電機的噪音量取決于電機的類型、環(huán)境條件和具體應(yīng)用。永磁和混合式步進電機通常更安靜，因為它們的旋轉(zhuǎn)更一致。相反，可變磁阻步進電機是最嘈雜的，無論它們用于何種應(yīng)用。

為了更好地理解噪聲的來源，我們需要考慮旋轉(zhuǎn)運動是如何發(fā)生的。當步進電機執(zhí)行一步時，它不會立即停止，而是在完全停止之前繼續(xù)稍微向前和向后移動。這種行為可以通過在電機驅(qū)動器中采用特定的控制邏輯來克服。在電機運行過程中，驅(qū)動器在電機完成前一步后停止前一刻命令下一步移動。這種連續(xù)而有規(guī)律的電機進步有助于減少噪音和振動。

還應(yīng)該注意的是，每個步進電機都有一個共振頻率，這通常發(fā)生在電機以每秒 150 到 300 步的速度移動時。許多設(shè)計人員傾向于避免這個工作速度范圍，以盡量減少噪音和振動。插入適當設(shè)計和尺寸的齒輪箱有助于減少振動。位于曲軸上的后置減震器是另一種減少振動的傳統(tǒng)解決方案。

降噪技術(shù)

大多數(shù)步進電機由脈寬調(diào)制 (PWM) 信號控制，該信號持續(xù)強制 H 橋在開啟和關(guān)閉狀態(tài)之間切換，從而調(diào)節(jié)為電機供電的電流。基于這種技術(shù)的驅(qū)動器電路通常被稱為“斬波驅(qū)動器”，因為它們通過在應(yīng)用 PWM 波形后對輸出電壓進行斬波來為電機繞組提供恒定電流。

與 L/R 技術(shù)不同，L/R 技術(shù)旨在保持施加到繞組的電壓恒定，電流斬波具有非常高效、緊湊且經(jīng)濟的解決方案的優(yōu)勢，產(chǎn)生少量熱量。

但是，PWM 信號有一個副作用：施加到步進電機的調(diào)制信號會產(chǎn)生可聽信號，如果 PWM 頻率落在音頻頻帶內(nèi)，則更是如此。通過實驗，確實很容易驗證步進電機在停止或保持位置時如何產(chǎn)生噪音。這種現(xiàn)象主要發(fā)生在低于 20 kHz 的開關(guān)頻率上。

因此，可以推斷出降低噪聲的第一種方法是提高開關(guān)頻率。大多數(shù)斬波器驅(qū)動器能夠通過修改外部電阻器或電容器的值來增加開關(guān)頻率。其效果是改變用于電流調(diào)節(jié)的 PWM 信號處于關(guān)閉狀態(tài)的持續(xù)時間。該持續(xù)時間越短，開關(guān)頻率越高。

然而，沒有必要超過頻率值，因為超過一定限度，開關(guān)損耗也會增加。適當?shù)拈_關(guān)頻率值可以在 30 到 50 kHz 之間。如果這種技術(shù)還不夠，可以減少施加到電機繞組的電流。事實上，較低的電流意味著減少振動，從而減少噪音。

然而，副作用是扭矩的降低，如果太低，可能會導(dǎo)致操作過程中的步驟丟失。由于電機是在開環(huán)中控制的，因此必須為電機提供足以覆蓋所有運行條件的電流，即使是最惡劣的運行條件。一個好的折衷方案是在電機停止期間降低電流。

通常，電機保持位置所需的電流遠低于以恒定速度加速或移動電機所需的電流。幾乎所有步進電機驅(qū)動器都允許通過修改模擬參考電壓VREF來設(shè)置電流值。跳閘電流 I Trip是外部 R SENSE 電阻和 V REF 參考電壓的函數(shù)。因為第一個一旦被設(shè)計者選擇，就有一個固定值，在運行時，可以通過動態(tài)改變 V REF 來修改 I Trip 。

如果需要進一步降低噪音，電機可以在慢衰減模式下運行，而不是快速或混合衰減模式。此模式可最大限度地減少驅(qū)動電流紋波，降低噪聲并提高驅(qū)動器效率。然而，慢衰減模式并不總是最好的解決方案，特別是如果您想使用微步進技術(shù)。

步進驅(qū)動器

集成驅(qū)動程序旨在為每種類型的應(yīng)用程序提供簡單的配置和高級控制功能。集成編碼器選項使步進電機成為同步位置應(yīng)用的合適選擇。通過將線圈連接到功率晶體管并將晶體管連接到控制電路來驅(qū)動步進電機。

Allegro MicroSystems 是有刷直流和步進電機驅(qū)動器設(shè)計和制造領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，提供具有集成和 MOSFET 柵極驅(qū)動器的安全可靠的廣泛解決方案組合。Allegro 的A3982 是一款完整的步進電機驅(qū)動器，具有易于操作的內(nèi)置轉(zhuǎn)換器，適用于低功率和高功率應(yīng)用。該驅(qū)動器設(shè)計用于在全步和半步模式下運行雙極步進電機，可提供高達 35 V 和 ±2 A 的輸出信號。電流衰減模式(慢或混合)可以通過在 STEP 上施加信號來選擇輸入引腳，如圖1的示意框圖所示。

在混合模式下，斬波控制最初設(shè)置為快速衰減，持續(xù)時間為固定關(guān)閉時間的 31.25%，然后在剩余的關(guān)閉時間中緩慢衰減。這種電流衰減控制方案可降低可聽電機噪聲、提高步進精度并降低功耗。

圖 1：A3982 框圖(圖片：Allegro MicroSystems)

轉(zhuǎn)換器功能極大地簡化了電機控制系統(tǒng)的設(shè)計。通過在 STEP 輸入引腳上施加一個脈沖，電機被驅(qū)動一步。不需要相序表或高頻控制線，這使得 A3982 成為主機微控制器不可用或負擔過重的應(yīng)用的正確選擇。

Toshiba Electronic Devices and Storage Corp. 還提供多種步進電機驅(qū)動器。TB67S128 /249/279/289器件采用專有的主動增益控制 (AGC) 技術(shù)。AGC 動態(tài)調(diào)整步進電機驅(qū)動電流，以解決大扭矩條件，在開環(huán)設(shè)計中實時恢復(fù)正常電流值。AGC 技術(shù)可顯著節(jié)省電力并減少或消除更復(fù)雜的閉環(huán)設(shè)計。

TB67S128/249/279/289FTG 器件分別提供 5.0 A、4.5 A、2.0 A 和 3.0 A，電機工作電壓為 10-V 至 42-V。這些器件還包括一個象限中的 32 步和 128 步微步進功能，使其適用于廣泛的工業(yè)精密電機控制應(yīng)用(圖 2)。

圖 2：TB67S128 電機驅(qū)動器的典型應(yīng)用(圖片：東芝)

結(jié)論

步進電機結(jié)構(gòu)簡單，易于控制。步進電機作為一種數(shù)字電子元件，廣泛應(yīng)用于許多開環(huán)控制系統(tǒng)中。但是，它在影響整體性能的噪聲方面存在缺點。噪聲和共振主要來自驅(qū)動電路和共振的機械結(jié)構(gòu)。大多數(shù)步進電機應(yīng)用都需要平穩(wěn)運動。為了獲得極其流暢的運動，一些工程師會修改電壓、電流，更常見的是，修改微步設(shè)置。

審核編輯：湯梓紅