步進(jìn)電機的噪音來(lái)自哪里?
由于步進(jìn)電機由于結構簡(jiǎn)單、控制方便、安全性高、成本低、停止時(shí)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(wú)刷和伺服電機,步進(jìn)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(shí)現位置控制.被用在很多要求精確定位的場(chǎng)合,基本上在很多需要移動(dòng)控制的場(chǎng)合都會(huì )用到步進(jìn)電機如自動(dòng)化控制、數字化生產(chǎn)如3D、醫療和光學(xué)等眾多領(lǐng)域.
步進(jìn)電機有一個(gè)缺點(diǎn)就是噪音比較大,特別是在低速的時(shí)候.
震動(dòng)主要來(lái)自?xún)蓚�(gè)方面一是步進(jìn)電機的步距分辨率(步距階躍)另一方面是來(lái)自斬波和脈寬調制(PWM)的不良模式反應.
步距角分辨率和細分
典型的步進(jìn)電機有50個(gè)極(Poles),就是200個(gè)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(jìn)電機的步距角更小比如整步需要800步的.起初 這些步進(jìn)電機被用作整步或者半步模式下,矢量電流提供給電機線(xiàn)圈A(藍色)和線(xiàn)圈B(紅色)矩形曲線(xiàn)圖.描述了整個(gè)一個(gè)周期360°的曲線(xiàn).在圖3和圖4中很明顯看到電機線(xiàn)圈在90°換相點(diǎn)處線(xiàn)圈電流要么是最大電流(full power)要么是沒(méi)有電流.
一個(gè)周期內(360°)每組線(xiàn)圈由4個(gè)整步或者8個(gè)半步構成.
也就是50個(gè)極的步進(jìn)電機需要50個(gè)電氣步距來(lái)完成一周的機械旋轉(360°)
在新的矢量電流從驅動(dòng)器端輸出之后,電機轉子會(huì )根據新的位置指令移動(dòng)下一個(gè)整步或者半步的位置,和脈搏反應相似 在新的位置點(diǎn)周?chē)?轉子會(huì )產(chǎn)生超調和振蕩,如此一來(lái)會(huì )導致機械振動(dòng)和噪音. 為了減少這些震動(dòng),等步細分的原來(lái)被提了出來(lái),將一個(gè)整步分割成更小的部分或者微步細分,典型的細分數是2(half-stepping)、4(quarter-stepping)、8、32甚至更大的細分
電機定子線(xiàn)圈的電流并不是最大電流(Full current)或者就是沒(méi)有電流,而是一個(gè)中間的電流值,相比于4個(gè)整步電流(4full steps)更接近于一個(gè)正弦波形狀.永磁體的轉子位置處在2個(gè)整步位置之間(合成磁場(chǎng)位置).最大的細分數是由驅動(dòng)器的A/D和D/A能力決定.TRINAMIC所提供的驅動(dòng)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(jìn)電機可以實(shí)現非常小的角度控制,圖6描述了在達到新位置時(shí)候的波動(dòng)
斬波和PWM模式
噪音和振動(dòng)的另外一個(gè)來(lái)源是傳統的斬波方式和脈寬調制(PWM)模式,由于比較粗的步距分辨率是產(chǎn)生振動(dòng)和噪音的主要因素,我們通常忽視了斬波和PWM帶來(lái)的問(wèn)題.
傳統的恒定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(gè)固定關(guān)系,在其最大數值的時(shí)候,電流才會(huì )達到規定的目標電流,最終導致平均電流是小于預期目標電流的,如圖7所示
在一個(gè)完整的電周期內,電流方向改變時(shí) 在正弦波過(guò)零處有個(gè)平穩過(guò)渡期,這個(gè)會(huì )影響在很短的過(guò)渡期內線(xiàn)圈里面的電流為零,也就是電機此時(shí)根本就沒(méi)有力矩,這就導致了電機擺動(dòng)和振動(dòng),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(dòng)配置一個(gè)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(guò)零點(diǎn)不會(huì )出現過(guò)渡期,這就減少電流和力矩的波動(dòng),是電流波形更加接近正弦波,相比傳統恒定斬波模式,SpreadCycle PWM斬波模式控制下的電機運行得要平穩、平滑很多.
這一點(diǎn)在電機從靜止或低速到中速過(guò)程中非常重要.
如何使步進(jìn)電機實(shí)現完全的靜音?
盡管高細分能解決大部分情況下的低頻震動(dòng);先進(jìn)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(dòng)和顫動(dòng),這也滿(mǎn)足了大部分的應用,也適合高速運動(dòng).但是基于電流控制的斬波模式,還是會(huì )存在可聽(tīng)得見(jiàn)的噪音和振動(dòng),主要是由于電機線(xiàn)圈的不同步,檢測電阻上幾毫伏的調節噪音和PWM時(shí)基誤差,這些噪音和振動(dòng)在一些高端應用場(chǎng)合也是不被允許的,緩慢運行或中速運動(dòng)的應用,以及任何不允許有噪音和場(chǎng)合.
TRINAMIC的StealthChop算法也是通過(guò)硬件來(lái)實(shí)現的,從根本上使步進(jìn)電機靜音,但是Stealthchop功能如何影響了步進(jìn)電機?為什么電機不會(huì )出現噪音和震動(dòng)?Stealthchop采用一種與基于電流反饋電壓調制模式如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(shù),該技術(shù)保證了電機的靜音和平穩平滑運動(dòng).
TMC5130-一款小體積,精巧的步進(jìn)電機驅動(dòng)控制芯片,帶有StealthChop模式.TRINAMIC改進(jìn)了調制模式.為了最大限度降低電流波動(dòng)對動(dòng)態(tài)性能的影響,TMC5130采用基于電流反饋來(lái)控制電壓調制,這允許系統自適應電機的參數和運行電壓.來(lái)自直接電流控制回路算法引起的微小震蕩被消除.
圖10和圖11顯示 電壓控制模式的Stealthchop 和電流控制模式的SpreadCycle
StealthChop模式下過(guò)零點(diǎn)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?不會(huì )有過(guò)渡區域而是持續性的穿過(guò)零點(diǎn).因為電流的調制是根據PWM占空比來(lái)控制的.在50%的PWM占空比,電流是0,StealthChop調整PWM的占空比來(lái)調節電機電流,PWM頻率是個(gè)常數,與此相反 電流控制的斬波器通過(guò)調控頻率實(shí)現調節電機電流,在這里 電流的波動(dòng)是比較大的,此外電流的波動(dòng)會(huì )在電機的永磁體轉子里產(chǎn)生渦流,這會(huì )導致電機的功耗損失.
這些頻率變化著(zhù)的PWM發(fā)出的聲音是在可聽(tīng)范圍之內的,會(huì )發(fā)出嘶嘶的聲音,而且電子定子會(huì )由于磁致伸縮產(chǎn)生更大的噪音,進(jìn)而會(huì )傳遞引起機械系統的震動(dòng).而StealthChop的固定斬波頻率就不會(huì )有這些問(wèn)題.沒(méi)有斬波頻率的變化 除了電機運行時(shí)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(wú)法避免的之外,StealthChop可以驅動(dòng)電機工作在極度的精音下,可以實(shí)現控制電機聲音在10dB分貝以下,噪音大大低于傳統的電流控制方式.我們從物理中得知 3dB分貝的減少量會(huì )將噪音程度降低一半.
對步進(jìn)電機來(lái)說(shuō)改變了什么?
如今步進(jìn)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(lái)一樣的材料,一樣的生產(chǎn)工序和裝配工藝.
但是相比過(guò)去,如今步進(jìn)電機被更簡(jiǎn)單的控制單元驅動(dòng),更先進(jìn)的算法和更高度集成的微電子是原來(lái)的電機發(fā)揮出更大的潛能.在接近電機的驅動(dòng)電路中更多的信息被獲取和處理并實(shí)時(shí)在驅動(dòng)電流里被處理以?xún)?yōu)化電機控制,StealthChop便是一個(gè)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,而傳統的步進(jìn)驅動(dòng)方案都是單向的(脈沖/方向),所有TRINAMIC的智能步進(jìn)電機驅動(dòng)方案都是雙向通訊,這些接口還可以監測不同狀態(tài)、診斷信息.這可以增加系統的可靠性,提供系統的性能.
StealthChop靜音驅動(dòng)技術(shù)非常適合3D打印、桌面型CNC、高端的CCTV、體外診斷設備、醫療檢測設備等對噪音要求敏感的場(chǎng)合. |
