步进电机噪声管理的必要性

　　电机控制设计系列文章的第 2 部分重点介绍如何降低噪声，这是步进电机中最大的挑战之一。

　　电机中的噪音量取决于电机类型、环境条件和具体应用。永磁和混合步进电机通常更安静，因为它们具有更一致的旋转。相反，无论使用何种应用，可变磁阻步进电机都是噪音最大的电机。

　　为了更好地理解噪声的起源，我们需要考虑旋转运动是如何发生的。步进电机执行一步时，它不会立即停止，而是在完全停止之前继续略微向前和向后移动。这种行为可以通过在电机驱动器中采用特定的控制逻辑来克服。在电机运行期间，驱动器在电机完成上一步后停止前一刻命令下一步运动。这种连续和有规律的电机推进有助于降低噪音和振动。

　　还应该注意的是，每个步进电机都有一个共振频率，这通常发生在电机以每秒 150 到 300 步之间的速度移动时。许多设计人员倾向于避免这个工作速度范围，以最大限度地减少噪音和振动。插入适当设计和尺寸的齿轮箱有助于减少振动。位于曲轴上的后安装阻尼器是另一种减少振动的传统解决方案。

　　降噪技术

　　大多数步进电机由脉宽调制 (PWM) 信号控制，该信号持续强制 H 桥在开和关状态之间切换，从而调节为电机供电的电流。基于这种技术的驱动器电路通常被称为“斩波驱动器”，因为它们通过在应用 PWM 波形之后斩波输出电压来为电机绕组提供恒定电流。

　　与 L/R 技术不同，L/R 技术旨在保持施加在绕组上的电压恒定，电流斩波的优势在于它是一种非常高效、紧凑且经济的解决方案，产生少量热量。

　　然而，PWM 信号有一个副作用：应用于步进电机的调制信号可以产生一个声音信号，如果 PWM 频率落在音频频带内，则更是如此。通过实验，确实很容易验证步进电机如何在停止或保持位置时产生噪音。这种现象主要发生在低于 20 kHz 的开关频率。

　　因此，可以推断出降低噪声的第一种方法是提高开关频率。大多数斩波驱动器能够通过修改外部电阻器或电容器的值来提高开关频率。其作用是改变用于电流调节的 PWM 信号在关断状态下的持续时间。此持续时间越短，开关频率越高。

　　然而，没有必要超过频率值，因为超过一定限度，开关损耗也会增加。合适的开关频率值可以在 30 到 50 kHz 之间。如果这种技术还不够，可以减少施加到电机绕组的电流。事实上，较低的电流意味着减少振动，从而减少噪音。

　　然而，副作用是扭矩降低，如果扭矩过低，可能会导致操作过程中的步数丢失。由于电机是在开环中控制的，因此必须向电机提供足以涵盖所有操作条件的电流量，即使是最恶劣的操作条件。一个好的折衷方案是在电机停止期间减少电流。

　　通常，电机保持位置所需的电流远低于加速或以恒定速度移动电机所需的电流。几乎所有步进电机驱动器都允许通过修改模拟参考电压 VREF 来设置电流值。跳闸电流 Itrip 是外部 RSENSE 电阻器和 VREF 参考电压的函数。因为第一个一旦被设计者选择，就有一个固定值，在运行时，可以通过动态改变 VREF 来修改 Itrip。

　　如果需要进一步降低噪音，电机可以在慢衰减模式下运行，而不是在快速或混合衰减模式下运行。这种模式最大限度地减少了驱动电流纹波，降低了噪声并提高了驱动器效率。然而，慢衰减模式并不总是最好的解决方案，尤其是当您想使用微步进技术时。

　　步进驱动器

　　集成驱动器旨在为每种类型的应用提供简单的配置和高级控制功能。集成编码器选项使步进电机成为同步位置应用的合适选择。通过将线圈连接到功率晶体管并将晶体管连接到控制电路来驱动步进电机。

　　Allegro MicroSystems 是有刷直流和步进电机驱动器设计和制造领域的领导者，提供具有集成和 MOSFET 栅极驱动器的广泛的安全和稳健解决方案组合。Allegro 的A3982 是一款完整的步进电机驱动器，具有易于操作的内置转换器，适用于低功率和高功率应用。该驱动器设计用于在全步和半步模式下运行双极步进电机，可提供高达 35 V 和 ±2 A 的输出信号。可以通过在 STEP 处施加信号来选择电流衰减模式（慢速或混合）输入引脚，如图1的原理框图所示。

　　在混合模式下，斩波控制最初设置为快速衰减，持续时间为固定关闭时间的 31.25%，然后在剩余的关闭时间中缓慢衰减。这种电流衰减控制方案降低了可听的电机噪音，提高了步进精度，并降低了功耗。

　　图 1：A3982 框图（图片：Allegro MicroSystems）

　　转换器功能极大地简化了电机控制系统的设计。通过在 STEP 输入引脚上施加一个脉冲，电机被驱动一步。不需要相序表或高频控制线，使A3982成为主微控制器不可用或负担过重的应用的正确选择。

　　Toshiba Electronic Devices and Storage Corp. 还提供多种步进电机驱动器。所述TB67S128 / 249 /289分之279器件具有专有有源增益控制（AGC）的技术。AGC 动态调整步进电机驱动电流，以解决大扭矩条件，实时和开环设计恢复正常电流值。AGC 技术可显着节省功耗并减少或消除更复杂的闭环设计。

　　TB67S128/249/279/289FTG 器件分别提供 5.0 A、4.5 A、2.0 A 和 3.0 A，电机工作电压为 10V 至 42V。这些器件还包括一个象限内的 32 步和 128 步微步进功能，使其适用于各种工业精密电机控制应用（图 2）。

文章来源：eeweb  Maurizio Di Paolo Emilio

编辑：ymf