電機控制設計:步進電機降噪

電機的噪音量取決于電機的類型、環境條件和具體應用。永磁和混合式步進電機通常更安靜，因為它們的旋轉更一致。相反，可變磁阻步進電機是最嘈雜的，無論它們用于何種應用。

為了更好地理解噪聲的來源，我們需要考慮旋轉運動是如何發生的。當步進電機執行一步時，它不會立即停止，而是在完全停止之前繼續稍微向前和向后移動。這種行為可以通過在電機驅動器中采用特定的控制邏輯來克服。在電機運行過程中，驅動器在電機完成前一步后停止前一刻命令下一步移動。這種連續而有規律的電機進步有助于減少噪音和振動。

還應該注意的是，每個步進電機都有一個共振頻率，這通常發生在電機以每秒 150 到 300 步的速度移動時。許多設計人員傾向于避免這個工作速度范圍，以盡量減少噪音和振動。插入適當設計和尺寸的齒輪箱有助于減少振動。位于曲軸上的后置減震器是另一種減少振動的傳統解決方案。

降噪技術

大多數步進電機由脈寬調制 (PWM) 信號控制，該信號持續強制 H 橋在開啟和關閉狀態之間切換，從而調節為電機供電的電流。基于這種技術的驅動器電路通常被稱為“斬波驅動器”，因為它們通過在應用 PWM 波形后對輸出電壓進行斬波來為電機繞組提供恒定電流。

與 L/R 技術不同，L/R 技術旨在保持施加到繞組的電壓恒定，電流斬波具有非常高效、緊湊且經濟的解決方案的優勢，產生少量熱量。

但是，PWM 信號有一個副作用：施加到步進電機的調制信號會產生可聽信號，如果 PWM 頻率落在音頻頻帶內，則更是如此。通過實驗，確實很容易驗證步進電機在停止或保持位置時如何產生噪音。這種現象主要發生在低于 20 kHz 的開關頻率上。

因此，可以推斷出降低噪聲的第一種方法是提高開關頻率。大多數斬波器驅動器能夠通過修改外部電阻器或電容器的值來增加開關頻率。其效果是改變用于電流調節的 PWM 信號處于關閉狀態的持續時間。該持續時間越短，開關頻率越高。

然而，沒有必要超過頻率值，因為超過一定限度，開關損耗也會增加。適當的開關頻率值可以在 30 到 50 kHz 之間。如果這種技術還不夠，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，副作用是扭矩的降低，如果太低，可能會導致操作過程中的步驟丟失。由于電機是在開環中控制的，因此必須為電機提供足以覆蓋所有運行條件的電流，即使是最惡劣的運行條件。一個好的折衷方案是在電機停止期間降低電流。

通常，電機保持位置所需的電流遠低于以恒定速度加速或移動電機所需的電流。幾乎所有步進電機驅動器都允許通過修改模擬參考電壓VREF來設置電流值。跳閘電流 I Trip是外部 R SENSE 電阻和 V REF 參考電壓的函數。因為第一個一旦被設計者選擇，就有一個固定值，在運行時，可以通過動態改變 V REF 來修改 I Trip 。

如果需要進一步降低噪音，電機可以在慢衰減模式下運行，而不是快速或混合衰減模式。此模式可最大限度地減少驅動電流紋波，降低噪聲并提高驅動器效率。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技術。

步進驅動器

集成驅動程序旨在為每種類型的應用程序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動步進電機。

Allegro MicroSystems 是有刷直流和步進電機驅動器設計和制造領域的領導者，提供具有集成和 MOSFET 柵極驅動器的安全可靠的廣泛解決方案組合。Allegro 的A3982 是一款完整的步進電機驅動器，具有易于操作的內置轉換器，適用于低功率和高功率應用。該驅動器設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。電流衰減模式(慢或混合)可以通過在 STEP 上施加信號來選擇輸入引腳，如圖1的示意框圖所示。

在混合模式下，斬波控制最初設置為快速衰減，持續時間為固定關閉時間的 31.25%，然后在剩余的關閉時間中緩慢衰減。這種電流衰減控制方案可降低可聽電機噪聲、提高步進精度并降低功耗。

圖 1：A3982 框圖(圖片：Allegro MicroSystems)

轉換器功能極大地簡化了電機控制系統的設計。通過在 STEP 輸入引腳上施加一個脈沖，電機被驅動一步。不需要相序表或高頻控制線，這使得 A3982 成為主機微控制器不可用或負擔過重的應用的正確選擇。

Toshiba Electronic Devices and Storage Corp. 還提供多種步進電機驅動器。TB67S128 /249/279/289器件采用專有的主動增益控制 (AGC) 技術。AGC 動態調整步進電機驅動電流，以解決大扭矩條件，在開環設計中實時恢復正常電流值。AGC 技術可顯著節省電力并減少或消除更復雜的閉環設計。

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 10-V 至 42-V。這些器件還包括一個象限中的 32 步和 128 步微步進功能，使其適用于廣泛的工業精密電機控制應用(圖 2)。