電機中的噪聲大小取決于電機類型、環(huán)境條件和具體的應用。永磁式電機和混合式步進電機通常較安靜,因為它們的轉(zhuǎn)動比較穩(wěn)定。而可變磁阻步進電機無論用在哪里,都是最嘈雜的。
為更好地理解噪聲的來源,我們需要思考旋轉(zhuǎn)運動是如何產(chǎn)生的。當步進電機執(zhí)行步進時,它不會立即停止,而是會繼續(xù)略微前后移動,然后再完全停止。這個問題可以通過在電機驅(qū)動器中采用特定的控制邏輯來克服。電機運行過程中,在電機完成上一步但停止之前的那一刻,驅(qū)動器發(fā)出指令開始下一個步進。這種連續(xù)且有規(guī)律的電機前進可以降低噪聲和振動。
還要注意的是,每個步進電機都有一個諧振頻率,通常在電機以每秒150到300步的速度運動時會發(fā)生諧振。許多設計人員傾向于避開該工作頻率范圍,以將噪聲和振動減至最小。但插入適當設計和調(diào)整尺寸的減速機也可以減少振動。還有一種傳統(tǒng)的解決方案,即在曲軸上安裝后置式減振器,同樣可以減少振動。
降噪技術(shù)
大多數(shù)步進電機都由脈寬調(diào)制(PWM)信號控制,該信號連續(xù)強制H橋在開關(guān)狀態(tài)之間切換,以此調(diào)節(jié)饋入電機的電流?;谶@種技術(shù)的驅(qū)動器電路通常被稱為斬波器驅(qū)動器,因為它會跟隨PWM波形對輸出電壓進行斬波處理,從而為電機繞組提供恒定電流。
與之相反的是,L/R技術(shù)旨在使施加到繞組的電壓保持恒定,而電流斬波的優(yōu)勢在于它是一種非常高效、緊湊且經(jīng)濟的解決方案,只會產(chǎn)生很少的熱量。
需要注意的是,施加到步進電機的調(diào)制信號會產(chǎn)生音頻信號,當PWM頻率落在音頻頻帶內(nèi)時更加嚴重。通過實驗確實很容易驗證步進電機如何產(chǎn)生噪聲,即使當電機停止或保持在某個位置時也是如此。這種現(xiàn)象主要在開關(guān)頻率低于20kHz時產(chǎn)生。因此,不難推斷,降低噪聲的第一種方法是增加開關(guān)頻率。大多數(shù)斬波器驅(qū)動器都可以通過修改外部電阻器或電容器的值來增加開關(guān)頻率。其目的是改變用于電流調(diào)節(jié)的PWM信號在關(guān)閉狀態(tài)下的持續(xù)時間,持續(xù)時間越短,開關(guān)頻率越高。
但是,頻率不必過高,因為超過一定限制,開關(guān)損耗也會增加。較恰當?shù)拈_關(guān)頻率值在30到50kHz之間。如果這樣還不行,則可以減小施加到電機繞組上的電流。實際上,較低的電流就意味著減少振動,當然噪聲也隨之降低。
不過,這種方法也有副作用,那就是扭矩會降低。如果扭矩太低,將可能導致運轉(zhuǎn)失步。由于電機是開環(huán)控制的,因此必須為電機提供足以覆蓋其所有運轉(zhuǎn)條件的電流,即使是在最嚴酷的條件下。一個好的折衷辦法是在電機停止期間減少電流。
通常,電機保持位置所需的電流大大低于加速或以恒定速率轉(zhuǎn)動電機所需的電流。實際上,所有步進電機驅(qū)動器都可通過修改模擬參考電壓VREF來設置電流值。跳閘電流ITrip是外部RSENSE電阻和VREF參考電壓的函數(shù)。設計人員一旦選擇了RSENSE電阻,則運行時其值就固定了,因此可通過動態(tài)更改VREF來修改ITrip。
如果需要進一步降低噪聲,則可在慢衰減模式(而不是快速或混合衰減模式)下運行電機。這種模式最大程度地降低了驅(qū)動電流紋波,從而降低了噪聲并提高了驅(qū)動器效率。但是,慢衰減模式并不總是最佳解決方案,特別是在使用微步進技術(shù)時。
步進驅(qū)動器
集成驅(qū)動器旨在為各種類型的應用提供簡單的配置和高級控制功能。而集成編碼器選件則使步進電機成為同步位置應用的最佳選擇。只要將線圈連接到功率晶體管,并將晶體管連接到控制電路,就可以驅(qū)動步進電機了。
圖1:A3982框圖。(圖片來源:AllegroMicroSystems)
AllegroMicroSystems公司是有刷直流電機和步進電機驅(qū)動器設計與制造的領導者,提供了一系列集成MOSFET柵極驅(qū)動器的安全可靠的解決方案。該公司的A3982是一款完整的步進電機驅(qū)動器,內(nèi)置轉(zhuǎn)換器,易于操作,適用于低功率和大功率應用。
A3982用于在全步和半步模式下運行雙極步進電機,它可提供高達35V和±2A的輸出信號。通過在STEP輸入引腳上施加信號可以選擇電流衰減模式(慢衰減或混合衰減),如圖1中的原理框圖所示。
在混合模式下,斬波控制最初設置為快速衰減模式,持續(xù)時間為固定關(guān)閉時間的31.25%,然后在其余關(guān)閉時間內(nèi)設置為慢衰減。這種電流衰減控制機制可降低可以聽到的電機噪聲,提高步進精度并降低功耗。
而轉(zhuǎn)換器的特性則大大簡化了電機控制系統(tǒng)的設計。只需在STEP輸入引腳上施加一個脈沖,電機即被驅(qū)動一步,無需相序表或高頻控制線。因此,在主機微控制器不可用或負載過重的應用中,A3982是最佳選擇。
結(jié)論
步進電機具有簡單的結(jié)構(gòu)并且易于控制。作為一種數(shù)字電子元件,步進電機廣泛應用于各種開環(huán)控制系統(tǒng)。然而,其驅(qū)動電路和諧振機械結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的噪聲會影響整體性能。大多數(shù)步進電機應用都要求平穩(wěn)的運轉(zhuǎn)。為了獲得流暢的運轉(zhuǎn)效果,設計者可以修改電壓、電流,或者更常見的是修改微步設置。