【導讀】由于步進電機由于結構簡單、控制方便、安全性高、成本低、停止時候力矩大、在低速情況下不需 要減速機就可以輸出很大的力矩、相比直流無刷和伺服電機，步進電機不需要復雜的控制算法也不需要編碼器反饋情況下可以實現(xiàn)位置控制。
步進電機的噪音來自哪里?
由于步進電機由于結構簡單、控制方便、安全性高、成本低、停止時候力矩大、在低速情況下不需 要減速機就可以輸出很大的力矩、相比直流無刷和伺服電機，步進電機不需要復雜的控制算法也不需要編碼器反饋情況下可以實現(xiàn)位置控制。被用在很多要求精確定位的場合，基本上在很多需要移動控 制的場合都會用到步進電機如自動化控制、數(shù)字化生產(chǎn)如3D、醫(yī)療和光學等眾多領域。
步進電機有一個缺點就是噪音比較大，特別是在低速的時候。震動主要來自兩個方面一是步進電 機的步距分辨率(步距階躍) 另一方面是來自斬波和脈寬調(diào)制(PWM) 的不良模式反應。
步距角分辨率和細分
典型的步進電機有50個極(Poles)，就是200個整步(Full Steps)，也就是整步情況下每步1.8° 角度，電機旋轉一周需要360°。但是也有些步進電機的步距角更小比如整步需要800步的。起初，這些步進電機被用作整步或者半步模式下，矢量電流提供給電機線圈A(藍色) 和線圈B(紅色) 矩形曲線圖。描述了整個一個周期360°的曲線。在圖3和圖4中很明顯看到電機線圈在90°換相點處線圈電流要 么是最大電流(full power) 要么是沒有電流。
一個周期內(nèi)(360°) 每組線圈由4個整步或者8個半步構成。也就是50個極的步進電機需要50個電 氣步距來完成一周的機械旋轉(360°) 。
Figure 1: Full-step operation
Figure 2: Half-step operation
低的步距分辨率模式比如半步或者整步是步進電機噪音的主要來源。會引起極大的震動在這個 機械系統(tǒng)中，尤其是在低速運行時和接近機械共振頻率的時候。在高速的時候，恰好由于慣量的存在 這個效應會被降低，電機的轉子可以為認為成諧波振蕩器或者彈簧鐘擺，如圖3。
Figure 3: Pendulum behavior of the rotor leads to vibrations
在新的矢量電流從驅(qū)動器端輸出之后，電機轉子會根據(jù)新的位置指令移動下一個整步或者半步的位置和脈搏反應相似在新的位置點周圍，轉子會產(chǎn)生超調(diào)和振蕩，如此一來會導致機械振動和噪音。為了減少這些震動，等步細分的原來被提了出來，將一個整步分割成更小的部分或者微步細分，典型的細分數(shù)是2(half-stepping) 、4(quarter-stepping) 、8、32甚至更大的細分。
電機定子線圈的電流并不是最大電流(Fullcurrent) 或者就是沒有電流，而是一個中間的電流 值，相比于4個整步電流(4 full steps) 更接近于一個正弦波形狀。永磁體的轉子位置處在2個整步位置之間(合成磁場位置) 。最大的細分數(shù)是由驅(qū)動器的A/D和D/A能力決定。TRINAMIC所提供的驅(qū)動 和控制器可以達到256細分(8bit) 采用集成的正弦波配置表格，步進電機可以實現(xiàn)非常小的角度控 制，圖4描述了在達到新位置時候的波動。
Figure 4: Reduction of motor vibrations when switching from full-step
to high microstep resolutions
斬波和PWM模式
噪音和振動的另外一個來源是傳統(tǒng)的斬波方式和脈寬調(diào)制(PWM)模式，由于比較粗的步距分辨 率是產(chǎn)生振動和噪音的主要因素，我們通常忽視了斬波和PWM帶來的問題。
傳統(tǒng)的恒定PWM斬波模式是電流控制的PWM斬波模式，該模式在快速衰減和慢速衰減之間有 個固定關系，在其最大數(shù)值的時候，電流才會達到規(guī)定的目標電流，最終導致平均電流是小于預期目標電流的，如圖5所示。
Figure 5: Constant of-time (TOFF) PWM chopper mode: average current is
not equal to target current
在一個完整的電周期內(nèi)，電流方向改變時在正弦波過零處有個平穩(wěn)過渡期，這個會影響在很短的 過渡期內(nèi)線圈里面的電流為零，也就是電機此時根本就沒有力矩，這就導致了電機擺動和振動，尤其是在低速情況下。
相比恒定的斬波模式，TRINAMIC 的 SpreadCycle PWM 斬波模式在慢速和快速衰減器之間自動 配置一個磁滯衰減功能。平均電流反應了配置的正常電流，在正弦的過零點不會出現(xiàn)過渡期，這就減少電流和力矩的波動，是電流波形更加接近正弦波，相比傳統(tǒng)恒定斬波模式，SpreadCycle PWM斬波 模式控制下的電機運行得要平穩(wěn)、平滑很多。
這一點在電機從靜止或低速到中速過程中非常重要。
Figure 6: Zero-crossing plateau with classic of-time chopper modes
Figure 7: SpreadCycle hysteresis chopper with clean zero crossing
如何使步進電機實現(xiàn)完全的靜音?
盡管高細分能解決大部分情況下的低頻震動;先進的電流控制PWM斬波模式比如TRINAMIC的 SpreadCycle算法，這些在硬件上的作用很大程度上減少震動和顫動，這也滿足了大部分的應用，也適 合高速運動。但是基于電流控制的斬波模式，還是會存在可聽得見的噪音和振動，主要是由于電機線圈的不同步，檢測電阻上幾毫伏的調(diào)節(jié)噪音和PWM時基誤差，這些噪音和振動在一些高端應用場合 也是不被允許的，緩慢運行或中速運動的應用，以及任何不允許有噪音和場合。
T R INA MI C 的Stea lt h Ch o p算法 也 是 通 過硬 件 來實現(xiàn)的，從根本上使 步 進電 機 靜 音，但 是 Stealthchop功能如何影響了步進電機?為什么電機不會出現(xiàn)噪音和震動?Stealthchop采用一種與基 于電流斬波模式如SpeadCycle完全不同的方法。而是采用基于電壓斬波模式一種新技術，該技術保證了電機的靜音和平穩(wěn)平滑運動。
TMC5130?一款小體積，精巧的步進電機驅(qū)動控制芯片，帶有StealthChop模式。TRINAMIC改 進了電壓調(diào)節(jié)模式聯(lián)合了電流控制。為了最大限度降低電流波動，TMC5130采用基于電流反饋來控制電壓調(diào)制，這允許系統(tǒng)自適應電機的參數(shù)和運行電壓。來自直接電流控制回路算法引起的微小震蕩被消除。
圖8和圖9顯示 電壓控制模式的Stealthchop和電流控制模式的SpreadCycle。
Figure 8: Sine wave of one motor phase with voltage-controlled StealthChopTM chopper mode
Figure 9: Sine wave of one motor phase with current-controlled SpreadCycleTM chopper mode
StealthChop模式下過零點的效果是非常完美的:當電流的信號從正變?yōu)樨摶蛘哓撟優(yōu)檎粫?過渡區(qū)域而是持續(xù)性的穿過零點。因為電流的調(diào)制是根據(jù)PWM占空比來控制的。在50%的PWM占空比，電流是0，StealthChop調(diào)整PWM的占空比來調(diào)節(jié)電機電流，PWM頻率是個常數(shù)，與此相反電流控制的斬波器通過調(diào)控頻率實現(xiàn)調(diào)節(jié)電機電流，在這里電流的波動是比較大的，此外電流的波動會在電機的永磁體轉子里產(chǎn)生渦流，這會導致電機的功耗損失。
這些頻率變化著的PWM發(fā)出的聲音是在可聽范圍之內(nèi)的，會發(fā)出嘶嘶的聲音，而且電子定子會 由于磁致伸縮產(chǎn)生更大的噪音，進而會傳遞引起機械系統(tǒng)的震動。而StealthChop的固定斬波頻率 就不會有這些問題。沒有斬波頻率的變化除了電機運行時候微步相序分配器的變化。
除了電機軸承鋼球磨擦的聲音，這是無法避免的之外，StealthChop可以驅(qū)動電機工作在極度 的靜音下，可以實現(xiàn)控制電機聲音在10dB分貝以下，噪音大大低于傳統(tǒng)的電流控制方式。我們從物理中得知 3dB分貝的減少量會將噪音程度降低一半。
Figure 10: Zoomed-in PWM view of both motor phases and coil current
with voltage-controlled StealthChopTM chopper mode
Figure 11: Zoomed-in PWM view of both motor phases and coil current
with current-controlled SpreadCycleTM chopper mode
對步進電機來說改變了什么?
如今步進電機還是一種十分經(jīng)濟的電機，已經(jīng)被應用了很多年，依舊采用和原來一樣的材料，一 樣的生產(chǎn)工序和裝配工藝。
但是相比過去，如今步進電機被更簡單的控制單元驅(qū)動，更先進的算法和更高度集成的微電子是 原來的電機發(fā)揮出更大的潛能。在接近電機的驅(qū)動電路中更多的信息被獲取和處理并實時在驅(qū)動電 流里被處理以優(yōu)化電機控制，StealthChop便是一個完美的例子它的算法和PWM斬波緊密聯(lián)系，此外 這些信息還可以反饋到更高的應用控制層，而傳統(tǒng)的步進驅(qū)動方案都是單向的(脈沖/方向) ，所有 TRINAMIC的智能步進電機驅(qū)動方案都是雙向通訊，這些接口還可以監(jiān)測不同狀態(tài)、診斷信息。這可 以增加系統(tǒng)的可靠性，提供系統(tǒng)的性能。
StealthChop靜音驅(qū)動技術非常適合3D打印、桌面型CNC、高端的CCTV、體外診斷設備、醫(yī)療檢 測設備等對噪音要求敏感的場合。
TRINAMIC提供帶有StealthChop功能的模塊，包括單軸、三軸和六軸驅(qū)控模塊。傳統(tǒng)的控制模 式下步進電機在低速情況下會出現(xiàn)比較大的噪音和震動，而在StealthChop模式下即使速度很低也聽不到明顯的聲音。
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