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標題: 步進(jìn)電機的抖動(dòng)和噪音從何而來(lái) 如何使步進(jìn)電機完全靜音 [打印本頁(yè)]

作者: Trinamic-TMC-李 時(shí)間: 2022-10-22 15:38
標題: 步進(jìn)電機的抖動(dòng)和噪音從何而來(lái) 如何使步進(jìn)電機完全靜音
步進(jìn)電機的噪音從何而來(lái)?步進(jìn)電機廣泛用于自動(dòng)化、數字制造、醫療和光學(xué)設備等幾乎所有類(lèi)型的移動(dòng)應用中。
步進(jìn)電機的優(yōu)點(diǎn)是成本相對較低，在不使用變速箱的情況下在靜止和低速時(shí)具有高扭矩，以及對定位任務(wù)的固有適用性。與三相無(wú)刷電機和伺服驅動(dòng)器相比，步進(jìn)電機不一定需要復雜的控制算法或位置反饋來(lái)進(jìn)行換向。
步進(jìn)器的缺點(diǎn)是噪音很大，即使在低速或靜止時(shí)也是如此。步進(jìn)電機有兩個(gè)主要的振動(dòng)源：步進(jìn)分辨率，以及斬波器和脈沖寬度調制 (PWM) 模式導致的副作用。
步進(jìn)分辨率和微步
典型的步進(jìn)電機有 50 個(gè)磁極，可實(shí)現 200 個(gè)完整步長(cháng)，每個(gè)步距角為 1.8°，可實(shí)現 360° 的完整機械旋轉。但也有步數較少的步進(jìn)電機，甚至高達 800 個(gè)全步。最初，這些電機用于全步或半步模式。施加在兩個(gè)電機線(xiàn)圈 A(藍色)和 B(紅色)上的電流矢量在整個(gè)電氣旋轉(電氣 360°)上顯示為矩形。如圖 3 和圖4 中突出顯示的那樣，電機線(xiàn)圈以 90° 相移模式以全電流或無(wú)電流供電。因此，每個(gè)周期的一電轉由 4 個(gè)整步或 8 個(gè)半步組成。也就是說(shuō)，50 極步進(jìn)電機需要 50 次電氣旋轉才能完成一整機械轉。

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全步操作(電機線(xiàn)圈 A = 藍色和 B = 紅色)

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半步操作(電機線(xiàn)圈 A = 藍色和 B = 紅色)

全步或半步等低分辨率步進(jìn)模式是步進(jìn)電機的主要噪聲源。它們引入了巨大的振動(dòng)，這種振動(dòng)遍布系統的整個(gè)力學(xué)，特別是在低速和接近某些共振頻率時(shí)。在較高的速度下，由于慣性矩，這些影響會(huì )降低。
轉子可以想象成一個(gè)諧波振蕩器或彈簧擺，如圖所示。在驅動(dòng)器電子設備施加新的電流矢量后，轉子將沿著(zhù)新指令位置的方向步進(jìn)到下一個(gè)全步或半步位置。與脈沖響應類(lèi)似，轉子過(guò)沖并圍繞下一個(gè)位置振蕩，從而導致機械振動(dòng)和噪音。運動(dòng)遠非平穩，尤其是在較低的速度下。

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轉子的擺動(dòng)行為導致振動(dòng)

為了減少這些振蕩，可以應用一種稱(chēng)為微步進(jìn)的機制。這將一個(gè)完整的步驟分成更小的部分，或微步驟。典型分辨率為 2(半步)、4(四分之一步)、8、32 甚至更多微步。定子線(xiàn)圈不是以全電流或零電流供電，而是以中間電流水平接近完整的正弦波波形超過(guò) 4 個(gè)完整的步驟。這將永磁轉子定位在兩個(gè)后續完整步驟之間的中間位置。這甚至允許適應步進(jìn)電機的物理特性或應用的特殊定制電流波形(TRINAMIC的驅動(dòng)芯片支持該功能)。
微步進(jìn)的最大分辨率由驅動(dòng)器的 A/D 和 D/A 功能定義。Trinamic 的步進(jìn)電機控制器和驅動(dòng)器允許使用每整步高達 256(8 位)微步的步進(jìn)電機，使用芯片的集成可配置正弦波表甚至完全自定義電流波形。
使用這種高微步分辨率的結果是電機轉子現在以更小的角度或更短的距離步進(jìn)。當切換到新位置時(shí)，如圖 5 所示的過(guò)沖和下沖會(huì )大大減少。下圖顯示了這種差異。

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從全步分辨率切換到高微步分辨率時(shí)減少電機振動(dòng)

斬波器和 PWM 模式
另一個(gè)噪聲和振動(dòng)源源自步進(jìn)電機通常使用的傳統斬波器和 PWM 模式。由于粗步進(jìn)分辨率的主要影響，這些模式的寄生效應常常被忽略。但隨著(zhù)使用微步進(jìn)提高步進(jìn)分辨率，這些寄生效應變得明顯甚至可以聽(tīng)見(jiàn)。
經(jīng)典的恒定關(guān)斷時(shí)間 PWM 斬波器模式是一種電流控制的 PWM 斬波器，它以快衰減和慢衰減相位之間的固定關(guān)系工作。在其最大值點(diǎn)，電流達到指定的目標電流，這導致平均電流低于所需的目標電流，如圖所示。

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恒定關(guān)斷時(shí)間 (TOFF) PWM 斬波模式：平均電流達不到目標電流

在完整的電氣旋轉中，當電流的符號(方向)發(fā)生變化時(shí)，這會(huì )導致正弦波的過(guò)零區域周?chē)霈F一個(gè)平臺。這個(gè)平臺的影響是電機繞組中電流為零的一小段時(shí)間，這意味著(zhù)根本沒(méi)有扭矩。這會(huì )導致擺動(dòng)和振動(dòng)，尤其是在較低的速度下。

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具有經(jīng)典關(guān)斷時(shí)間斬波器模式的過(guò)零平臺

與恒定關(guān)斷時(shí)間斬波器相比，Trinamic 的 SpreadCycle™ PWM 斬波器模式應用采用磁滯功能，自動(dòng)使用慢速和快速衰減周期之間的擬合關(guān)系。平均電流反映了配置的標稱(chēng)電流。在正弦波的過(guò)零區域沒(méi)有平臺。這減少了電流和轉矩脈動(dòng)，并接近了真正的正弦波形，與恒定關(guān)斷時(shí)間的 PWM 斬波器相比，電機運行更加平穩。這在靜止和慢速到中等速度時(shí)尤其重要。

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具有平滑過(guò)零的SpreadCycle 磁滯斬波器

TMC5130A-TA 是一款包含 StealthChop 模式的小型智能步進(jìn)電機驅動(dòng)器和控制器 IC。除了 StealthChop 之外，Trinamic 還改進(jìn)了電壓模式操作并將其與電流控制相結合。為了最大限度地減少電流波動(dòng)，TMC5130A-TA 芯片的驅動(dòng)器根據電流反饋調節電壓調制。這允許系統根據電機參數和工作電壓進(jìn)行自我調整。
如何使步進(jìn)電機完全靜音?
盡管微步減少了由低步分辨率引起的大部分振動(dòng)，但高微步分辨率可以更容易地感知其他振動(dòng)源。先進(jìn)的電流控制 PWM 斬波器模式，如 Trinamic 的 SpreadCycle™ 算法，在硬件中實(shí)現，在很大程度上減少了振動(dòng)和抖動(dòng)。這對于許多標準應用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了，也非常適合高速應用。
但即使使用像SpreadCycle這樣的電流控制斬波器模式，由于電機線(xiàn)圈不同步、檢測電阻上幾毫伏的調節噪聲和PWM抖動(dòng)，仍然會(huì )產(chǎn)生一點(diǎn)點(diǎn)可聽(tīng)噪聲和振動(dòng)。這種噪音和振動(dòng)對于高端應用、低速到中速應用以及任何噪音無(wú)法接受的應用至關(guān)重要。
Trinamic 的 StealthChop™ 算法 [4] 也在硬件中實(shí)現，最終使步進(jìn)電機靜音。但是 StealthChop 實(shí)際上如何對電機實(shí)現靜音，為什么它不會(huì )產(chǎn)生額外的噪音和振動(dòng)?與基于電流的斬波器模式(如 SpreadCycle)相比，StealthChop 采用了不同的方法：它是一種基于電壓斬波器的技術(shù)
消除了由直流控制環(huán)路的調節算法引起的小振蕩。由于SpreadCycle 和其他電流調節斬波器原理總是對線(xiàn)圈電流測量做出逐個(gè)周期的反應，因此復雜系統中總是存在幾毫伏的噪聲，以及內部?jì)蓚€(gè)線(xiàn)圈之間的電磁耦合。導致產(chǎn)生的電機電流的微小變化，從而影響斬波器。
下圖比較了電壓控制的 StealthChop 和電流控制的 SpreadCycle。StealthChop 的過(guò)零行為是完美的：當電流值的符號從正變?yōu)樨摶蚍粗嗳粫r(shí)，沒(méi)有平臺，而是零電流水平的直線(xiàn)交叉，因為電流是基于調制的 PWM 占空比。在 50% PWM 占空比下，電流實(shí)際上為零。

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具有電壓控制 StealthChop™ 斬波器模式的一個(gè)電機相位的正弦波

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具有電流控制的 SpreadCycle™ 斬波器模式的一個(gè)電機相位的正弦波

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電壓控制的StealthChop™斬波模式下電機相位和線(xiàn)圈電流的放大PWM視圖

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電流控制的SpreadCycle™斬波模式下電機相位和線(xiàn)圈電流的放大PWM視圖

配備 StealthChop 的電機驅動(dòng)器結合了與模擬非常相似的電流波形 - 在不增加成本的情況下對功耗進(jìn)行了一些小幅改進(jìn)。結果是耳語(yǔ)般安靜的運動(dòng)。除了無(wú)法改變的滾珠軸承噪音外，StealthChop 提供了異常安靜的步進(jìn)電機性能。使用 StealthChop 的應用已實(shí)現低于經(jīng)典電流控制 10dB 的噪聲水平。正如我們從物理學(xué)中所知道的，-3dB 的變化代表大約一半的噪音或聲級降低。

步進(jìn)電機發(fā)生了哪些變化?
今天的步進(jìn)電機與多年來(lái)一直使用的執行器一樣具有成本效益。它們仍然由相同的機器使用相同的工藝和材料制造和組裝。甚至它們的一般操作模式都是相同的。
但與過(guò)去使用更簡(jiǎn)單的控制器單元驅動(dòng)它們相比，這些電機的真正潛力現在可以通過(guò)更先進(jìn)的算法和高度集成的微電子技術(shù)來(lái)釋放。直接在電機驅動(dòng)器電子設備處或內部的集成智能本地回路，在執行器處或附近就地收集和測量信息，這是他們唯一可用的地方，并直接在驅動(dòng)程序中實(shí)時(shí)處理這些信息。StealthChop 就是一個(gè)很好的例子，因為它的算法與 PWM 斬波器密切相關(guān)。
此外，信息可以反饋到更高的應用級控制器。傳統的步進(jìn)驅動(dòng)器解決方案主要只在一個(gè)方向上工作，即僅僅向下驅動(dòng)電機。Trinamic 的所有智能步進(jìn)電機驅動(dòng)器解決方案都支持通過(guò)快速、先進(jìn)的接口進(jìn)行雙向通信。這些接口還可以監控不同種類(lèi)的狀態(tài)和診斷信息，例如，這些信息又可以在應用層程序級別上使用，以提高性能、效率或可靠性。
新一代的運動(dòng)和電機控制解決方案也將更高的應用級控制器從計算密集型、實(shí)時(shí)或重復性任務(wù)中解脫出來(lái)，減輕上位機的負擔，這些任務(wù)不一定屬于實(shí)際應用級，但需要驅動(dòng)和控制電機;減少應用程序開(kāi)發(fā)時(shí)間和精力;甚至減少整體 PCB 面積和物料清單 (BOM)。這些智能微電子設備中提供了很大一部分實(shí)時(shí)運動(dòng)控制功能。例如運動(dòng)曲線(xiàn)計算、編碼器接口和末端開(kāi)關(guān)檢測。
所有這一切都提高了抽象級別，并使電機和運動(dòng)控制成為具有最高質(zhì)量的即用型構建塊——但仍然使用相同的“舊”步進(jìn)電機。
總結與結論
半導體制造設備、醫療應用和實(shí)驗室自動(dòng)化中的晶圓處理。對于低噪音和低振動(dòng)，它們都有相似的性能要求。此外，到目前為止，還有其他應用對噪音、振動(dòng)和運動(dòng)質(zhì)量的要求較低，這些應用可以通過(guò)這項技術(shù)得到顯著(zhù)改善。也有越來(lái)越多的新興嵌入式應用程序實(shí)際上只有通過(guò)這種智能解決方案才能成為可能 - 從定性和定量的角度來(lái)看。其中包括，例如，3D 打印和桌面制造應用、無(wú)法接受可聽(tīng)噪聲的高級個(gè)人醫療設備、相機滑軌以及高級閉路電視和監控攝像頭。TMC5130A 系列終極步進(jìn)電機驅動(dòng)器和控制器反映了運動(dòng)控制的大趨勢。

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