先进的算法使步进电机噪声最小化 - yaboAPP亚博,yabo亚博网站,亚博电竞官网客户端

先进的算法最小化步进电机噪声和振动在精密运动控制应用亚博尊贵会员

丹雅克，战略营销经理，Allegro微系统公司亚博棋牌游戏

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。亚博尊贵会员双极步进器提供准确的开环位置以及零速度扭矩，无需使用控制环或外部传感器。由于其控制步进能力，步进电机是理想的广泛精密运动控制应用，包括闭路电视(CCTV)， 3D打印机，计算机数控(CNC)，纺织制造设备，和拾取机。亚博尊贵会员

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点位置的直流电动机，它由多个线圈组成，这些线圈被排列在两组称为相位的线圈中。两相之间的电流比决定了转子在两个绕组之间的位置。通过这种方法，步进电机可以将其在两极之间的位置划分为称为微步的更小的增量。

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。通过检查极空间中两相中的每一相的电流，矢量可以被可视化，因为它在每个电循环中旋转。

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-双极步进器的两个绕组各1/8步的相电流，但在极域表示。

在基于时域（图1，左）中，转矩被定义为区域的两条曲线下的总和。在极性结构域（图1中，右侧）中，矢量的大小是转矩。在这些图像中，扭矩可以被看作是恒定的通过每个电周期中的场移动。当扭矩不恒定，系统经历的振动和噪音。

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）

脉冲宽度调制（PWM）电流控制是驱动步进最常见的方式。通过实现电流控制，控制器PWM砍下输出，限制在每个绕组以维持其限定所述转子的位置的比例的电流。

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。

常见的衰减模式为一个单一的PWM周期开始驱动电流上升。

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：在电流全桥路径示出驱动器和衰减模式。

快速衰减提供最优的电流控制，但导致高纹波。缓慢衰减导致低纹波，但衰减速率受电机的反向电动势(BEMF)的影响，在某些情况下会造成电流畸变。

图3A显示了使用100％的衰减速度慢的时候会发生什么。当绕组电流正在下降，慢衰变不能降低电流足够快，在下降沿时产生失真。图3B示出了使用100％的快速衰减的影响。纹波电流大得多，但控制器保持当前的精确控制。

图3 -电机驱动步进衰减

当负载电流减小时，缓慢衰减会产生失真。
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。

能够避免在图1所示的效果，同时还通过达成妥协保持合理的纹波电流。当电流在负载减小时，驱动程序实现快速和慢速衰减的组合，称为混合衰减。关断时间被分成快速衰减的一部分和缓慢衰减的一部分，如图4所示。当在负载电流增加，缓慢衰减最小化的纹波。

图4 -电机驱动步进衰减

图4。混合衰减使纹波最小化，同时也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，上升沿的缓慢衰减会在低电流时产生问题，由于电流检测放大器的消隐，电流变化率过快，PWM控制器无法将其调节到低电流。如图5所示，当负载中的电流增加时，这种情况会导致电流失真。

图5 - 电机驱动步进衰减

图5。在上升边缘上的缓慢衰减会导致具有某些LR特性的电机的失真。

这是很难实现的一个简单的妥协，对于所有的双极步进电机的工作原理。为了解决这些问题，同时保持最低的纹波可能，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

快板已经推出了一种新的方法来减少步进电机应用转矩脉动及电流失真。亚博尊贵会员这一创新，QuietStep，现已作为Allegro的最新A5984步进电机驱动器的选项。

QuietStep技术，使用专有的算法，动态调整（向上或向下），以实现所有操作条件下的最佳性能，而无需使用复杂的软件需要在逐周期的基础上快速衰减的百分比。

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6B。自适应-PFD可以动态地调整快速和慢速衰减的比率以维持电流控制和最小化电流纹波。

需要电流调节时，产生最低可能的纹波电流快速衰减仅引入。图7示出从固定混合衰减所得随电流控制的电流和损耗随电流缓慢衰减的高纹波电流。QuietStep技术消除这些影响，通过在与混合降低切削中的纹波电流的一半。当电流增大，QuietStep维持电流调节到零安培。

图7 - 电机驱动步进衰减

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。

从家庭自动化门锁和阀门控制到精密视觉系统和3D打印，减少可听到的噪音和振动可以提高几乎所有的电机控制应用。Allegro公司的QuietStep技术消除了确定系统噪声和振动源的麻烦。完全集成到IC中，QuietStep易于实现，无需编程或外部组件，是完全自动的。

部署QuietStep与Allegro的双极步进电机驱动器

随着微步进电机驱动程序，使这一先进技术，如快板A5984，电流波形被自动在宽范围的步进电机的速度和特性的优化。步进电机驱动器解决方案，装备有QuietStep技术，调整快速衰减的量的PWM周期期间上即时，以尽量减少在各种操作条件下的电流纹波。这个特征提高了系统的性能，从而降低电机噪音，振动降低，并增加步骤的精度。利用该技术，A5984驱动器被设计成从全升压操作双极步进电动机，以1/32步进模式和实现高达的输出驱动能力，以40 V和±2 A.总的来说，一个QuietStep算法允许更容易地系统设计，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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