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控制的場合都會用到步進(jìn)電機(jī)如自動化控制、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)有一個缺點(diǎn)就是噪音比較大,特別是在低速的時候.
震動主要來自兩個方面一是步進(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個極(Poles),就是200個整步(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.描述了整個一個周期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.
一個周期內(nèi)(360°)每組線圈由4個整步或者8個半步構(gòu)成.
也就是50個極的步進(jìn)電機(jī)需要50個電氣步距來完成一周的機(jī)械旋轉(zhuǎn)(360°)
在新的矢量電流從驅(qū)動器端輸出之后,電機(jī)轉(zhuǎn)子會根據(jù)新的位置指令移動下一個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)子會產(chǎn)生超調(diào)和振蕩,如此一來會導(dǎo)致機(jī)械振動和噪音. 為了減少這些震動,等步細(xì)分的原來被提了出來,將一個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(Full current)或者就是沒有電流,而是一個中間的電流值,相比于4個整步電流(4full steps)更接近于一個正弦波形狀.永磁體的轉(zhuǎn)子位置處在2個整步位置之間(合成磁場位置).最大的細(xì)分?jǐn)?shù)是由驅(qū)動器的A/D和D/A能力決定.TRINAMIC所提供的驅(qū)動和控制器可以達(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)到新位置時候的波動
斬波和PWM模式
噪音和振動的另外一個來源是傳統(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固定關(guān)系,在其最大數(shù)值的時候,電流才會達(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
在一個完整的電周期內(nèi),電流方向改變時 在正弦波過零處有個平穩(wěn)過渡期,這個會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)此時根本就沒有力矩,這就導(dǎo)致了電機(jī)擺動和振動,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配置一個磁滯衰減功能.平均電流反應(yīng)了配置的正常電流,在正弦的過零點(diǎn)不會出現(xiàn)過渡期,這就減少電流和力矩的波動,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;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和顫動,這也滿足了大部分的應(yīng)用,也適合高速運(yùn)動.但是基于電流控制的斬波模式,還是會存在可聽得見的噪音和振動,主要是由于電機(jī)線圈的不同步,檢測電阻上幾毫伏的調(diào)節(jié)噪音和PWM時基誤差,這些噪音和振動在一些高端應(yīng)用場合也是不被允許的,緩慢運(yùn)行或中速運(yùn)動的應(yīng)用,以及任何不允許有噪音和場合.
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)不會出現(xiàn)噪音和震動?Stealthchop采用一種與基于電流反饋電壓調(diào)制模式如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.
TMC5130-一款小體積,精巧的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制芯片,帶有StealthChop模式.TRINAMIC改進(jìn)了調(diào)制模式.為了最大限度降低電流波動對動態(tài)性能的影響,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.
圖10和圖11顯示 電壓控制模式的Stealthchop 和電流控制模式的SpreadCycle
StealthChop模式下過零點(diǎn)的效果是非常完美的:當(dāng)電流的信號從正變?yōu)樨?fù)或者負(fù)變?yōu)檎?不會有過渡區(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 電流的波動是比較大的,此外電流的波動會在電機(jī)的永磁體轉(zhuǎn)子里產(chǎn)生渦流,這會導(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,會發(fā)出嘶嘶的聲音,而且電子定子會由于磁致伸縮產(chǎn)生更大的噪音,進(jìn)而會傳遞引起機(jī)械系統(tǒng)的震動.而StealthChop的固定斬波頻率就不會有這些問題.沒有斬波頻率的變化 除了電機(jī)運(yùn)行時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)動電機(jī)工作在極度的精音下,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分貝的減少量會將噪音程度降低一半.
對步進(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,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)動電路中更多的信息被獲取和處理并實(shí)時在驅(qū)動電流里被處理以優(yōu)化電機(jī)控制,StealthChop便是一個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)動方案都是雙向通訊,這些接口還可以監(jiān)測不同狀態(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)療檢測設(shè)備等對噪音要求敏感的場合. |
