技术文章：步进电机的噪声管理

电动机中的噪声量取决于电动机的类型，环境条件和特定的应用。永磁和混合式步进电机通常更安静，因为它们具有更一致的旋转。相反，可变磁阻步进电机是最嘈杂的，而不管其使用的应用是什么。

为了更好地理解噪声的起源，我们需要考虑旋转运动是如何发生的。步进电机执行步进时，它不会立即停止，而是会继续略微前后移动，然后完全停止。可以通过在电机驱动器中采用特定的控制逻辑来克服这种行为。在电动机运行期间，驾驶员会在完成上一步之后的电动机停止之前的一瞬间命令进行下一步的移动。这种连续而有规律的电动机前进有助于降低噪音和振动。

还应注意，每个步进电动机都有一个共振频率，通常在电动机以每秒150到300步的速度移动时会发生共振。许多设计人员倾向于避开该工作速度范围，以最大程度地降低噪声和振动。适当设计和调整尺寸的减速机可以帮助减少振动。安置在曲轴上的后装式减振器是减少振动的另一种传统解决方案。

降噪技术

大多数步进电机由脉宽调制（PWM）信号控制，该信号连续强制H桥在开和关状态之间切换，从而调节为电机供电的电流。基于此技术的驱动器电路通常被称为“斩波器驱动器”，因为它们通过在施加PWM波形后对输出电压进行斩波来为电动机绕组提供恒定电流。

与L / R技术相反，L / R技术旨在使施加到绕组的电压保持恒定，而电流斩波的优势在于它是一种非常有效，紧凑且经济的解决方案，可产生少量热量。

但是，PWM信号有一个副作用：如果PWM频率落在音频频带内，则施加到步进电机的调制信号会产生可听信号，甚至更多。通过实验，确实很容易验证步进电机即使在停止或保持位置时也能产生噪声。这种现象主要发生在低于20 kHz的开关频率处。

因此，可以推断出，降低噪声的第一种方法是增加开关频率。大多数斩波驱动器都具有通过修改外部电阻器或电容器的值来提高开关频率的能力。效果是改变用于电流调节的PWM信号在关闭状态下的持续时间。该持续时间越短，开关频率越高。

但是，不必超过频率值，因为超过一定的限制，开关损耗也会增加。合适的开关频率值可以在30到50 kHz之间。如果该技术不够充分，则可以减小施加到电动机绕组的电流。实际上，较低的电流意味着减少振动，从而减少噪音。

但是，副作用是转矩降低，如果转矩太低，则可能导致运行过程中失步。由于电机是开环控制的，因此必须为电机提供足以覆盖所有运行条件的电流，即使是最严酷的条件。一个很好的折衷办法是在电动机停止期间减少电流。

通常，电动机保持位置所需的电流大大低于以恒定速度加速或移动电动机所需的电流。实际上，所有步进电机驱动器都可以通过修改模拟参考电压VREF来设置电流值。跳闸电流ITrip是外部RSENSE电阻和VREF参考电压的函数。由于设计人员一旦选择了第一个，它就在运行时具有固定值，因此可以通过动态更改VREF来修改ITrip。

如果需要进一步降低噪声，则电动机可以在慢速衰减模式下运行，而不是在快速或混合衰减模式下运行。该模式最大程度地降低了驱动电流纹波，降低了噪声并提高了驱动器效率。但是，慢衰减模式并不总是最好的解决方案，特别是如果您想使用微步进技术。

步进驱动器

集成驱动程序旨在为每种类型的应用程序提供简单的配置和高级控制功能。集成的编码器选件使步进电机成为同步位置应用的合适选择。通过将线圈连接到功率晶体管并将晶体管连接到控制电路来驱动步进电机。

Allegro MicroSystems是有刷直流和步进电机驱动器设计和制造的领导者，它提供集成和MOSFET栅极驱动器的一系列安全可靠的解决方案。 Allegro的A3982适用于低功率和大功率应用，是一款完整的步进电机驱动器，带有内置转换器，易于操作。设计用于在全步和半步模式下运行双极步进电机，驱动器可以提供高达35 V和±2 A的输出信号。可以通过在STEP上施加信号来选择电流衰减模式（慢速或混合）输入引脚，如图1的原理框图所示。

在混合模式下，斩波控制最初设置为快速衰减，持续时间为固定关闭时间的31.25％，然后在其余关闭时间中设置为缓慢衰减。这种电流衰减控制方案可降低可听见的电动机噪声，提高步进精度并降低功耗。

图1：A3982框图（图片：Allegro MicroSystems）

转换器功能大大简化了电机控制系统的设计。通过在STEP输入引脚上施加一个脉冲，电机将被一步驱动。无需相序表或高频控制线，因此A3982是主机微控制器不可用或负担过重的应用的正确选择。

东芝电子设备和存储公司还提供多种步进电机驱动器。 TB67S128 / 249/279/289器件具有专有的主动增益控制（AGC）技术。 AGC动态调整步进电机的驱动电流，以应对大转矩条件，并在实时和开环设计中恢复正常电流值。 AGC技术可节省大量功率，并减少或消除了更复杂的闭环设计。

TB67S128 / 249/279 / 289FTG器件分别提供5.0 A，4.5 A，2.0 A和3.0 A的电压，并具有10V至42V的电动机工作电压。这些器件在一个象限中还具有32步和128步微步进功能，使其适用于各种工业精密电机控制应用（图2）。

图2：TB67S128电机驱动器的典型应用（图片：东芝）

本文编译自powerelectronicsnews。