在精密運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中最大限度地減少步進(jìn)電機(jī)噪聲和振動(dòng)

步進(jìn)電機(jī)在廣泛的應(yīng)用中運(yùn)行良好，但可能會(huì)遇到轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電流失真問(wèn)題。了解 QuietStep，這是 Allegro MicroSystems 的專(zhuān)有算法，作為可能的解決方案。

在許多應(yīng)用中，步進(jìn)電機(jī)比直流 （DC） 和無(wú)刷直流 （BLDC） 電機(jī)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。雙極步進(jìn)器提供精確的開(kāi)環(huán)位置以及零速扭矩，無(wú)需使用控制回路或外部傳感器。憑借其受控步進(jìn)功能，步進(jìn)電機(jī)適用于各種精密運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用，包括閉路電視 （CCTV）、3D 打印機(jī)、計(jì)算機(jī)數(shù)控 （CNC）、紡織制造設(shè)備和拾取和放置機(jī)器。

成功部署步進(jìn)電機(jī)需要有效管理噪音和振動(dòng)。例如，在閉路電視應(yīng)用中，振動(dòng)直接轉(zhuǎn)化為圖像傳感器和萬(wàn)向節(jié)。大變焦與移動(dòng)相結(jié)合會(huì)使圖像失真。在3D打印中，由高扭矩脈動(dòng)引起的電機(jī)共振或過(guò)沖會(huì)導(dǎo)致許多不必要的打印偽影。在大多數(shù)情況下，減少電機(jī)振動(dòng)可以帶來(lái)更好的圖像質(zhì)量或更精確的3D打印。減少電機(jī)振動(dòng)還可以實(shí)現(xiàn)更安靜的整體運(yùn)行。

基于專(zhuān)有算法的先進(jìn)技術(shù)現(xiàn)在可用于通過(guò)減少轉(zhuǎn)矩紋波和電流失真來(lái)最大限度地減少步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)中的噪聲和振動(dòng)。在深入研究這些運(yùn)動(dòng)控制解決方案之前，了解導(dǎo)致振動(dòng)和可聽(tīng)噪聲的原因很有幫助。首先，讓我們仔細(xì)看看步進(jìn)電機(jī)是如何工作的。

步進(jìn)機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

雙極步進(jìn)電機(jī)是一種具有離散極位置的直流電機(jī)，由多線(xiàn)圈組成，分為兩組，稱(chēng)為相位。兩相之間的電流比決定了轉(zhuǎn)子在兩個(gè)繞組之間的位置。通過(guò)這種方式，步進(jìn)電機(jī)可以在兩極之間將其位置劃分為較小的增量，稱(chēng)為微步。

每個(gè)步進(jìn)電機(jī)繞組中的電流可以相加以創(chuàng)建一個(gè)矢量，其中矢量的大小是扭矩。通過(guò)檢查極空間中兩個(gè)相位中每個(gè)相位的電流，我們可以可視化矢量在每個(gè)電周期中旋轉(zhuǎn)時(shí)。

圖1.

雙極步進(jìn)電機(jī)的兩個(gè)繞組中的相電流均為 1/8（左）。雙極步進(jìn)器的兩個(gè)繞組中的相電流為1/8步長(zhǎng)，但以極性域表示（右）。

在基于時(shí)間的域中（圖1左），扭矩定義為兩條曲線(xiàn)下面積的總和。在極性域（圖1右）中，矢量的大小是扭矩。在這些圖像中，我們可以看到，當(dāng)磁場(chǎng)通過(guò)每個(gè)電周期移動(dòng)時(shí)，扭矩是恒定的。當(dāng)扭矩不恒定時(shí)，系統(tǒng)會(huì)經(jīng)歷振動(dòng)和可聽(tīng)噪聲。

假設(shè)電機(jī)未在諧振時(shí)運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)將成為步進(jìn)電機(jī)中可聽(tīng)見(jiàn)噪聲和振動(dòng)的最大來(lái)源。

控制步進(jìn)電機(jī)（電流控制）

脈寬調(diào)制（PWM）電流控制是驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的最常見(jiàn)方式。通過(guò)實(shí)施電流控制，控制器PWM斬波輸出，限制每個(gè)繞組中的電流，以保持定義轉(zhuǎn)子位置的比率。

PWM電流控制的性質(zhì)導(dǎo)致基于施加的占空比，電機(jī)電感和兩端電壓的電流紋波。為了將紋波降至最低，控制器可以通過(guò)實(shí)施各種衰減模式來(lái)管理繞組中電流的減小方式。

讓我們回顧一下從驅(qū)動(dòng)電流斜坡上升開(kāi)始的單個(gè)PWM周期的常見(jiàn)衰減模式。

在驅(qū)動(dòng)之后（如圖2A所示），衰減模式在PWM關(guān)斷時(shí)間內(nèi)通過(guò)圖2B和2C所示的兩種同步方法實(shí)現(xiàn)。

圖2.

全橋電流路徑顯示驅(qū)動(dòng)和衰減模式。

快速衰減可提供最佳的電流控制，但會(huì)導(dǎo)致高紋波。緩慢衰減會(huì)產(chǎn)生低紋波，但衰減速率受電機(jī)反電動(dòng)勢(shì) （BEMF） 的影響，在某些情況下，這會(huì)導(dǎo)致電流失真。

圖3A顯示了使用100%慢衰減時(shí)會(huì)發(fā)生什么。當(dāng)繞組電流下降時(shí)，緩慢衰減不能足夠快地降低電流，從而導(dǎo)致下降沿失真。圖3B顯示了使用100%快速衰減的效果。紋波電流要大得多，但控制器可以保持對(duì)電流的精確控制。

圖 3A.

當(dāng)負(fù)載電流減小時(shí)，緩慢衰減會(huì)產(chǎn)生失真。

圖 3B.

快速衰減會(huì)導(dǎo)致較大的紋波電流，從而導(dǎo)致振動(dòng)和可聞噪聲。

我們可以避免圖1所示的影響，并通過(guò)達(dá)成折衷方案來(lái)保持合理的紋波電流。當(dāng)負(fù)載中的電流減小時(shí)，驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)快速衰減和慢速衰減的組合，稱(chēng)為混合衰減。關(guān)斷時(shí)間分為一部分快速衰減和一部分慢衰減，如圖4所示。當(dāng)負(fù)載中的電流增加時(shí)，緩慢衰減可將紋波降至最低。

圖4.

混合衰減可最大限度地減少紋波，同時(shí)保持對(duì)繞組中電流的控制。

根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的特性及其LR時(shí)間常數(shù)，上升沿的緩慢衰減可能會(huì)在低電流下產(chǎn)生問(wèn)題，其中電流變化率太快，PWM控制器由于電流檢測(cè)放大器消隱而無(wú)法調(diào)節(jié)到低電流。當(dāng)負(fù)載中的電流增加時(shí)，這種情況會(huì)導(dǎo)致電流失真，如圖5所示。

圖5.

上升沿的緩慢衰減會(huì)導(dǎo)致具有某些LR特性的電機(jī)失真。

很難實(shí)現(xiàn)適用于所有雙極步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)單折衷方案。為了解決這些問(wèn)題，同時(shí)保持盡可能低的紋波，系統(tǒng)必須適應(yīng)不同的電機(jī)特性。

降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的新方法

Allegro 推出了一種減少步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用的轉(zhuǎn)矩紋波和電流失真的方法。這項(xiàng)名為 QuietStep 的創(chuàng)新現(xiàn)在可作為 Allegro 最新 A5984 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選裝件提供。

QuietStep技術(shù)使用專(zhuān)有算法，該算法可以逐周期動(dòng)態(tài)調(diào)整（向上或向下）所需的快速衰減百分比，以便在所有操作條件下實(shí)現(xiàn)最佳性能，而無(wú)需使用復(fù)雜的軟件。

該算法通過(guò)首先實(shí)現(xiàn)慢衰減，然后實(shí)現(xiàn)快速衰減來(lái)扭轉(zhuǎn)混合衰減的傳統(tǒng)方法。圖6A顯示了傳統(tǒng)的混合衰減，其中固定部分為快速衰減和慢速衰減，快速衰減啟動(dòng)PWM關(guān)斷時(shí)間周期。圖6B顯示了在PWM關(guān)斷時(shí)間周期開(kāi)始時(shí)使用QuietStep時(shí)緩慢衰減的開(kāi)始情況。QuietStep自動(dòng)調(diào)整快速衰減和慢速衰減的比率，以最小化電流紋波，同時(shí)保持精確的電流調(diào)節(jié)。

圖 6A.

傳統(tǒng)的混合衰變，其中快速和慢速衰減的比例是固定的。

圖 6B.

QuietStep可以動(dòng)態(tài)調(diào)整快衰減和慢衰減的比例，以保持電流控制并最小化電流紋波。

僅在需要電流調(diào)節(jié)時(shí)才引入快速衰減，從而產(chǎn)生盡可能低的紋波電流。圖7顯示了隨著電流減小的固定混合衰減和電流隨著電流的增加而緩慢衰減而導(dǎo)致的電流控制喪失產(chǎn)生的高紋波電流。與混合衰減相比，QuietStep技術(shù)通過(guò)將紋波電流降低一半來(lái)消除這些影響。當(dāng)電流增加時(shí)，QuietStep 將電流調(diào)節(jié)保持在零安培。

圖7.

傳統(tǒng)的電流增加時(shí)的緩慢衰減和電流減小的混合衰減導(dǎo)致電流增加時(shí)失去調(diào)節(jié)，隨著電流的減小而產(chǎn)生較大的紋波。QuietStep 在電流增加時(shí)提供出色的電流調(diào)節(jié)，同時(shí)在整個(gè)電氣周期內(nèi)保持低紋波電流。

降低系統(tǒng)級(jí)電流紋波和諧振可最大限度地減少振動(dòng)以及振動(dòng)引起的可聽(tīng)噪聲。結(jié)果是在閉路電視系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更好的視頻成像，在3D打印機(jī)中實(shí)現(xiàn)卓越的打印質(zhì)量。

減少可聽(tīng)噪聲和振動(dòng)幾乎增強(qiáng)了所有電機(jī)控制應(yīng)用，從家庭自動(dòng)化門(mén)鎖和閥門(mén)控制到精密視覺(jué)系統(tǒng)和 3D 打印。Allegro 的 QuietStep 技術(shù)消除了嘗試確定系統(tǒng)中噪聲和振動(dòng)源的麻煩。QuietStep完全集成到IC中，易于實(shí)現(xiàn)，無(wú)需編程或外部組件，并且是全自動(dòng)的。

部署帶雙極步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的 QuietStep

借助支持這種先進(jìn)技術(shù)的微步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（如 Allegro A5984），電流波形可在各種步進(jìn)電機(jī)速度和特性范圍內(nèi)自動(dòng)優(yōu)化。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器解決方案配備QuietStep技術(shù)，可在PWM周期內(nèi)動(dòng)態(tài)調(diào)整快速衰減量，以最大程度地減少各種工作條件下的電流紋波。

QuietStep 功能可提高系統(tǒng)性能，從而降低電機(jī)噪音、降低振動(dòng)并提高步進(jìn)精度。利用這項(xiàng)技術(shù)，A5984 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)用于在全步進(jìn)至 1/32 步進(jìn)模式下操作雙極步進(jìn)電機(jī)，并可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 40 V 和 ±2 A 的輸出驅(qū)動(dòng)能力。 總體而言，QuietStep 算法可簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)施和操作。