步進(jìn)電機(jī)的噪音來自哪里?

由于步進(jìn)電機(jī)由于結(jié)構(gòu)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(jī)就可以輸出很大的力矩、相比直流無刷和伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)不需要復(fù)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(jìn)電機(jī)如自動化控制、數(shù)字化生產(chǎn)如3D、醫(yī)療和光學(xué)等眾多領(lǐng)域。

步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電 機(jī)的步距分辨率(步距階躍) 另一方面是來自斬波和脈寬調(diào)制(PWM) 的不良模式反應(yīng)。

步距角分辨率和細(xì)分

典型的步進(jìn)電機(jī)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(jī)旋轉(zhuǎn)一周需要360°。但是也有些步進(jìn)電機(jī)的步距角更小比如整步需要800步的。起初，這些步進(jìn)電機(jī)被用作整步或者半步模式下，矢量電流提供給電機(jī)線圈A(藍(lán)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(jī)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(nèi)(360°) 每組線圈由4個整步或者8個半步構(gòu)成。也就是50個極的步進(jìn)電機(jī)需要50個電 氣步距來完成一周的機(jī)械旋轉(zhuǎn)(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(jī)噪音的主要來源。會引起極大的震動在這個 機(jī)械系統(tǒng)中，尤其是在低速運(yùn)行時和接近機(jī)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(yīng)會被降低，電機(jī)的轉(zhuǎn)子可以為認(rèn)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(qū)動器端輸出之后，電機(jī)轉(zhuǎn)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(yīng)相似在新的位置點周圍，轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生超調(diào)和振蕩，如此一來會導(dǎo)致機(jī)械振動和噪音。為了減少這些震動，等步細(xì)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(xì)分，典型的細(xì)分?jǐn)?shù)是2(half-stepping) 、4(quarter-stepping) 、8、32甚至更大的細(xì)分。

電機(jī)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(4 full steps) 更接近于一個正弦波形狀。永磁體的轉(zhuǎn)子位置處在2個整步位置之間(合成磁場位置) 。最大的細(xì)分?jǐn)?shù)是由驅(qū)動器的A/D和D/A能力決定。TRINAMIC所提供的驅(qū)動 和控制器可以達(dá)到256細(xì)分(8bit) 采用集成的正弦波配置表格，步進(jìn)電機(jī)可以實現(xiàn)非常小的角度控 制，圖4描述了在達(dá)到新位置時候的波動。

Figure 4: Reduction of motor vibrations when switching from full-step
to high microstep resolutions

斬波和PWM模式

噪音和振動的另外一個來源是傳統(tǒng)的斬波方式和脈寬調(diào)制(PWM)模式，由于比較粗的步距分辨 率是產(chǎn)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(guān)系，在其最大數(shù)值的時候，電流才會達(dá)到規(guī)定的目標(biāo)電流，最終導(dǎo)致平均電流是小于預(yù)期目標(biāo)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

在一個完整的電周期內(nèi)，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(nèi)線圈里面的電流為零，也就是電機(jī)此時根本就沒有力矩，這就導(dǎo)致了電機(jī)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(yīng)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(jī)運(yùn)行得要平穩(wěn)、平滑很多。

這一點在電機(jī)從靜止或低速到中速過程中非常重要。

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(jī)實現(xiàn)完全的靜音?

盡管高細(xì)分能解決大部分情況下的低頻震動;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和顫動，這也滿足了大部分的應(yīng)用，也適 合高速運(yùn)動。但是基于電流控制的斬波模式，還是會存在可聽得見的噪音和振動，主要是由于電機(jī)線圈的不同步，檢測電阻上幾毫伏的調(diào)節(jié)噪音和PWM時基誤差，這些噪音和振動在一些高端應(yīng)用場合 也是不被允許的，緩慢運(yùn)行或中速運(yùn)動的應(yīng)用，以及任何不允許有噪音和場合。

T R INA MI C 的Stea lt h Ch o p算法 也 是 通 過硬 件 來實現(xiàn)的，從根本上使 步 進(jìn)電 機(jī) 靜 音，但 是 Stealthchop功能如何影響了步進(jìn)電機(jī)?為什么電機(jī)不會出現(xiàn)噪音和震動?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(jī)的靜音和平穩(wěn)平滑運(yùn)動。

TMC5130⸺一款小體積，精巧的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制芯片，帶有StealthChop模式。TRINAMIC改 進(jìn)了電壓調(diào)節(jié)模式聯(lián)合了電流控制。為了最大限度降低電流波動，TMC5130采用基于電流反饋來控制電壓調(diào)制，這允許系統(tǒng)自適應(yīng)電機(jī)的參數(shù)和運(yùn)行電壓。來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模式下過零點的效果是非常完美的:當(dāng)電流的信號從正變?yōu)樨?fù)或者負(fù)變?yōu)檎�，不會�?過渡區(qū)域而是持續(xù)性的穿過零點。因為電流的調(diào)制是根據(jù)PWM占空比來控制的。在50%的PWM占空比，電流是0，StealthChop調(diào)整PWM的占空比來調(diào)節(jié)電機(jī)電流，PWM頻率是個常數(shù)，與此相反電流控制的斬波器通過調(diào)控頻率實現(xiàn)調(diào)節(jié)電機(jī)電流，在這里電流的波動是比較大的，此外電流的波動會在電機(jī)的永磁體轉(zhuǎn)子里產(chǎn)生渦流，這會導(dǎo)致電機(jī)的功耗損失。

這些頻率變化著的PWM發(fā)出的聲音是在可聽范圍之內(nèi)的，會發(fā)出嘶嘶的聲音，而且電子定子會 由于磁致伸縮產(chǎn)生更大的噪音，進(jìn)而會傳遞引起機(jī)械系統(tǒng)的震動。而StealthChop的固定斬波頻率 就不會有這些問題。沒有斬波頻率的變化除了電機(jī)運(yùn)行時候微步相序分配器的變化。

除了電機(jī)軸承鋼球磨擦的聲音，這是無法避免的之外，StealthChop可以驅(qū)動電機(jī)工作在極度 的靜音下，可以實現(xiàn)控制電機(jī)聲音在10dB分貝以下，噪音大大低于傳統(tǒng)的電流控制方式。我們從物理中得知 3dB分貝的減少量會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(jī)來說改變了什么?

如今步進(jìn)電機(jī)還是一種十分經(jīng)濟(jì)的電機(jī)，已經(jīng)被應(yīng)用了很多年，依舊采用和原來一樣的材料，一 樣的生產(chǎn)工序和裝配工藝。

但是相比過去，如今步進(jìn)電機(jī)被更簡單的控制單元驅(qū)動，更先進(jìn)的算法和更高度集成的微電子是 原來的電機(jī)發(fā)揮出更大的潛能。在接近電機(jī)的驅(qū)動電路中更多的信息被獲取和處理并實時在驅(qū)動電 流里被處理以優(yōu)化電機(jī)控制，StealthChop便是一個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(yīng)用控制層，而傳統(tǒng)的步進(jìn)驅(qū)動方案都是單向的(脈沖/方向) ，所有 TRINAMIC的智能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動方案都是雙向通訊，這些接口還可以監(jiān)測不同狀態(tài)、診斷信息。這可 以增加系統(tǒng)的可靠性，提供系統(tǒng)的性能。

StealthChop靜音驅(qū)動技術(shù)非常適合3D打印、桌面型CNC、高端的CCTV、體外診斷設(shè)備、醫(yī)療檢 測設(shè)備等對噪音要求敏感的場合。

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