電機中的噪聲大小取決于電機類(lèi)型、環(huán)境條件和具體的應用。永磁式電機和混合式步進(jìn)電機通常較安靜，因為它們的轉動(dòng)比較穩定。而可變磁阻步進(jìn)電機無(wú)論用在哪里，都是最嘈雜的。
為更好地理解噪聲的來(lái)源，我們需要思考旋轉運動(dòng)是如何產(chǎn)生的。當步進(jìn)電機執行步進(jìn)時(shí)，它不會(huì )立即停止，而是會(huì )繼續略微前后移動(dòng)，然后再完全停止。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)在電機驅動(dòng)器中采用特定的控制邏輯來(lái)克服。電機運行過(guò)程中，在電機完成上一步但停止之前的那一刻，驅動(dòng)器發(fā)出指令開(kāi)始下一個(gè)步進(jìn)。這種連續且有規律的電機前進(jìn)可以降低噪聲和振動(dòng)。
還要注意的是，每個(gè)步進(jìn)電機都有一個(gè)諧振頻率，通常在電機以每秒150到300步的速度運動(dòng)時(shí)會(huì )發(fā)生諧振。許多設計人員傾向于避開(kāi)該工作頻率范圍，以將噪聲和振動(dòng)減至最小。但插入適當設計和調整尺寸的減速機也可以減少振動(dòng)。還有一種傳統的解決方案，即在曲軸上安裝后置式減振器，同樣可以減少振動(dòng)。
降噪技術(shù)
大多數步進(jìn)電機都由脈寬調制（PWM）信號控制，該信號連續強制H橋在開(kāi)關(guān)狀態(tài)之間切換，以此調節饋入電機的電流�；谶@種技術(shù)的驅動(dòng)器電路通常被稱(chēng)為斬波器驅動(dòng)器，因為它會(huì )跟隨PWM波形對輸出電壓進(jìn)行斬波處理，從而為電機繞組提供恒定電流。
與之相反的是，L/R技術(shù)旨在使施加到繞組的電壓保持恒定，而電流斬波的優(yōu)勢在于它是一種非常高效、緊湊且經(jīng)濟的解決方案，只會(huì )產(chǎn)生很少的熱量。
需要注意的是，施加到步進(jìn)電機的調制信號會(huì )產(chǎn)生音頻信號，當PWM頻率落在音頻頻帶內時(shí)更加嚴重。通過(guò)實(shí)驗確實(shí)很容易驗證步進(jìn)電機如何產(chǎn)生噪聲，即使當電機停止或保持在某個(gè)位置時(shí)也是如此。這種現象主要在開(kāi)關(guān)頻率低于20 kHz時(shí)產(chǎn)生。因此，不難推斷，降低噪聲的第一種方法是增加開(kāi)關(guān)頻率。大多數斬波器驅動(dòng)器都可以通過(guò)修改外部電阻器或電容器的值來(lái)增加開(kāi)關(guān)頻率。其目的是改變用于電流調節的PWM信號在關(guān)閉狀態(tài)下的持續時(shí)間，持續時(shí)間越短，開(kāi)關(guān)頻率越高。
但是，頻率不必過(guò)高，因為超過(guò)一定限制，開(kāi)關(guān)損耗也會(huì )增加。較恰當的開(kāi)關(guān)頻率值在30到50 kHz之間。如果這樣還不行，則可以減小施加到電機繞組上的電流。實(shí)際上，較低的電流就意味著(zhù)減少振動(dòng)，當然噪聲也隨之降低。
不過(guò)，這種方法也有副作用，那就是扭矩會(huì )降低。如果扭矩太低，將可能導致運轉失步。由于電機是開(kāi)環(huán)控制的，因此必須為電機提供足以覆蓋其所有運轉條件的電流，即使是在最嚴酷的條件下。一個(gè)好的折衷辦法是在電機停止期間減少電流。
通常，電機保持位置所需的電流大大低于加速或以恒定速率轉動(dòng)電機所需的電流。實(shí)際上，所有步進(jìn)電機驅動(dòng)器都可通過(guò)修改模擬參考電壓VREF來(lái)設置電流值。跳閘電流ITrip是外部RSENSE電阻和VREF參考電壓的函數。設計人員一旦選擇了RSENSE電阻，則運行時(shí)其值就固定了，因此可通過(guò)動(dòng)態(tài)更改VREF來(lái)修改ITrip。
如果需要進(jìn)一步降低噪聲，則可在慢衰減模式（而不是快速或混合衰減模式）下運行電機。 這種模式最大程度地降低了驅動(dòng)電流紋波，從而降低了噪聲并提高了驅動(dòng)器效率。但是，慢衰減模式并不總是最佳解決方案，特別是在使用微步進(jìn)技術(shù)時(shí)。
步進(jìn)驅動(dòng)器
集成驅動(dòng)器旨在為各種類(lèi)型的應用提供簡(jiǎn)單的配置和高級控制功能。而集成編碼器選件則使步進(jìn)電機成為同步位置應用的最佳選擇。只要將線(xiàn)圈連接到功率晶體管，并將晶體管連接到控制電路，就可以驅動(dòng)步進(jìn)電機了。
圖1：A3982框圖（來(lái)源：Allegro MicroSystems）
Allegro MicroSystems公司是有刷直流電機和步進(jìn)電機驅動(dòng)器設計與制造的領(lǐng)導者，提供了一系列集成MOSFET柵極驅動(dòng)器的安全可靠的解決方案。該公司的A3982是一款完整的步進(jìn)電機驅動(dòng)器，內置轉換器，易于操作，適用于低功率和大功率應用。
A3982用于在全步和半步模式下運行雙極步進(jìn)電機，它可提供高達35 V和±2 A的輸出信號。通過(guò)在STEP輸入引腳上施加信號可以選擇電流衰減模式（慢衰減或混合衰減），如圖1中的原理框圖所示。
在混合模式下，斬波控制最初設置為快速衰減模式，持續時(shí)間為固定關(guān)閉時(shí)間的31.25%，然后在其余關(guān)閉時(shí)間內設置為慢衰減。這種電流衰減控制機制可降低可以聽(tīng)到的電機噪聲，提高步進(jìn)精度并降低功耗。
而轉換器的特性則大大簡(jiǎn)化了電機控制系統的設計。只需在STEP輸入引腳上施加一個(gè)脈沖，電機即被驅動(dòng)一步，無(wú)需相序表或高頻控制線(xiàn)。因此，在主機微控制器不可用或負載過(guò)重的應用中，A3982是最佳選擇。
東芝電子元件和存儲公司也提供各種步進(jìn)電機驅動(dòng)器。其TB67S128 / 249/279/289器件采用專(zhuān)有的主動(dòng)增益控制（AGC）技術(shù)。AGC可以動(dòng)態(tài)調整步進(jìn)電機的驅動(dòng)電流，以應對大扭矩狀態(tài)，并在實(shí)時(shí)和開(kāi)環(huán)設計中恢復正常電流值。AGC技術(shù)可極大降低功耗，并減少或避免更復雜的閉環(huán)設計。
圖2：TB67S128電機驅動(dòng)器的典型應用（來(lái)源：東芝）
TB67S128 / 249/279 / 289FTG器件工作電壓為10V至42V，可分別提供5.0A、4.5A、2.0A和3.0A電流。這些器件還在一個(gè)象限中提供了32步和128步微步進(jìn)功能，使其適用于廣泛的工業(yè)精密電機控制應用（圖2）。
結論
步進(jìn)電機具有簡(jiǎn)單的結構并且易于控制。作為一種數字電子元件，步進(jìn)電機廣泛應用于各種開(kāi)環(huán)控制系統。然而，其驅動(dòng)電路和諧振機械結構所產(chǎn)生的噪聲會(huì )影響整體性能。大多數步進(jìn)電機應用都要求平穩的運轉。為了獲得流暢的運轉效果，設計者可以修改電壓、電流，或者更常見(jiàn)的是修改微步設置。 |
