如何有效控制步进电机的噪音问题

出处:亚德诺半导体 发布于:2022-07-20 16:11:53

    步进电机作为执行元件,是机电一体化的关键产品之一,由于其结构简单、控制方便、安全性高,在低速情况下不需要减速机就可以输出很大的力矩,相比直流无刷和伺服电机,不需要复杂的控制算法也不需要编码器反馈情况下可以实现位置控制,被用在很多要求定位的场合,例如自动化控制、数字化生产如3D打印、医疗和光学等众多领域。
    然而,步进电机低速共振,噪音大几乎是工程师们公认的固有特性,如何有效控制步进电机的噪音问题呢?
    换成步距角更小的电机,例如5相步进电机试试?
    成本太高......
    换成伺服电机或者闭环步进电机呢?
    成本太高......
    在电机轴上增加阻尼器?
    属于机械机构负载,同样会增加额外的成本.....
    采用带有细分功能的驱动?
    有效果,但还是无法实现更静音的需求......
    三招“秘笈”,降低噪声
    步进电机特别是在低速的时候,低的步距分辨率模式比如半步或者整步是步进电机噪音的主要步,另一方面则是来自斩波和脉宽调制(PWM)的不良模式反应。
    降噪秘笈一:微步驱动
    步进电机通常使用永磁体作为转子,使用电机线圈作为定子,通过向电机线圈发送电流,会产生一个电磁场,迫使磁转子进入所需的位置。然而,该电流必须以这样的方式进行斩波,以使电机按需要运行。混合式步进电机多允许产生每转200的步进数,使用额外的电流状态生成更小的步进数,例如半步或微步,这提高了电机的精度、扭矩和效率,同时减少了失步、振动和噪音。
 
    降噪秘笈二:SpreadCycle
    步进电机噪音和振动的另外一个是传统的斩波方式和脉宽调制(PWM)模式,因为比较粗的步距分辨率是产生振动和噪音的主要因素,我们通常忽视了斩波和PWM带来的问题。传统的恒定PWM斩波模式是电流控制的PWM斩波模式,该模式在快速衰减和慢速衰减之间有个固定关系,在其数值的时候,电流才会达到规定的目标电流,终导致平均电流是小于预期目标电流的。
   
    相比恒定的斩波模式,ADI Trinamic的SpreadCycle PWM斩波模式在慢速和快速衰减器之间自动配置一个磁滞衰减功能。平均电流反应了配置的正常电流,在正弦的过零点不会出现过渡期,这就减少电流和力矩的波动,是电流波形更加接近正弦波,相比传统恒定斩波模式,SpreadCycle PWM斩波模式控制下的电机运行得要平稳、平滑很多,从而实现静音电机控制。
    降噪秘笈三:StealthChop
    虽然先进的电流控制PWM斩波器改善了电机性能,但仍然存在一些对某些应用至关重要的噪音和振动。这是因为电流调节斩波器总是在逐个周期的基础上对线圈电流测量做出反应,从而导致电机线圈之间产生噪声以及电磁耦合,进而影响电流斩波器。稳压斩波器 StealthChop 通过根据 PWM 占空比调制电流来克服这一问题,从而产生完美的电流正弦波。
   
    除了电机轴承钢球磨擦的声音是无法避免的之外,StealthChop可以驱动电机工作在极度的静音下,实现控制电机声音在10dB以下,噪音大大低于传统电流控制方式。
    常规的控制模式下步进电机在低速情况下会出现比较大的噪音和震动,ADI Trinamic提供带有StealthChop功能的驱动模块,包括单轴、三轴和六轴驱控模块,在StealthChop模式下即使速度很低也听不到明显的声音,能有效改善步进电机的噪声。
关键词:电机

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