步運(yùn)動。這種連續(xù)和有規(guī)律的電機(jī)推進(jìn)有助于降低噪音和振動。

還應(yīng)該注意的是，每個步進(jìn)電機(jī)都有一個共振頻率，這通常發(fā)生在電機(jī)以每秒 150 到 300 步之間的速度移動時(shí)。許多設(shè)計(jì)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(dāng)設(shè)計(jì)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(jìn)電機(jī)由脈寬調(diào)制 (PWM) 信號控制，該信號持續(xù)強(qiáng)制 H 橋在開和關(guān)狀態(tài)之間切換，從而調(diào)節(jié)為電機(jī)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?yàn)樗鼈兺ㄟ^在應(yīng)用 PWM 波形之后斬波輸出電壓來為電機(jī)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(jì)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(jìn)電機(jī)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(shí)驗(yàn)，確實(shí)很容易驗(yàn)證步進(jìn)電機(jī)如何在停止或保持位置時(shí)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(shí)間。此持續(xù)時(shí)間越短，開關(guān)頻率越高。

然而，沒有必要超過頻率值，因?yàn)槌^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(jī)繞組的電流。事實(shí)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(dǎo)致操作過程中的步數(shù)丟失。由于電機(jī)采用開環(huán)控制，因此必須為電機(jī)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(jī)停止期間減少電流。

通常，電機(jī)保持位置所需的電流遠(yuǎn)低于加速或以恒定速度移動電機(jī)所需的電流。實(shí)際上，所有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器都允許通過修改模擬參考電壓 V REF來設(shè)置電流值。跳閘電流 I Trip是外部 R SENSE電阻器和 V REF參考電壓的函數(shù)。因?yàn)榈谝粋€一旦被設(shè)計(jì)者選擇，就有一個固定值，在運(yùn)行時(shí)，可以通過動態(tài)改變 V REF來修改 I Trip。

如果需要進(jìn)一步降低噪音，電機(jī)可以在慢衰減模式下運(yùn)行，而不是在快速或混合衰減模式下運(yùn)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(dāng)您想使用微步進(jìn)技術(shù)時(shí)。

步進(jìn)驅(qū)動器

集成驅(qū)動器旨在為每種類型的應(yīng)用程序提供簡單的配置和高級控制功能。集成編碼器選項(xiàng)使步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)。

Allegro MicroSystems 是有刷直流和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，提供廣泛的安全、穩(wěn)健的解決方案組合，具有集成和 MOSFET 柵極驅(qū)動器。Allegro 的A3982是一款完整的步進(jìn)電機(jī)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。驅(qū)動器設(shè)計(jì)用于在全步和半步模式下運(yùn)行雙極步進(jìn)電機(jī)，可提供高達(dá) 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(shí)間為固定關(guān)閉時(shí)間的 31.25%，然后在剩余的關(guān)閉時(shí)間中緩慢衰減。這種電流衰減控制方案降低了可聽見的電機(jī)噪音，提高了步進(jìn)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(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過在 STEP 輸入引腳上施加一個脈沖，電機(jī)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(fù)載過重的應(yīng)用的正確選擇。

Toshiba Electronic Devices and Storage Corp. 還提供多種步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動電流，以解決高扭矩條件，實(shí)時(shí)和開環(huán)設(shè)計(jì)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(jì)。

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(jī)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(jìn)功能，使其適用于各種工業(yè)精密電機(jī)控制應(yīng)用（圖 2）。

圖 2：TB67S128 電機(jī)驅(qū)動器的典型應(yīng)用（圖片：東芝）

審核編輯：劉清