如何降低步進(jìn)電機(jī)的噪聲？

電機(jī)中的噪聲大小取決于電機(jī)類型、環(huán)境條件和具體的應(yīng)用。永磁式電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī)通常較安靜，因?yàn)樗鼈兊霓D(zhuǎn)動(dòng)比較穩(wěn)定。而可變磁阻步進(jìn)電機(jī)無(wú)論用在哪里，都是最嘈雜的。

為更好地理解噪聲的來(lái)源，我們需要思考旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是如何產(chǎn)生的。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行步進(jìn)時(shí)，它不會(huì)立即停止，而是會(huì)繼續(xù)略微前后移動(dòng)，然后再完全停止。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中采用特定的控制邏輯來(lái)克服。電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，在電機(jī)完成上一步但停止之前的那一刻，驅(qū)動(dòng)器發(fā)出指令開始下一個(gè)步進(jìn)。這種連續(xù)且有規(guī)律的電機(jī)前進(jìn)可以降低噪聲和振動(dòng)。

還要注意的是，每個(gè)步進(jìn)電機(jī)都有一個(gè)諧振頻率，通常在電機(jī)以每秒150到300步的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生諧振。許多設(shè)計(jì)人員傾向于避開該工作頻率范圍，以將噪聲和振動(dòng)減至最小。但插入適當(dāng)設(shè)計(jì)和調(diào)整尺寸的減速機(jī)也可以減少振動(dòng)。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(dòng)。

降噪技術(shù)

大多數(shù)步進(jìn)電機(jī)都由脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)控制，該信號(hào)連續(xù)強(qiáng)制H橋在開關(guān)狀態(tài)之間切換，以此調(diào)節(jié)饋入電機(jī)的電流?；谶@種技術(shù)的驅(qū)動(dòng)器電路通常被稱為斬波器驅(qū)動(dòng)器，因?yàn)樗鼤?huì)跟隨PWM波形對(duì)輸出電壓進(jìn)行斬波處理，從而為電機(jī)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(shì)在于它是一種非常高效、緊湊且經(jīng)濟(jì)的解決方案，只會(huì)產(chǎn)生很少的熱量。

需要注意的是，施加到步進(jìn)電機(jī)的調(diào)制信號(hào)會(huì)產(chǎn)生音頻信號(hào)，當(dāng)PWM頻率落在音頻頻帶內(nèi)時(shí)更加嚴(yán)重。通過(guò)實(shí)驗(yàn)確實(shí)很容易驗(yàn)證步進(jìn)電機(jī)如何產(chǎn)生噪聲，即使當(dāng)電機(jī)停止或保持在某個(gè)位置時(shí)也是如此。這種現(xiàn)象主要在開關(guān)頻率低于20 kHz時(shí)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(dòng)器都可以通過(guò)修改外部電阻器或電容器的值來(lái)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(hào)在關(guān)閉狀態(tài)下的持續(xù)時(shí)間，持續(xù)時(shí)間越短，開關(guān)頻率越高。

但是，頻率不必過(guò)高，因?yàn)槌^(guò)一定限制，開關(guān)損耗也會(huì)增加。較恰當(dāng)?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(jī)繞組上的電流。實(shí)際上，較低的電流就意味著減少振動(dòng)，當(dāng)然噪聲也隨之降低。

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

通常，電機(jī)保持位置所需的電流大大低于加速或以恒定速率轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)所需的電流。實(shí)際上，所有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器都可通過(guò)修改模擬參考電壓VREF來(lái)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(jì)人員一旦選擇了RSENSE電阻，則運(yùn)行時(shí)其值就固定了，因此可通過(guò)動(dòng)態(tài)更改VREF來(lái)修改ITrip。

如果需要進(jìn)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(yùn)行電機(jī)。 這種模式最大程度地降低了驅(qū)動(dòng)電流紋波，從而降低了噪聲并提高了驅(qū)動(dòng)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(jìn)技術(shù)時(shí)。

步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器

集成驅(qū)動(dòng)器旨在為各種類型的應(yīng)用提供簡(jiǎn)單的配置和高級(jí)控制功能。而集成編碼器選件則使步進(jìn)電機(jī)成為同步位置應(yīng)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(dòng)步進(jìn)電機(jī)了。

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

Allegro MicroSystems公司是有刷直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)與制造的領(lǐng)導(dǎo)者，提供了一系列集成MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器的安全可靠的解決方案。該公司的A3982是一款完整的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)置轉(zhuǎn)換器，易于操作，適用于低功率和大功率應(yīng)用。

A3982用于在全步和半步模式下運(yùn)行雙極步進(jìn)電機(jī)，它可提供高達(dá)35 V和±2 A的輸出信號(hào)。通過(guò)在STEP輸入引腳上施加信號(hào)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(shí)間為固定關(guān)閉時(shí)間的31.25%，然后在其余關(guān)閉時(shí)間內(nèi)設(shè)置為慢衰減。這種電流衰減控制機(jī)制可降低可以聽到的電機(jī)噪聲，提高步進(jìn)精度并降低功耗。

而轉(zhuǎn)換器的特性則大大簡(jiǎn)化了電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。只需在STEP輸入引腳上施加一個(gè)脈沖，電機(jī)即被驅(qū)動(dòng)一步，無(wú)需相序表或高頻控制線。因此，在主機(jī)微控制器不可用或負(fù)載過(guò)重的應(yīng)用中，A3982是最佳選擇。

東芝電子元件和存儲(chǔ)公司也提供各種步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。其TB67S128 / 249/279/289器件采用專有的主動(dòng)增益控制（AGC）技術(shù)。AGC可以動(dòng)態(tài)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流，以應(yīng)對(duì)大扭矩狀態(tài)，并在實(shí)時(shí)和開環(huán)設(shè)計(jì)中恢復(fù)正常電流值。AGC技術(shù)可極大降低功耗，并減少或避免更復(fù)雜的閉環(huán)設(shè)計(jì)。

圖2：TB67S128電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的典型應(yīng)用（圖片來(lái)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(gè)象限中提供了32步和128步微步進(jìn)功能，使其適用于廣泛的工業(yè)精密電機(jī)控制應(yīng)用（圖2）。

結(jié)論

步進(jìn)電機(jī)具有簡(jiǎn)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(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制系統(tǒng)。然而，其驅(qū)動(dòng)電路和諧振機(jī)械結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的噪聲會(huì)影響整體性能。大多數(shù)步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用都要求平穩(wěn)的運(yùn)轉(zhuǎn)。為了獲得流暢的運(yùn)轉(zhuǎn)效果，設(shè)計(jì)者可以修改電壓、電流，或者更常見的是修改微步設(shè)置。

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