步进电机的抖动和噪音从何而来如何使步进电机完全静音

只看该作者 · 2022-10-22 12:00

步进电机的噪音从何而来?步进电机广泛用于自动化、数字制造、医疗和光学设备等几乎所有类型的移动应用中。
步进电机的优点是成本相对较低，在不使用变速箱的情况下在静止和低速时具有高扭矩，以及对定位任务的固有适用性。与三相无刷电机和伺服驱动器相比，步进电机不一定需要复杂的控制算法或位置反馈来进行换向。
步进器的缺点是噪音很大，即使在低速或静止时也是如此。步进电机有两个主要的振动源：步进分辨率，以及斩波器和脉冲宽度调制 (PWM) 模式导致的副作用。
步进分辨率和微步
典型的步进电机有 50 个磁极，可实现 200 个完整步长，每个步距角为 1.8°，可实现 360° 的完整机械旋转。但也有步数较少的步进电机，甚至高达 800 个全步。最初，这些电机用于全步或半步模式。施加在两个电机线圈 A(蓝色)和 B(红色)上的电流矢量在整个电气旋转(电气 360°)上显示为矩形。如图 3 和图4 中突出显示的那样，电机线圈以 90° 相移模式以全电流或无电流供电。因此，每个周期的一电转由 4 个整步或 8 个半步组成。也就是说，50 极步进电机需要 50 次电气旋转才能完成一整机械转。

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全步操作(电机线圈 A = 蓝色和 B = 红色)

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半步操作(电机线圈 A = 蓝色和 B = 红色)

全步或半步等低分辨率步进模式是步进电机的主要噪声源。它们引入了巨大的振动，这种振动遍布系统的整个力学，特别是在低速和接近某些共振频率时。在较高的速度下，由于惯性矩，这些影响会降低。
转子可以想象成一个谐波振荡器或弹簧摆，如图所示。在驱动器电子设备施加新的电流矢量后，转子将沿着新指令位置的方向步进到下一个全步或半步位置。与脉冲响应类似，转子过冲并围绕下一个位置振荡，从而导致机械振动和噪音。运动远非平稳，尤其是在较低的速度下。

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转子的摆动行为导致振动

为了减少这些振荡，可以应用一种称为微步进的机制。这将一个完整的步骤分成更小的部分，或微步骤。典型分辨率为 2(半步)、4(四分之一步)、8、32 甚至更多微步。定子线圈不是以全电流或零电流供电，而是以中间电流水平接近完整的正弦波波形超过 4 个完整的步骤。这将永磁转子定位在两个后续完整步骤之间的中间位置。这甚至允许适应步进电机的物理特性或应用的特殊定制电流波形(TRINAMIC的驱动芯片支持该功能)。
微步进的最大分辨率由驱动器的 A/D 和 D/A 功能定义。Trinamic 的步进电机控制器和驱动器允许使用每整步高达 256(8 位)微步的步进电机，使用芯片的集成可配置正弦波表甚至完全自定义电流波形。
使用这种高微步分辨率的结果是电机转子现在以更小的角度或更短的距离步进。当切换到新位置时，如图 5 所示的过冲和下冲会大大减少。下图显示了这种差异。

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从全步分辨率切换到高微步分辨率时减少电机振动

斩波器和 PWM 模式
另一个噪声和振动源源自步进电机通常使用的传统斩波器和 PWM 模式。由于粗步进分辨率的主要影响，这些模式的寄生效应常常被忽略。但随着使用微步进提高步进分辨率，这些寄生效应变得明显甚至可以听见。
经典的恒定关断时间 PWM 斩波器模式是一种电流控制的 PWM 斩波器，它以快衰减和慢衰减相位之间的固定关系工作。在其最大值点，电流达到指定的目标电流，这导致平均电流低于所需的目标电流，如图所示。

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恒定关断时间 (TOFF) PWM 斩波模式：平均电流达不到目标电流

在完整的电气旋转中，当电流的符号(方向)发生变化时，这会导致正弦波的过零区域周围出现一个平台。这个平台的影响是电机绕组中电流为零的一小段时间，这意味着根本没有扭矩。这会导致摆动和振动，尤其是在较低的速度下。

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具有经典关断时间斩波器模式的过零平台

与恒定关断时间斩波器相比，Trinamic 的 SpreadCycle™ PWM 斩波器模式应用采用磁滞功能，自动使用慢速和快速衰减周期之间的拟合关系。平均电流反映了配置的标称电流。在正弦波的过零区域没有平台。这减少了电流和转矩脉动，并接近了真正的正弦波形，与恒定关断时间的 PWM 斩波器相比，电机运行更加平稳。这在静止和慢速到中等速度时尤其重要。

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具有平滑过零的SpreadCycle 磁滞斩波器

TMC5130A-TA 是一款包含 StealthChop 模式的小型智能步进电机驱动器和控制器 IC。除了 StealthChop 之外，Trinamic 还改进了电压模式操作并将其与电流控制相结合。为了最大限度地减少电流波动，TMC5130A-TA 芯片的驱动器根据电流反馈调节电压调制。这允许系统根据电机参数和工作电压进行自我调整。
如何使步进电机完全静音?

尽管微步减少了由低步分辨率引起的大部分振动，但高微步分辨率可以更容易地感知其他振动源。先进的电流控制 PWM 斩波器模式，如 Trinamic 的 SpreadCycle™ 算法，在硬件中实现，在很大程度上减少了振动和抖动。这对于许多标准应用来说已经足够了，也非常适合高速应用。
但即使使用像SpreadCycle这样的电流控制斩波器模式，由于电机线圈不同步、检测电阻上几毫伏的调节噪声和PWM抖动，仍然会产生一点点可听噪声和振动。这种噪音和振动对于高端应用、低速到中速应用以及任何噪音无法接受的应用至关重要。
Trinamic 的 StealthChop™ 算法 [4] 也在硬件中实现，最终使步进电机静音。但是 StealthChop 实际上如何对电机实现静音，为什么它不会产生额外的噪音和振动?与基于电流的斩波器模式(如 SpreadCycle)相比，StealthChop 采用了不同的方法：它是一种基于电压斩波器的技术
消除了由直流控制环路的调节算法引起的小振荡。由于SpreadCycle 和其他电流调节斩波器原理总是对线圈电流测量做出逐个周期的反应，因此复杂系统中总是存在几毫伏的噪声，以及内部两个线圈之间的电磁耦合。导致产生的电机电流的微小变化，从而影响斩波器。
下图比较了电压控制的 StealthChop 和电流控制的 SpreadCycle。StealthChop 的过零行为是完美的：当电流值的符号从正变为负或反之亦然时，没有平台，而是零电流水平的直线交叉，因为电流是基于调制的 PWM 占空比。在 50% PWM 占空比下，电流实际上为零。

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具有电压控制 StealthChop™ 斩波器模式的一个电机相位的正弦波

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具有电流控制的 SpreadCycle™ 斩波器模式的一个电机相位的正弦波

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电压控制的StealthChop™斩波模式下电机相位和线圈电流的放大PWM视图

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电流控制的SpreadCycle™斩波模式下电机相位和线圈电流的放大PWM视图

配备 StealthChop 的电机驱动器结合了与模拟非常相似的电流波形 - 在不增加成本的情况下对功耗进行了一些小幅改进。结果是耳语般安静的运动。除了无法改变的滚珠轴承噪音外，StealthChop 提供了异常安静的步进电机性能。使用 StealthChop 的应用已实现低于经典电流控制 10dB 的噪声水平。正如我们从物理学中所知道的，-3dB 的变化代表大约一半的噪音或声级降低。

步进电机发生了哪些变化?
今天的步进电机与多年来一直使用的执行器一样具有成本效益。它们仍然由相同的机器使用相同的工艺和材料制造和组装。甚至它们的一般操作模式都是相同的。
但与过去使用更简单的控制器单元驱动它们相比，这些电机的真正潜力现在可以通过更先进的算法和高度集成的微电子技术来释放。直接在电机驱动器电子设备处或内部的集成智能本地回路，在执行器处或附近就地收集和测量信息，这是他们唯一可用的地方，并直接在驱动程序中实时处理这些信息。StealthChop 就是一个很好的例子，因为它的算法与 PWM 斩波器密切相关。
此外，信息可以反馈到更高的应用级控制器。传统的步进驱动器解决方案主要只在一个方向上工作，即仅仅向下驱动电机。Trinamic 的所有智能步进电机驱动器解决方案都支持通过快速、先进的接口进行双向通信。这些接口还可以监控不同种类的状态和诊断信息，例如，这些信息又可以在应用层程序级别上使用，以提高性能、效率或可靠性。
新一代的运动和电机控制解决方案也将更高的应用级控制器从计算密集型、实时或重复性任务中解脱出来，减轻上位机的负担，这些任务不一定属于实际应用级，但需要驱动和控制电机;减少应用程序开发时间和精力;甚至减少整体 PCB 面积和物料清单 (BOM)。这些智能微电子设备中提供了很大一部分实时运动控制功能。例如运动曲线计算、编码器接口和末端开关检测。
所有这一切都提高了抽象级别，并使电机和运动控制成为具有最高质量的即用型构建块——但仍然使用相同的“旧”步进电机。
总结与结论
半导体制造设备、医疗应用和实验室自动化中的晶圆处理。对于低噪音和低振动，它们都有相似的性能要求。此外，到目前为止，还有其他应用对噪音、振动和运动质量的要求较低，这些应用可以通过这项技术得到显着改善。也有越来越多的新兴嵌入式应用程序实际上只有通过这种智能解决方案才能成为可能 - 从定性和定量的角度来看。其中包括，例如，3D 打印和桌面制造应用、无法接受可听噪声的高级个人医疗设备、相机滑轨以及高级闭路电视和监控摄像头。TMC5130A 系列终极步进电机驱动器和控制器反映了运动控制的大趋势。

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