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合，基本上在很多需要移動(dòng)控制的場合都會(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，圖6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，如圖7所示。

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。

審核編輯 黃昊宇