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(shí)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(shí)現(xiàn)位置控制。

被用在很多要求精確定位的場(chǎng)合，基本上在很多需要移動(dòng)控制的場(chǎng)合都會(huì)用到步進(jìn)電機(jī)如自動(dòng)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(gè)缺點(diǎn)就是噪音比較大，特別是在低速的時(shí)候。震動(dòng)主要來自兩個(gè)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(gè)極（Poles），就是200個(gè)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(gè)一個(gè)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(diǎn)處線圈電流要么是最大電流（full power）要么是沒有電流。

一個(gè)周期內(nèi)（360°）每組線圈由4個(gè)整步或者8個(gè)半步構(gòu)成。也就是50個(gè)極的步進(jìn)電機(jī)需要50個(gè)電氣步距來完成一周的機(jī)械旋轉(zhuǎn)（360°）。

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(huì)引起極大的震動(dòng)在這個(gè)機(jī)械系統(tǒng)中，尤其是在低速運(yùn)行時(shí)和接近機(jī)械共振頻率的時(shí)候。在高速的時(shí)候，恰好由于慣量的存在這個(gè)效應(yīng)會(huì)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5。

在新的矢量電流從驅(qū)動(dòng)器端輸出之后，電機(jī)轉(zhuǎn)子會(huì)根據(jù)新的位置指令移動(dòng)下一個(gè)整步或者半步的位置和脈搏反應(yīng)相似在新的位置點(diǎn)周圍，轉(zhuǎn)子會(huì)產(chǎn)生超調(diào)和振蕩，如此一來會(huì)導(dǎo)致機(jī)械振動(dòng)和噪音。

為了減少這些震動(dòng)，等步細(xì)分的原來被提了出來，將一個(gè)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(gè)中間的電流值，相比于4個(gè)整步電流（4full steps）更接近于一個(gè)正弦波形狀。永磁體的轉(zhuǎn)子位置處在2個(gè)整步位置之間（合成磁場(chǎng)位置）。

最大的細(xì)分?jǐn)?shù)是由驅(qū)動(dòng)器的A/D和D/A能力決定。TRINAMIC所提供的驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)非常小的角度控制，描述了在達(dá)到新位置時(shí)候的波動(dòng)。

斬波和PWM模式

噪音和振動(dòng)的另外一個(gè)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(dòng)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(gè)固定關(guān)系，在其最大數(shù)值的時(shí)候，電流才會(huì)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。

在一個(gè)完整的電周期內(nèi)，電流方向改變時(shí)在正弦波過零處有個(gè)平穩(wěn)過渡期，這個(gè)會(huì)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(shí)根本就沒有力矩，這就導(dǎo)致了電機(jī)擺動(dòng)和振動(dòng)，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(dòng)配置一個(gè)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(diǎn)不會(huì)出現(xiàn)過渡期，這就減少電流和力矩的波動(dòng)，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(diǎn)在電機(jī)從靜止或低速到中速過程中非常重要。

如何使步進(jìn)電機(jī)實(shí)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(dòng);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(dòng)和顫動(dòng)，這也滿足了大部分的應(yīng)用，也適合高速運(yùn)動(dòng)。

但是基于電流控制的斬波模式，還是會(huì)存在可聽得見的噪音和振動(dòng)，主要是由于電機(jī)線圈的不同步，檢測(cè)電阻上幾毫伏的調(diào)節(jié)噪音和PWM時(shí)基誤差，這些噪音和振動(dòng)在一些高端應(yīng)用場(chǎng)合也是不被允許的，緩慢運(yùn)行或中速運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用，以及任何不允許有噪音和場(chǎng)合。

TRINAMIC的StealthChop算法也是通過硬件來實(shí)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(huì)出現(xiàn)噪音和震動(dòng)？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(dòng)。

TMC5130-一款小體積，精巧的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)，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。

StealthChop模式下過零點(diǎn)的效果是非常完美的：當(dāng)電流的信號(hào)從正變?yōu)樨?fù)或者負(fù)變?yōu)檎?，不?huì)有過渡區(qū)域而是持續(xù)性的穿過零點(diǎn)。因?yàn)殡娏鞯恼{(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(gè)常數(shù)，與此相反 電流控制的斬波器通過調(diào)控頻率實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電機(jī)電流，在這里 電流的波動(dòng)是比較大的，此外電流的波動(dòng)會(huì)在電機(jī)的永磁體轉(zhuǎn)子里產(chǎn)生渦流，這會(huì)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(huì)發(fā)出嘶嘶的聲音，而且電子定子會(huì)由于磁致伸縮產(chǎn)生更大的噪音，進(jìn)而會(huì)傳遞引起機(jī)械系統(tǒng)的震動(dòng)。而StealthChop的固定斬波頻率就不會(huì)有這些問題。沒有斬波頻率的變化 除了電機(jī)運(yùn)行時(shí)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(dòng)電機(jī)工作在極度的靜音下，可以實(shí)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(huì)將噪音程度降低一半。

對(duì)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(dòng)，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(dòng)電路中更多的信息被獲取和處理并實(shí)時(shí)在驅(qū)動(dòng)電流里被處理以優(yōu)化電機(jī)控制。

StealthChop便是一個(gè)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(dòng)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(dòng)方案都是雙向通訊，這些接口還可以監(jiān)測(cè)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(dòng)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(cè)設(shè)備等對(duì)噪音要求敏感的場(chǎng)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(huì)出現(xiàn)比較大的噪音和震動(dòng)，而在StealthChop模式下即使速度很低也聽不到明顯的聲音。

編輯：jq