Allegro QuietStep技术降低步进电机系统噪声与振动

步进电机擅长精密运动控制，但转矩脉动和电流畸变会阻碍性能。探索Allegro MicroSystems QuietStep算法——实现更安静、平滑运行的验证方案。

步进电机提供精准开环定位和零速转矩，无需传感器，适配CCTV系统、3D打印机、CNC机床、纺织机械、拾放机器人等应用——在许多场景超越传统DC或BLDC电机。

有效噪声振动控制至关重要。CCTV中电机振动传至图像传感器和云台，降低画质。3D打印中转矩脉动和共振产生瑕疵。降低振动可获更清晰图像、更高分辨率打印、整体更安静设备。

专有算法现使厂商能通过平滑转矩脉动和电流畸变，削减噪声振动。探索解决方案前，理解振动根因及其向可听噪声转化机制必不可少。先考察步进电机运行基础。

步进电机基础

双极性步进电机是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。两相电流比决定转子在两绕组间的位置。因此步进电机可将两极间位置细分为称为微步的更小增量。

各步进电机绕组电流可求和形成矢量，矢量幅值即转矩。通过极坐标空间审视两相电流，可视化矢量随每电气周期旋转。

图1. 双极步进电机1/8步间隔相电流：左图时域电流；右图极域表示。

时域中，转矩定义为两曲线下面积之和。极域中，矢量幅值即转矩。转矩在每电气周期恒定时，电机平滑运行。转矩变化——即转矩脉动——产生振动和可听噪声，尤其在非共振时。

步进电机控制（电流控制）

脉宽调制（PWM）电流控制是驱动步进电机最常用方式。通过PWM切换输出，控制器将各绕组电流限制在期望值以维持转子位置。

PWM电流控制固有特性基于占空比、电机电感、供电电压引入电流纹波。为最小化纹波，控制器可在PWM关断期间通过各种衰减模式整形电流衰减。

常见衰减模式含快速衰减——电流控制紧但纹波大——和慢速衰减——纹波小但反电动势（BEMF）限制电流下降率时易失真。

绕组电流下降时，慢速衰减无法足够快降低电流，导致下降沿失真。快速衰减产生较大纹波但保持精准电流调节。

在单个PWM周期内结合快慢衰减——即混合衰减——可达成折中，降低纹波同时保持电流控制。关断时间分为快衰减段和慢衰减段，顺序视实现而定。

图2. 全桥驱动器电流路径：驱动与衰减模式。

然而固定混合衰减比在电流上升/下降时可能导致失真，特别是特定LR时间常数电机。需自适应方法在全工况维持低纹波。

降低转矩脉动的新方法

Allegro MicroSystems推出QuietStep专有算法，逐周期动态调整快速衰减比例。从慢速衰减起步，仅在必要时添加快速衰减，QuietStep在无需复杂软件或外部元件情况下，实现精准电流调节且纹波最小。

对比传统混合衰减，QuietStep将电流纹波约减半，同时在全电气周期保持精准电流控制。

图3. QuietStep动态衰减调整对比固定混合衰减。

降低系统级电流纹波直接减少振动和可听噪声，改善CCTV图像质量和3D打印保真度。该技术惠及广泛电机控制应用，从智能门锁到精密视觉系统。

搭载QuietStep的双极步进电机驱动器部署

集成至A5984等现代微步驱动器，QuietStep自动优化跨宽速度范围和电机特性的电流波形。驱动器支持全步至1/32步模式双极步进电机，输出驱动能力达40 V和±2 A。

实施QuietStep简化系统设计，减少外部调试需求，在步进精度、降噪、振动控制获可量化收益。

了解更多A5984驱动器和QuietStep技术，访问A5984产品页。

Allegro MicroSystems是运动控制和能效系统功率与传感解决方案全球领导者。详情访问Allegro MicroSystems官网。

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