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°) 。

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(jìn)電機噪音的主要來(lái)源。會(huì )引起極大的震動(dòng)在這個(gè) 機械系統中，尤其是在低速運行時(shí)和接近機械共振頻率的時(shí)候。在高速的時(shí)候，恰好由于慣量的存在 這個(gè)效應會(huì )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(Fullcurrent) 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(4 full 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4描述了在達到新位置時(shí)候的波動(dòng)。

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(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5所示。

Figure 5: Constant of-time (TOFF) PWM chopper mode: average current is
not equal to target current

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。

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(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。

T R INA MI C 的Stea lt h Ch o p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(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)了電壓調節模式聯(lián)合了電流控制。為了最大限度降低電流波動(dòng)，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(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�?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 的靜音下，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。

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(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。

TRINAMIC提供帶有StealthChop功能的模塊，包括單軸、三軸和六軸驅控模塊。傳統的控制模 式下步進(jìn)電機在低速情況下會(huì )出現比較大的噪音和震動(dòng)，而在StealthChop模式下即使速度很低也聽(tīng)不到明顯的聲音。