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最小化精密运动控制应用中的步进电机噪声和振动

步进电机在广泛的应用中运行良好,但可能会遇到转矩纹波和电流失真问题。了解作为可能的解决方案的 Allegro MicroSystems 专有算法 QuietStep。

在许多应用中,步进电机比直流 (DC) 和无刷直流 (BLDC) 电机具有独特的优势。双极步进电机无需使用控制回路或外部传感器即可提供准确的开环位置和零速扭矩。凭借其受控步进功能,步进电机可在各种精密运动控制应用中良好运行,包括闭路电视 (CCTV)、3D 打印机、计算机数控 (CNC)、纺织制造设备和贴片机。

步进电机的成功部署需要对噪声和振动进行有效管理。例如,在闭路电视应用中,振动直接转化为图像传感器和万向节。大变焦与运动相结合会使图像失真。在 3D 打印中,由高扭矩纹波引起的电机共振或过冲会导致许多不需要的打印伪影。在大多数情况下,减少电机振动会带来更好的图像质量或更精确的 3D 打印。减少电机振动还可以使整体运行更安静。

现在可以使用基于专有算法的先进技术,通过减少扭矩纹波和电流失真来最大限度地减少步进电机设计中的噪音和振动。在深入研究这些运动控制解决方案之前,了解导致振动和可听噪声的原因会很有帮助。首先,让我们仔细看看步进电机的工作原理。

步进器基础

双极步进电机是一种具有离散极位置的直流电机,由排列成两组的多个线圈构成,称为相位。两相之间的电流比决定了转子在两个绕组之间的位置。通过这种方式,步进电机可以将其在两个极之间的位置分成更小的增量,称为微步。

每个步进电机绕组中的电流可以相加以创建一个矢量,其中矢量的大小是扭矩。通过检查极地空间中两相中的每一相中的电流,我们可以将矢量在每个电循环中旋转时可视化。

图 1。 双极步进电机的两个绕组中的每一个绕组中的相电流为 1/8 步(左)。双极步进器的两个绕组中的每一个绕组中的相电流以 1/8 步长表示,但在极性域中表示(右)。

在基于时间的域(图 1 左)中,扭矩定义为两条曲线下面积的总和。在极坐标域中(图 1 右),矢量的大小就是扭矩。在这些图像中,我们可以看到,随着磁场在每个电循环中移动,扭矩是恒定的。当扭矩不恒定时,系统会经历振动和可听见的噪音。

假设电机不在共振状态下运行,转矩脉动将成为步进电机中可闻噪声和振动的最大来源。

控制步进电机(电流控制)

脉宽调制 (PWM) 电流控制是驱动步进器的最常用方法。通过实施电流控制,控制器 PWM 对输出进行斩波,限制每个绕组中的电流以保持定义转子位置的比率。

PWM 电流控制的性质会导致基于应用占空比、电机电感和电机两端电压的电流纹波。为了最大限度地减少纹波,控制器可以通过实施各种衰减模式来管理绕组中的电流如何降低。

让我们回顾一下从驱动电流上升开始的单个 PWM 周期的常见衰减模式。

在驱动之后,如图 2A 所示,衰减模式在 PWM 关断期间通过图 2B 和 2C 所示的两种同步方法实现。

图 2. 显示驱动和衰减模式的全桥电流路径。

快速衰减可提供最佳电流控制,但会导致高纹波。缓慢衰减会导致低纹波,但衰减速率受电机反电动势 (BEMF) 的影响,在某些情况下会导致电流失真。

图 3A 显示了使用 100% 缓慢衰减时可能发生的情况。当绕组电流下降时,缓慢衰减不能足够快地降低电流,导致下降沿失真。图 3B 显示了使用 100% 快速衰减的效果。纹波电流要大得多,但控制器保持对电流的精确控制。

图 3A。 当负载电流减小时,缓慢衰减会产生失真。
图 3B。 快速衰减会导致较大的纹波电流,从而导致振动和可闻噪声。

我们可以避免图 1 中所示的影响,并通过折衷来保持合理的纹波电流。当负载中的电流减小时,驱动器实现快速和慢速衰减的组合,称为混合衰减。关断时间分为一部分快速衰减和一部分缓慢衰减,如图 4 所示。当负载中的电流增加时,缓慢衰减可将纹波降至最低。

图 4。 混合衰减可最大限度地减少纹波,同时还能保持对绕组电流的控制。

根据步进电机的特性及其 LR 时间常数,上升沿的缓慢衰减可能会在低电流下产生问题,由于电流检测放大器消隐,电流变化率太快,PWM 控制器无法调节到低电流。当负载中的电流增加时,这种情况会导致电流失真,如图5所示。

图 5。 上升沿的缓慢衰减会导致具有某些 LR 特性的电机失真。

很难实现适用于所有双极步进电机的简单折衷方案。为了解决这些问题,同时保持尽可能低的纹波,系统必须适应不同的电机特性。

降低扭矩纹波的新方法

Allegro 推出了一种减少步进电机应用的转矩脉动和电流失真的方法。这项名为 QuietStep 的创新现在可作为 Allegro 最新的 A5984 步进电机驱动器的一个选项提供。

QuietStep 技术使用专有算法,可在逐个周期的基础上动态调整(向上或向下)所需的快速衰减百分比,以在所有操作条件下实现最佳性能,而无需使用复杂的软件。

该算法通过先实现慢衰减,然后是快速衰减来扭转混合衰减的传统方法。图 6A 显示了传统的混合衰减,具有快速和慢速衰减的固定部分,以及开始 PWM 关断时间周期的快速衰减。图 6B 显示了在 PWM 关断时间周期开始时使用 QuietStep 时缓慢衰减是如何开始的。 QuietStep 自动调整快慢衰减的比率,以最大限度地减少电流纹波,同时保持准确的电流调节。

图 6A。 传统的混合衰减,其中快慢衰减的比率是固定的。
图 6B。 QuietStep 可以动态调整快慢衰减的比例,以保持电流控制并最小化电流纹波。

仅在需要电流调节时才引入快速衰减,从而产生尽可能低的纹波电流。图 7 显示了由固定混合衰减导致的高纹波电流,电流减小,电流控制丢失,电流增加缓慢衰减。与混合衰减相比,QuietStep 技术通过将纹波电流减半来消除这些影响。当电流增加时,QuietStep 将电流调节保持在零安培以下。

图 7。 传统的随着电流增加的缓慢衰减和用于减小电流的混合衰减导致随着电流增加而上升时失去调节,并且随着电流减小而产生大的纹波。 QuietStep 可提供出色的电流调节,同时增加电流,同时在整个电气循环中保持低纹波电流。

减少系统级电流纹波和共振可以最大限度地减少振动以及振动引起的可听噪声。结果是闭路电视系统中更好的视频成像和 3D 打印机的卓越打印质量。

减少可闻噪声和振动可以增强几乎所有电机控制应用,从家庭自动化门锁和阀门控制到精密视觉系统和 3D 打印。 Allegro 的 QuietStep 技术消除了尝试确定系统中噪声和振动源的麻烦。 QuietStep 完全集成到 IC 中,易于实现,无需编程或外部组件,并且是完全自动的。

使用双极步进电机驱动器部署 QuietStep

借助支持这种先进技术的微步进电机驱动器,例如 Allegro A5984,电流波形会在广泛的步进电机速度和特性范围内自动优化。步进电机驱动器解决方案配备 QuietStep 技术,可在 PWM 周期内即时调整快速衰减量,以最大限度地减少各种工作条件下的电流纹波。

QuietStep 功能提高了系统性能,从而降低了可听到的电机噪音、降低了振动并提高了步进精度。利用这项技术,A5984 驱动器设计用于从全步到 1/32 步模式操作双极步进电机,并实现高达 40 V 和 ±2 A 的输出驱动能力。总的来说,QuietStep 算法允许更简单的系统设计、实施和运行。

要了解有关 A5984 驱动程序和 QuietStep 技术的更多信息,请访问 A5984 产品页面。

Allegro MicroSystems 是运动控制和节能系统电源和传感解决方案的全球领导者。有关更多信息,请访问 Allegro MicroSystems 网站。

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