電機(jī)控制設(shè)計(jì):步進(jìn)電機(jī)降噪

電機(jī)的噪音量取決于電機(jī)的類(lèi)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)樗鼈兊男D(zhuǎn)更一致。相反，可變磁阻步進(jìn)電機(jī)是最嘈雜的，無(wú)論它們用于何種應(yīng)用。

為了更好地理解噪聲的來(lái)源，我們需要考慮旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是如何發(fā)生的。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行一步時(shí)，它不會(huì)立即停止，而是在完全停止之前繼續(xù)稍微向前和向后移動(dòng)。這種行為可以通過(guò)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中采用特定的控制邏輯來(lái)克服。在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)器在電機(jī)完成前一步后停止前一刻命令下一步移動(dòng)。這種連續(xù)而有規(guī)律的電機(jī)進(jìn)步有助于減少噪音和振動(dòng)。

還應(yīng)該注意的是，每個(gè)步進(jìn)電機(jī)都有一個(gè)共振頻率，這通常發(fā)生在電機(jī)以每秒 150 到 300 步的速度移動(dòng)時(shí)。許多設(shè)計(jì)人員傾向于避免這個(gè)工作速度范圍，以盡量減少噪音和振動(dòng)。插入適當(dāng)設(shè)計(jì)和尺寸的齒輪箱有助于減少振動(dòng)。位于曲軸上的后置減震器是另一種減少振動(dòng)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(hào)控制，該信號(hào)持續(xù)強(qiáng)制 H 橋在開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(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(dòng)器電路通常被稱為“斬波驅(qū)動(dòng)器”，因?yàn)樗鼈兺ㄟ^(guò)在應(yīng)用 PWM 波形后對(duì)輸出電壓進(jìn)行斬波來(lái)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)旨在保持施加到繞組的電壓恒定，電流斬波具有非常高效、緊湊且經(jīng)濟(jì)的解決方案的優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)生少量熱量。

但是，PWM 信號(hào)有一個(gè)副作用：施加到步進(jìn)電機(jī)的調(diào)制信號(hào)會(huì)產(chǎn)生可聽(tīng)信號(hào)，如果 PWM 頻率落在音頻頻帶內(nèi)，則更是如此。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，確實(shí)很容易驗(yàn)證步進(jìn)電機(jī)在停止或保持位置時(shí)如何產(chǎn)生噪音。這種現(xiàn)象主要發(fā)生在低于 20 kHz 的開(kāi)關(guān)頻率上。

因此，可以推斷出降低噪聲的第一種方法是提高開(kāi)關(guān)頻率。大多數(shù)斬波器驅(qū)動(dòng)器能夠通過(guò)修改外部電阻器或電容器的值來(lái)增加開(kāi)關(guān)頻率。其效果是改變用于電流調(diào)節(jié)的 PWM 信號(hào)處于關(guān)閉狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間。該持續(xù)時(shí)間越短，開(kāi)關(guān)頻率越高。

然而，沒(méi)有必要超過(guò)頻率值，因?yàn)槌^(guò)一定限度，開(kāi)關(guān)損耗也會(huì)增加。適當(dāng)?shù)拈_(kāi)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(dòng)，從而減少噪音。

然而，副作用是扭矩的降低，如果太低，可能會(huì)導(dǎo)致操作過(guò)程中的步驟丟失。由于電機(jī)是在開(kāi)環(huán)中控制的，因此必須為電機(jī)提供足以覆蓋所有運(yùn)行條件的電流，即使是最?lèi)毫拥倪\(yùn)行條件。一個(gè)好的折衷方案是在電機(jī)停止期間降低電流。

通常，電機(jī)保持位置所需的電流遠(yuǎn)低于以恒定速度加速或移動(dòng)電機(jī)所需的電流。幾乎所有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器都允許通過(guò)修改模擬參考電壓VREF來(lái)設(shè)置電流值。跳閘電流 I Trip是外部 R SENSE 電阻和 V REF 參考電壓的函數(shù)。因?yàn)榈谝粋€(gè)一旦被設(shè)計(jì)者選擇，就有一個(gè)固定值，在運(yùn)行時(shí)，可以通過(guò)動(dòng)態(tài)改變 V REF 來(lái)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，而不是快速或混合衰減模式。此模式可最大限度地減少驅(qū)動(dòng)電流紋波，降低噪聲并提高驅(qū)動(dòng)器效率。然而，慢衰減模式并不總是最好的解決方案，特別是如果您想使用微步進(jìn)技術(shù)。

步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器

集成驅(qū)動(dòng)程序旨在為每種類(lèi)型的應(yīng)用程序提供簡(jiǎn)單的配置和高級(jí)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(guò)將線圈連接到功率晶體管并將晶體管連接到控制電路來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。

Allegro MicroSystems 是有刷直流和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，提供具有集成和 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器的安全可靠的廣泛解決方案組合。Allegro 的A3982 是一款完整的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(hào)。電流衰減模式(慢或混合)可以通過(guò)在 STEP 上施加信號(hào)來(lái)選擇輸入引腳，如圖1的示意框圖所示。

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可降低可聽(tīng)電機(jī)噪聲、提高步進(jìn)精度并降低功耗。

圖 1：A3982 框圖(圖片：Allegro MicroSystems)

轉(zhuǎn)換器功能極大地簡(jiǎn)化了電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過(guò)在 STEP 輸入引腳上施加一個(gè)脈沖，電機(jī)被驅(qū)動(dòng)一步。不需要相序表或高頻控制線，這使得 A3982 成為主機(jī)微控制器不可用或負(fù)擔(dān)過(guò)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(dòng)器。TB67S128 /249/279/289器件采用專(zhuān)有的主動(dòng)增益控制 (AGC) 技術(shù)。AGC 動(dòng)態(tài)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流，以解決大扭矩條件，在開(kāi)環(huán)設(shè)計(jì)中實(shí)時(shí)恢復(fù)正常電流值。AGC 技術(shù)可顯著節(jié)省電力并減少或消除更復(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 10-V 至 42-V。這些器件還包括一個(gè)象限中的 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)。

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

結(jié)論

步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制。步進(jìn)電機(jī)作為一種數(shù)字電子元件，廣泛應(yīng)用于許多開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中。但是，它在影響整體性能的噪聲方面存在缺點(diǎn)。噪聲和共振主要來(lái)自驅(qū)動(dòng)電路和共振的機(jī)械結(jié)構(gòu)。大多數(shù)步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用都需要平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。為了獲得極其流暢的運(yùn)動(dòng)，一些工程師會(huì)修改電壓、電流，更常見(jiàn)的是，修改微步設(shè)置。

審核編輯：湯梓紅