先进算法最小化步进电机噪声 - yaboAPP亚博,yabo亚博网站,亚博电竞官网客户端

先进的算法在精密运动控制应用中最小化步进电机噪声和振动亚博尊贵会员

作者:Dan Jacques, Allegro MicroSystems Inc.战略营销亚博棋牌游戏经理

步进电机:优点和挑战

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。双极步进电机提供精确的开环位置和零速扭矩，无需使用控制回路或外部传感器。步进电机具有受控的步进功能，非常适合广泛的精密运动控制应亚博尊贵会员用，包括闭路电视（CCTV）、3D打印机、计算机数控（CNC）、纺织制造设备和拾取和放置机器。

成功部署步进电机需要有效的噪声和振动管理。例如，在闭路电视亚博尊贵会员应用中，振动直接转换到图像传感器和框架。大变焦加上移动会使图像变形。在3D打印中，由高转矩脉动引起的电机共振或超调会导致许多不必要的打印工件。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。减少电机振动也使整体运行更安静。

基于专有算法的先进技术，如在Allegro的A5984微步电机驱动器中发现的QuietStep，现在可以通过减少转矩脉动和电流失真来最小化步进电机设计中的噪声和振动。在深入研究这些运动控制解决方案之前，了解一下是什么导致了振动和可听到的噪音是很有帮助的，从步进电机如何运行开始。

步进原理

双极步进电机是一种具有离散极位置的直流电机，由多个线圈组成，线圈分为两组，称为相位。两相之间的电流比决定转子如何定位在两个绕组之间。通过这种方式，步进电机可以将其在两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，其中矢量的大小就是转矩。通过检查极性空间中两个相位中的每一个相位中的电流，向量可以在每个电循环中旋转时可视化。

图1所示。左相电流-双极步进电动机在1/8步的两个绕组中的每一个。
右–双极步进电机两个绕组中每一个的相位电流为1/8级，但表示为极域。

在基于时间的领域(图1，左)，扭矩被定义为两条曲线下的面积之和。在极域(图1，右)，矢量的大小就是力矩。在这些图像中，扭矩可以看作是恒定的磁场通过每个电循环。当转矩不恒定时，系统会产生振动和噪声。

假设电机不是在共振时运行，转矩脉动成为步进电机可听到的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电机最常用的方法。通过实现电流控制，控制器PWM切断输出，限制每个绕组的电流，以维持一个定义转子位置的比率。

PWM电流控制的性质导致基于应用占空比、电机电感和电压的电流纹波。为了最小化纹波，控制器可以通过实现各种衰减模式来管理绕组中电流的减小。

单个PWM周期的常见衰减模式从驱动电流上升开始。

在如图2A所示的驱动之后，通过如图2B和2C所示的两种同步方法在PWM关闭时间内实现衰减模式。

图2 -电机驱动步进衰减

图2:显示驱动和衰减模式的全桥电流路径。

快速衰减提供最佳电流控制，但会导致高纹波。缓慢衰减导致低纹波，但衰减速率取决于电机的反电动势（反电动势），在某些情况下，反电动势会造成电流畸变。

图3A显示了使用100%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，造成下降沿畸变。图3B显示了使用100%快速衰减的效果。纹波电流更大，但控制器保持对电流的精确控制。

图3-电机驱动器步进电机衰变

图3A当负载中的电流减少时，缓慢衰减可能产生失真。
图3 b。快速衰减导致大纹波电流，从而导致振动和可听到的噪声。

如图1所示的影响可以避免，同时也可以通过达成妥协来保持合理的纹波电流。当负载中的电流减小时，驱动器实现快速衰减和缓慢衰减的组合，称为混合衰减。断开时间被分为快衰减和慢衰减两部分，如图4所示。当负载中的电流增加时，缓慢衰减可使纹波最小化。

图4-电机驱动器步进电机衰变

图4。混合衰减使纹波最小化，同时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，上升沿上的缓慢衰减可能会在低电流下产生问题，其中由于电流感应放大器的消隐，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，这种情况可能导致电流失真，如图5所示。

图5 -电机驱动步进衰减

图5。上升沿上的缓慢衰减可能导致具有某些LR特性的电机发生畸变。

很难实现一个容易的妥协，工作于所有双极步进电机。为了解决这些问题，同时保持最低的脉动可能，系统必须适应不同的电机特性。

一种减小转矩脉动的新方法

Allegro介绍了一种新颖的方法来减少转矩脉动和电流失真的步进电机应用。亚博尊贵会员这一创新，QuietStep，现在作为一个选项，在Allegro最新的A5984步进电机驱动器。

QuietStep技术使用了一种专有算法，可以在不使用复杂软件的情况下，动态调整(上升或下降)快速衰减所需的百分比，从而在所有运行条件下实现最佳性能。

该算法实现了先慢后快的混合衰减，与传统的混合衰减方法相反。图6A显示了传统的混合衰减，固定部分的快衰减和慢衰减，快速衰减启动PWM关闭时间周期。图6B显示了在PWM关闭时间周期的开始使用QuietStep时，如何开始缓慢衰减。静音步长自动调整快衰减和慢衰减的比率，以减少电流纹波，同时保持准确的电流调节。

图6 -电机驱动步进衰减

图6 a。传统的混合衰减，快衰减和慢衰减的比例是固定的。
图6 b。自适应pfd可以动态调节快、慢衰减比，以保持电流控制，减小电流纹波。

只有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显示了随着电流减小而固定的混合衰减和随着电流增大而缓慢衰减的电流控制损耗所产生的高纹波电流。与混合衰减相比，安静步进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将电流调节到零安培。

图7 -电机驱动器步进衰减

图7。传统的随电流增大而慢衰减和随电流减小而混合衰减，造成随电流增大而增大的调节损失和随电流减小而增大的纹波。自适应pfd提供卓越的电流调节，增加电流，同时维持低纹波电流通过整个电气周期。

降低系统级电流纹波和共振，最大限度地减少振动以及振动引起的可听噪音。结果是更好的视频成像在闭路电视系统和优越的打印质量在3D打印。

减少可听噪音和振动几乎可以增强所有电机控制应用，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技术消除了试图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。

部署QuietStep与Allegro的双极步进电机驱动器

微步电机驱动实现了这种先进技术，如AllegroA5984，电流波形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了QuietStep技术，可在PWM周期内动态调整快速衰减量，以最大限度地降低各种工作条件下的电流纹波。此功能可提高系统性能，从而降低可听电机噪音、降低振动并提高步进精度。利用这项技术，A5984驱动器设计用于从全步进模式到1/32步进模式操作双极步进电机，输出驱动容量高达40 V和±2 A。总体而言，静止步进算法允许更轻松的系统设计、实施和操作。

要了解更多关于A5984驱动程序和QuietStep技术，请访问www.wangzuanquan.com/a5984

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