關于步進電機驅動器的降噪技術解析

作者：Maurizio Di Paolo Emilio

步進電機具有簡單的結構并且易于控制。作為一種數(shù)字電子元件，步進電機廣泛應用于各種開環(huán)控制系統(tǒng)。然而，其驅動電路和諧振機械結構所產(chǎn)生的噪聲會影響整體性能。大多數(shù)步進電機應用都要求平穩(wěn)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，或者更常見的是修改微步設置。電機中的噪聲大小取決于電機類型、環(huán)境條件和具體的應用。永磁式電機和混合式步進電機通常較安靜，因為它們的轉動比較穩(wěn)定。而可變磁阻步進電機無論用在哪里，都是最嘈雜的。

為更好地理解噪聲的來源，我們需要思考旋轉運動是如何產(chǎn)生的。當步進電機執(zhí)行步進時，它不會立即停止，而是會繼續(xù)略微前后移動，然后再完全停止。這個問題可以通過在電機驅動器中采用特定的控制邏輯來克服。電機運行過程中，在電機完成上一步但停止之前的那一刻，驅動器發(fā)出指令開始下一個步進。這種連續(xù)且有規(guī)律的電機前進可以降低噪聲和振動。

還要注意的是，每個步進電機都有一個諧振頻率，通常在電機以每秒150到300步的速度運動時會發(fā)生諧振。許多設計人員傾向于避開該工作頻率范圍，以將噪聲和振動減至最小。但插入適當設計和調整尺寸的減速機也可以減少振動。還有一種傳統(tǒng)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。

降噪技術

大多數(shù)步進電機都由脈寬調制（PWM）信號控制，該信號連續(xù)強制H橋在開關狀態(tài)之間切換，以此調節(jié)饋入電機的電流?；谶@種技術的驅動器電路通常被稱為斬波器驅動器，因為它會跟隨PWM波形對輸出電壓進行斬波處理，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，只會產(chǎn)生很少的熱量。

需要注意的是，施加到步進電機的調制信號會產(chǎn)生音頻信號，當PWM頻率落在音頻頻帶內時更加嚴重。通過實驗確實很容易驗證步進電機如何產(chǎn)生噪聲，即使當電機停止或保持在某個位置時也是如此。這種現(xiàn)象主要在開關頻率低于20 kHz時產(chǎn)生。因此，不難推斷，降低噪聲的第一種方法是增加開關頻率。大多數(shù)斬波器驅動器都可以通過修改外部電阻器或電容器的值來增加開關頻率。其目的是改變用于電流調節(jié)的PWM信號在關閉狀態(tài)下的持續(xù)時間，持續(xù)時間越短，開關頻率越高。

但是，頻率不必過高，因為超過一定限制，開關損耗也會增加。較恰當?shù)拈_關頻率值在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。實際上，較低的電流就意味著減少振動，當然噪聲也隨之降低。

不過，這種方法也有副作用，那就是扭矩會降低。如果扭矩太低，將可能導致運轉失步。由于電機是開環(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電機所需的電流。實際上，所有步進電機驅動器都可通過修改模擬參考電壓VREF來設置電流值。跳閘電流ITrip是外部RSENSE電阻和VREF參考電壓的函數(shù)。設計人員一旦選擇了RSENSE電阻，則運行時其值就固定了，因此可通過動態(tài)更改VREF來修改ITrip。

如果需要進一步降低噪聲，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電流紋波，從而降低了噪聲并提高了驅動器效率。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技術時。

步進驅動器

集成驅動器旨在為各種類型的應用提供簡單的配置和高級控制功能。而集成編碼器選件則使步進電機成為同步位置應用的最佳選擇。只要將線圈連接到功率晶體管，并將晶體管連接到控制電路，就可以驅動步進電機了。

圖1：A3982框圖。（圖片來源：Allegro MicroSystems）

Allegro MicroSystems公司是有刷直流電機和步進電機驅動器設計與制造的領導者，提供了一系列集成MOSFET柵極驅動器的安全可靠的解決方案。該公司的A3982是一款完整的步進電機驅動器，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電機，它可提供高達35 V和±2 A的輸出信號。通過在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(xù)時間為固定關閉時間的31.25%，然后在其余關閉時間內設置為慢衰減。這種電流衰減控制機制可降低可以聽到的電機噪聲，提高步進精度并降低功耗。

而轉換器的特性則大大簡化了電機控制系統(tǒng)的設計。只需在STEP輸入引腳上施加一個脈沖，電機即被驅動一步，無需相序表或高頻控制線。因此，在主機微控制器不可用或負載過重的應用中，A3982是最佳選擇。

東芝電子元件和存儲公司也提供各種步進電機驅動器。其TB67S128 / 249/279/289器件采用專有的主動增益控制（AGC）技術。AGC可以動態(tài)調整步進電機的驅動電流，以應對大扭矩狀態(tài)，并在實時和開環(huán)設計中恢復正常電流值。AGC技術可極大降低功耗，并減少或避免更復雜的閉環(huán)設計。

圖2：TB67S128電機驅動器的典型應用（圖片來源：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。這些器件還在一個象限中提供了32步和128步微步進功能，使其適用于廣泛的工業(yè)精密電機控制應用（圖2）。

結論

步進電機具有簡單的結構并且易于控制。作為一種數(shù)字電子元件，步進電機廣泛應用于各種開環(huán)控制系統(tǒng)。然而，其驅動電路和諧振機械結構所產(chǎn)生的噪聲會影響整體性能。大多數(shù)步進電機應用都要求平穩(wěn)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，或者更常見的是修改微步設置。
編輯：hfy