在精密运动控制应用中尽量减少步进电机的噪声和振动

步进电机提供了独特的优势，比直流(直流电)和无刷直流(BLDC)电机在许多应用。双极步进器提供精确的开环位置以及零转速扭矩，无需使用控制环或外部传感器。由于步进电机的控制能力，步进电机在广泛的精密运动控制应用中工作良好，包括闭路电视(CCTV)， 3D打印机，计算机数控(CNC)，纺织制造设备，和拾取和放置机。

步进电机的成功部署需要有效的噪声和振动管理。在闭路电视的应用中，例如，振动直接转换到图像传感器和框架。大变焦与运动相结合会使图像变形。在3D打印中，电机共振或高扭矩脉动引起的超调可以导致许多不必要的打印工件。在大多数情况下，减少电机振动导致更好的图像质量或更精确的3D打印。减少电机振动还可以使整体操作更安静。

基于专有算法的先进技术现在可以通过减少转矩脉动和电流失真来最小化步进电机设计中的噪声和振动。在深入研究这些运动控制解决方案之前，了解是什么导致振动，进而是可听见的噪声是有帮助的。首先，让我们仔细看看步进电机是如何工作的。

步进原理

双极步进电机是一种直流电动机与离散极位置构成的多个线圈安排在两组称为相。两相之间的电流比率决定了转子在两个绕组之间的位置。这样，步进电机可以把它的位置在两极之间分成更小的增量称为微步。

在每个步进电机绕组的电流可以求和创建一个矢量，矢量的大小是扭矩。通过检查极空间中两相中的每一相的电流，我们可以看到矢量在每一个电循环中旋转。

图1所示。双极步进电机两个绕组中每一个绕组的相电流在1/8步(左)。双极步进器的两个绕组中每一个1/8步的相电流，但表示在极域(右)。

在时域(图1左)中，力矩定义为两条曲线下面积之和。在极坐标域中(图1右)，矢量的大小就是力矩。在这些图像中，我们可以看到扭矩是恒定的，因为磁场通过每个电子循环。当转矩不恒定时，系统会产生振动和噪声。

假设电机在谐振时不运行，转矩脉动成为步进电机可听噪声和振动的最大来源。

控制步进电机(电流控制)

脉冲宽度调制(PWM)电流控制是驱动步进器最常用的方法。通过实现电流控制，控制器PWM切断输出，限制每个绕组的电流以保持一个定义转子位置的比率。

PWM电流控制的本质导致基于应用占空比、电机电感和电压的电流纹波。为了使纹波最小化，控制器可以通过实现各种衰减模式来管理绕组中的电流减小。

让我们回顾一下从驱动电流上升开始的单个PWM周期的常见衰减模式。

在驱动器之后，如图2A所示，通过图2B和2C所示的两种同步方法在PWM关断时间内实现衰减模式。

图2。全桥显示驱动和衰减模式的当前路径。

快速衰减提供最佳的电流控制，但导致高纹波。缓慢的衰减导致低纹波，但衰减速率受电机的反电动势(BEMF)的影响，这在某些情况下会在电流中产生失真。

图3A显示了使用100%缓慢衰减时会发生什么。当绕组电流下降时，缓慢衰减不能足够快地减小电流，导致下降边发生畸变。图3B显示了使用100%快速衰变的效果。纹波电流大得多，但控制器保持对电流的精确控制。

图3。当负载中的电流减小时，慢衰减会产生失真。
图3 b。快速衰减导致大纹波电流，这可以导致振动和可听见的噪声。

我们可以避免图1所示的影响，也可以保持合理的纹波电流达成妥协。当电流在负载中减少时，驱动器实现快速和缓慢衰减的组合，称为混合衰减。关断时间分为快速衰减部分和缓慢衰减部分，如图4所示。当负载中的电流增加时，缓慢衰减使纹波最小化。

图4。混合衰减最小化纹波，同时也保持对绕组中电流的控制。

根据步进电机的特性及其LR时间常数，上升边缘的缓慢衰减可能在低电流时产生问题，电流的变化速率太快，由于电流检测放大器消光，PWM控制器无法调节到低电流。当负载中的电流增加时，这种情况会导致电流失真，如图5所示。

图5。上升边的缓慢衰减会导致具有LR特性的电机产生失真。

很难实现一个简单的折衷，所有双极步进电机的工作。为了解决这些问题，同时保持尽可能低的涟波，系统必须适应不同的电机特性。

一种减小转矩脉动的新方法

Allegro介绍了一种方法，以减少扭矩脉动和电流失真的步进电机应用。这种被称为“安静步骤”的创新产品现在可以作为Allegro最新的A5984步进电机驱动器的一个选项。

QuietStep技术使用了一种专有算法，可以在每个周期的基础上动态调整(向上或向下)快速衰减的百分比，从而在所有操作条件下实现最佳性能，而无需使用复杂的软件。

该算法逆转了传统的混合衰减方法，先实现慢衰减，然后实现快衰减。图6A显示了传统的混合衰减，其中固定的部分是快衰减和慢衰减，快速衰减开始了PWM关断时间周期。图6B显示了在PWM关闭时间周期的开始使用QuietStep时缓慢衰减是如何开始的。QuietStep自动调整快速和缓慢衰减的比率，以最大限度地减少电流纹波，同时保持准确的电流调节。

图6 a。传统的混合衰减，其中快衰减和慢衰减的比率是固定的。
图6 b。QuietStep可以动态调整快衰减和慢衰减的比率，以保持电流控制和最小化电流纹波。

只有在需要电流调节时才引入快速衰减，从而产生最低可能的纹波电流。图7显示了高纹波电流，这是由于固定的混合衰减随着电流的减少和电流控制的损失随着电流的增加而缓慢衰减。与混合衰减相比，QuietStep技术通过将纹波电流减半来消除这些影响。当电流增加时，QuietStep保持电流调节至零安培。

图7。传统的随电流增加而缓慢衰减和随电流减少而混合衰减导致随电流增加而上升的调节损失和随电流减少的大纹波。在整个电气循环中，QuietStep提供良好的电流调节，增加电流，同时保持低纹波电流。

减少系统级电流波纹和共振最大限度地减少振动以及可听见的噪声造成的振动。其结果是在闭路电视系统中有更好的视频成像，在3D打印机中有更好的打印质量。

减少可听见的噪音和振动增强了几乎所有电机控制应用，从家庭自动化门锁和阀门控制到精密视觉系统和3D打印。Allegro的QuietStep技术消除了确定系统噪声源和振动源的麻烦。完全集成到集成电路中，QuietStep易于实现，不需要编程或外部组件，是完全自动的。

采用双极步进电机驱动的QuietStep

微步进电机驱动使这种先进的技术，如Allegro A5984，电流波形自动优化的范围内的步进电机的速度和特性。步进电机驱动解决方案，配备了QuietStep技术，在PWM周期内实时调整快速衰减量，以减少各种运行条件下的电流波动。

QuietStep功能提高了系统性能，降低了电机噪音，降低了振动，提高了步进精度。利用该技术，A5984驱动器设计用于双极步进电机从全步进到1/32步进模式，并使输出驱动容量高达40 V和±2a。总的来说，QuietStep算法使得系统设计、实现和操作更加容易。

要了解更多关于A5984驱动程序和QuietStep技术，请访问A5984产品页面．

Allegro MicroSystems是运动控制和节能系统的电力和传感解决方案的全球领导者。欲了解更多信息，请访问快板微系统公司网站．

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