如何消除步進電機的噪音和振動

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(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°)。

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5。

在新的矢量電流從驅動器端輸出之后，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，轉子會產生超調和振蕩，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(4full 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)是由驅動器的A/D和D/A能力決定。TRINAMIC所提供的驅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6描述了在達到新位置時候的波動。

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制(PWM)模式，由于比較粗的步距分辨率是產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7所示。

在一個完整的電周期內，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。

審核編輯 黃昊宇