TMC:用先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)靜音防抖

步進(jìn)電機(jī)的噪音從何而來?

步進(jìn)電機(jī)廣泛用于自動(dòng)化、數(shù)字制造、醫(yī)療和光學(xué)設(shè)備等幾乎所有類型的移動(dòng)應(yīng)用中。

步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是成本相對較低，在不使用變速箱的情況下在靜止和低速時(shí)具有高扭矩，以及對定位任務(wù)的固有適用性。與三相無刷電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器相比，步進(jìn)電機(jī)不一定需要復(fù)雜的控制算法或位置反饋來進(jìn)行換向。

步進(jìn)器的缺點(diǎn)是噪音很大，即使在低速或靜止時(shí)也是如此。步進(jìn)電機(jī)有兩個(gè)主要的振動(dòng)源：步進(jìn)分辨率，以及斬波器和脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 模式導(dǎo)致的副作用。

步進(jìn)分辨率和微步

典型的步進(jìn)電機(jī)有 50 個(gè)磁極，可實(shí)現(xiàn) 200 個(gè)完整步長，每個(gè)步距角為 1.8°，可實(shí)現(xiàn) 360° 的完整機(jī)械旋轉(zhuǎn)。但也有步數(shù)較少的步進(jìn)電機(jī)，甚至高達(dá) 800 個(gè)全步。最初，這些電機(jī)用于全步或半步模式。施加在兩個(gè)電機(jī)線圈 A(藍(lán)色)和 B(紅色)上的電流矢量在整個(gè)電氣旋轉(zhuǎn)(電氣 360°)上顯示為矩形。如圖 3 和圖4 中突出顯示的那樣，電機(jī)線圈以 90° 相移模式以全電流或無電流供電。因此，每個(gè)周期的一電轉(zhuǎn)由 4 個(gè)整步或 8 個(gè)半步組成。也就是說，50 極步進(jìn)電機(jī)需要 50 次電氣旋轉(zhuǎn)才能完成一整機(jī)械轉(zhuǎn)。

全步操作(電機(jī)線圈 A = 藍(lán)色和 B = 紅色)

半步操作(電機(jī)線圈 A = 藍(lán)色和 B = 紅色)

全步或半步等低分辨率步進(jìn)模式是步進(jìn)電機(jī)的主要噪聲源。它們引入了巨大的振動(dòng)，這種振動(dòng)遍布系統(tǒng)的整個(gè)力學(xué)，特別是在低速和接近某些共振頻率時(shí)。在較高的速度下，由于慣性矩，這些影響會降低。

轉(zhuǎn)子可以想象成一個(gè)諧波振蕩器或彈簧擺，如圖 所示。在驅(qū)動(dòng)器電子設(shè)備施加新的電流矢量后，轉(zhuǎn)子將沿著新指令位置的方向步進(jìn)到下一個(gè)全步或半步位置。與脈沖響應(yīng)類似，轉(zhuǎn)子過沖并圍繞下一個(gè)位置振蕩，從而導(dǎo)致機(jī)械振動(dòng)和噪音。運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)非平穩(wěn)，尤其是在較低的速度下。

轉(zhuǎn)子的擺動(dòng)行為導(dǎo)致振動(dòng)

為了減少這些振蕩，可以應(yīng)用一種稱為微步進(jìn)的機(jī)制。這將一個(gè)完整的步驟分成更小的部分，或微步驟。典型分辨率為 2(半步)、4(四分之一步)、8、32 甚至更多微步。定子線圈不是以全電流或零電流供電，而是以中間電流水平接近完整的正弦波波形超過 4 個(gè)完整的步驟。這將永磁轉(zhuǎn)子定位在兩個(gè)后續(xù)完整步驟之間的中間位置。這甚至允許適應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的物理特性或應(yīng)用的特殊定制電流波形(TRINAMIC的驅(qū)動(dòng)芯片支持該功能)。

微步進(jìn)的最大分辨率由驅(qū)動(dòng)器的 A/D 和 D/A 功能定義。Trinamic 的步進(jìn)電機(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)器允許使用每整步高達(dá) 256(8 位)微步的步進(jìn)電機(jī)，使用芯片的集成可配置正弦波表甚至完全自定義電流波形。

使用這種高微步分辨率的結(jié)果是電機(jī)轉(zhuǎn)子現(xiàn)在以更小的角度或更短的距離步進(jìn)。當(dāng)切換到新位置時(shí)，如圖 5 所示的過沖和下沖會大大減少。下圖 顯示了這種差異。

從全步分辨率切換到高微步分辨率時(shí)減少電機(jī)振動(dòng)

斬波器和 PWM 模式

另一個(gè)噪聲和振動(dòng)源源自步進(jìn)電機(jī)通常使用的傳統(tǒng)斬波器和 PWM 模式。由于粗步進(jìn)分辨率的主要影響，這些模式的寄生效應(yīng)常常被忽略。但隨著使用微步進(jìn)提高步進(jìn)分辨率，這些寄生效應(yīng)變得明顯甚至可以聽見。

經(jīng)典的恒定關(guān)斷時(shí)間 PWM 斬波器模式是一種電流控制的 PWM 斬波器，它以快衰減和慢衰減相位之間的固定關(guān)系工作。在其最大值點(diǎn)，電流達(dá)到指定的目標(biāo)電流，這導(dǎo)致平均電流低于所需的目標(biāo)電流，如圖所示。

恒定關(guān)斷時(shí)間 (TOFF) PWM 斬波模式：平均電流達(dá)不到目標(biāo)電流

在完整的電氣旋轉(zhuǎn)中，當(dāng)電流的符號(方向)發(fā)生變化時(shí)，這會導(dǎo)致正弦波的過零區(qū)域周圍出現(xiàn)一個(gè)平臺。這個(gè)平臺的影響是電機(jī)繞組中電流為零的一小段時(shí)間，這意味著根本沒有扭矩。這會導(dǎo)致擺動(dòng)和振動(dòng)，尤其是在較低的速度下。

具有經(jīng)典關(guān)斷時(shí)間斬波器模式的過零平臺

與恒定關(guān)斷時(shí)間斬波器相比，Trinamic 的 SpreadCycle? PWM 斬波器模式應(yīng)用采用磁滯功能，自動(dòng)使用慢速和快速衰減周期之間的擬合關(guān)系。平均電流反映了配置的標(biāo)稱電流。在正弦波的過零區(qū)域沒有平臺。這減少了電流和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，并接近了真正的正弦波形，與恒定關(guān)斷時(shí)間的 PWM 斬波器相比，電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)。這在靜止和慢速到中等速度時(shí)尤其重要。

具有平滑過零的SpreadCycle 磁滯斬波器

TMC5130A-TA 是一款包含 StealthChop 模式的小型智能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和控制器 IC。除了 StealthChop 之外，Trinamic 還改進(jìn)了電壓模式操作并將其與電流控制相結(jié)合。為了最大限度地減少電流波動(dòng)，TMC5130A-TA 芯片的驅(qū)動(dòng)器根據(jù)電流反饋調(diào)節(jié)電壓調(diào)制。這允許系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)參數(shù)和工作電壓進(jìn)行自我調(diào)整。

如何使步進(jìn)電機(jī)完全靜音?

盡管微步減少了由低步分辨率引起的大部分振動(dòng)，但高微步分辨率可以更容易地感知其他振動(dòng)源。先進(jìn)的電流控制 PWM 斬波器模式，如 Trinamic 的 SpreadCycle? 算法，在硬件中實(shí)現(xiàn)，在很大程度上減少了振動(dòng)和抖動(dòng)。這對于許多標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用來說已經(jīng)足夠了，也非常適合高速應(yīng)用。

但即使使用像SpreadCycle這樣的電流控制斬波器模式，由于電機(jī)線圈不同步、檢測電阻上幾毫伏的調(diào)節(jié)噪聲和PWM抖動(dòng)，仍然會產(chǎn)生一點(diǎn)點(diǎn)可聽噪聲和振動(dòng)。這種噪音和振動(dòng)對于高端應(yīng)用、低速到中速應(yīng)用以及任何噪音無法接受的應(yīng)用至關(guān)重要。對于 Dereneville DTT-01-S 線性跟蹤唱臂來說，這是無法忍受的，因?yàn)閬碜晕?a href="http://ttokpm.com/tags/步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器/" target="_blank">步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和混合步進(jìn)器的噪聲會疊加在音頻信號上，尤其是在各個(gè)音軌之間過渡的普通凹槽內(nèi)。

Trinamic 的 StealthChop? 算法 [4] 也在硬件中實(shí)現(xiàn)，最終使步進(jìn)電機(jī)靜音。但是 StealthChop 實(shí)際上如何對電機(jī)實(shí)現(xiàn)靜音，為什么它不會產(chǎn)生額外的噪音和振動(dòng)?與基于電流的斬波器模式(如 SpreadCycle)相比，StealthChop 采用了不同的方法：它是一種基于電壓斬波器的技術(shù)，負(fù)責(zé) Dereneville DTT-01-S 唱臂和唱針的無噪音和平穩(wěn)移動(dòng)。結(jié)合閉環(huán)跟蹤角度調(diào)節(jié)和精密激光光學(xué)，這使得頭殼和測針的最大跟蹤角度誤差<0.05°。良好的傳統(tǒng)樞軸唱臂具有<2°-3°的典型跟蹤角誤差，并且還受到滑行力和凹槽的機(jī)械磨損的影響。

TMC5130A-TA 是一款包含 StealthChop 模式的小型智能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和控制器 IC，是這款卓越模擬唱機(jī)的終極解決方案。除了 StealthChop 之外，Trinamic 還改進(jìn)了電壓模式操作并將其與電流控制相結(jié)合。為了最大限度地減少電流波動(dòng)，TMC5130A-TA 芯片的驅(qū)動(dòng)器根據(jù)電流反饋調(diào)節(jié)電壓調(diào)制。這允許系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)參數(shù)和工作電壓進(jìn)行自我調(diào)整。

消除了由直流控制環(huán)路的調(diào)節(jié)算法引起的小振蕩。由于SpreadCycle 和其他電流調(diào)節(jié)斬波器原理總是對線圈電流測量做出逐個(gè)周期的反應(yīng)，因此復(fù)雜系統(tǒng)中總是存在幾毫伏的噪聲，以及內(nèi)部兩個(gè)線圈之間的電磁耦合。導(dǎo)致產(chǎn)生的電機(jī)電流的微小變化，從而影響斬波器。

下圖比較了電壓控制的 StealthChop 和電流控制的 SpreadCycle。StealthChop 的過零行為是完美的：當(dāng)電流值的符號從正變?yōu)樨?fù)或反之亦然時(shí)，沒有平臺，而是零電流水平的直線交叉，因?yàn)殡娏魇腔谡{(diào)制的 PWM 占空比。在 50% PWM 占空比下，電流實(shí)際上為零。

具有電壓控制 StealthChop? 斬波器模式的一個(gè)電機(jī)相位的正弦波

具有電流控制的 SpreadCycle? 斬波器模式的一個(gè)電機(jī)相位的正弦波

電壓控制的StealthChop?斬波模式下電機(jī)相位和線圈電流的放大PWM視圖

電流控制的SpreadCycle?斬波模式下電機(jī)相位和線圈電流的放大PWM視圖

配備 StealthChop 的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器結(jié)合了與模擬非常相似的電流波形 - 這在某種程度上非常適合 Dereneville 模擬卡座的應(yīng)用 - 在不增加成本的情況下對功耗進(jìn)行了一些小幅改進(jìn)。結(jié)果是耳語般安靜的運(yùn)動(dòng)。除了無法改變的滾珠軸承噪音外，StealthChop 提供了異常安靜的步進(jìn)電機(jī)性能。使用 StealthChop 的應(yīng)用已實(shí)現(xiàn)低于經(jīng)典電流控制 10dB 的噪聲水平。正如我們從物理學(xué)中所知道的，-3dB 的變化代表大約一半的噪音或聲級降低。

步進(jìn)電機(jī)發(fā)生了哪些變化?

今天的步進(jìn)電機(jī)與多年來一直使用的執(zhí)行器一樣具有成本效益。它們?nèi)匀挥上嗤臋C(jī)器使用相同的工藝和材料制造和組裝。甚至它們的一般操作模式都是相同的。

但與過去使用更簡單的控制器單元驅(qū)動(dòng)它們相比，這些電機(jī)的真正潛力現(xiàn)在可以通過更先進(jìn)的算法和高度集成的微電子技術(shù)來釋放。直接在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電子設(shè)備處或內(nèi)部的集成智能本地回路，在執(zhí)行器處或附近就地收集和測量信息，這是他們唯一可用的地方，并直接在驅(qū)動(dòng)程序中實(shí)時(shí)處理這些信息。StealthChop 就是一個(gè)很好的例子，因?yàn)樗乃惴ㄅc PWM 斬波器密切相關(guān)。

此外，信息可以反饋到更高的應(yīng)用級控制器。傳統(tǒng)的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器解決方案主要只在一個(gè)方向上工作，即僅僅向下驅(qū)動(dòng)電機(jī)。Trinamic 的所有智能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器解決方案都支持通過快速、先進(jìn)的接口進(jìn)行雙向通信。這些接口還可以監(jiān)控不同種類的狀態(tài)和診斷信息，例如，這些信息又可以在應(yīng)用層程序級別上使用，以提高性能、效率或可靠性。

新一代的運(yùn)動(dòng)和電機(jī)控制解決方案也將更高的應(yīng)用級控制器從計(jì)算密集型、實(shí)時(shí)或重復(fù)性任務(wù)中解脫出來，減輕上位機(jī)的負(fù)擔(dān)，這些任務(wù)不一定屬于實(shí)際應(yīng)用級，但需要驅(qū)動(dòng)和控制電機(jī);減少應(yīng)用程序開發(fā)時(shí)間和精力;甚至減少整體 PCB 面積和物料清單 (BOM)。這些智能微電子設(shè)備中提供了很大一部分實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制功能。例如運(yùn)動(dòng)曲線計(jì)算、編碼器接口和末端開關(guān)檢測。

所有這一切都提高了抽象級別，并使電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制成為具有最高質(zhì)量的即用型構(gòu)建塊——但仍然使用相同的“舊”步進(jìn)電機(jī)。

總結(jié)與結(jié)論

半導(dǎo)體制造設(shè)備、醫(yī)療應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化中的晶圓處理。對于低噪音和低振動(dòng)，它們都有相似的性能要求。此外，到目前為止，還有其他應(yīng)用對噪音、振動(dòng)和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的要求較低，這些應(yīng)用可以通過這項(xiàng)技術(shù)得到顯著改善。也有越來越多的新興嵌入式應(yīng)用程序?qū)嶋H上只有通過這種智能解決方案才能成為可能 - 從定性和定量的角度來看。其中包括，例如，3D 打印和桌面制造應(yīng)用 、無法接受可聽噪聲的高級個(gè)人醫(yī)療設(shè)備、相機(jī)滑軌以及高級閉路電視和監(jiān)控?cái)z像頭。TMC5130A 系列終極步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和控制器反映了運(yùn)動(dòng)控制的大趨勢。

審核編輯：湯梓紅