步進(jìn)電機(jī)的噪音來(lái)自哪里?
由于步進(jìn)電機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(wú)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(lái)自?xún)蓚�(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(lái)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(xiàn)圈A(藍(lán)色) 和線(xiàn)圈B(紅色) 矩形曲線(xiàn)圖。描述了整個(gè)一個(gè)周期360°的曲線(xiàn)。在圖3和圖4中很明顯看到電機(jī)線(xiàn)圈在90°換相點(diǎn)處線(xiàn)圈電流要 么是最大電流(full power) 要么是沒(méi)有電流。
一個(gè)周期內(nèi)(360°) 每組線(xiàn)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(lái)完成一周的機(jī)械旋轉(zhuǎn)(360°) 。
Figure 1: Full-step operation
Figure 2: Half-step operation
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(lái)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3。
Figure 3: Pendulum behavior of the rotor leads to vibrations
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?chē)�，轉(zhuǎn)子會(huì)產(chǎn)生超調(diào)和振蕩，如此一來(lái)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(lái)被提了出來(lái)，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(xiàn)圈的電流并不是最大電流(Fullcurrent) 或者就是沒(méi)有電流，而是一個(gè)中間的電流 值，相比于4個(gè)整步電流(4 full 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，圖4描述了在達(dá)到新位置時(shí)候的波動(dòng)。
Figure 4: Reduction of motor vibrations when switching from full-step
to high microstep resolutions
斬波和PWM模式
噪音和振動(dòng)的另外一個(gè)來(lái)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(lái)的問(wèn)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5所示。
Figure 5: Constant of-time (TOFF) PWM chopper mode: average current is
not equal to target current
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(guò)零處有個(gè)平穩(wěn)過(guò)渡期，這個(gè)會(huì)影響在很短的 過(guò)渡期內(nèi)線(xiàn)圈里面的電流為零，也就是電機(jī)此時(shí)根本就沒(méi)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(guò)零點(diǎn)不會(huì)出現(xiàn)過(guò)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(guò)程中非常重要。
Figure 6: Zero-crossing plateau with classic of-time chopper modes
Figure 7: SpreadCycle hysteresis chopper with clean zero crossing
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(mǎn)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(tīng)得見(jiàn)的噪音和振動(dòng)，主要是由于電機(jī)線(xiàn)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。
T R INA MI C 的Stea lt h Ch o p算法 也 是 通 過(guò)硬 件 來(lái)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(lái)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(lái)自直接電流控制回路算法引起的微小震蕩被消除。
圖8和圖9顯示 電壓控制模式的Stealthchop和電流控制模式的SpreadCycle。
Figure 8: Sine wave of one motor phase with voltage-controlled StealthChopTM chopper mode
Figure 9: Sine wave of one motor phase with current-controlled SpreadCycleTM chopper mode
StealthChop模式下過(guò)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)檎粫?huì)有 過(guò)渡區(qū)域而是持續(xù)性的穿過(guò)零點(diǎn)。因?yàn)殡娏鞯恼{(diào)制是根據(jù)PWM占空比來(lái)控制的。在50%的PWM占空比，電流是0，StealthChop調(diào)整PWM的占空比來(lái)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(guò)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(tīng)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(wèn)題。沒(méi)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(wú)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。
Figure 10: Zoomed-in PWM view of both motor phases and coil current
with voltage-controlled StealthChopTM chopper mode
Figure 11: Zoomed-in PWM view of both motor phases and coil current
with current-controlled SpreadCycleTM chopper mode
對(duì)步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)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(lái)一樣的材料，一 樣的生產(chǎn)工序和裝配工藝。
但是相比過(guò)去，如今步進(jìn)電機(jī)被更簡(jiǎn)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(lái)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?xún)?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(tīng)不到明顯的聲音。
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