如何消除步进电机的噪音和振动

eefocus_3842241

步进电机的噪音来自哪里?

由于步进电机由于结构简单、控制方便、安全性高、成本低、停止时候力矩大、在低速情况下不需要减速机就可以输出很大的力矩、相比直流无刷和伺服电机，步进电机不需要复杂的控制算法也不需要编码器反馈情况下可以实现位置控制。被用在很多要求精确定位的场合，基本上在很多需要移动控制的场合都会用到步进电机如自动化控制、数字化生产如3D、医疗和光学等众多领域。

步进电机有一个缺点就是噪音比较大，特别是在低速的时候。震动主要来自两个方面一是步进电机的步距分辨率(步距阶跃)另一方面是来自斩波和脉宽调制(PWM)的不良模式反应。

步距角分辨率和细分

典型的步进电机有50个极(Poles)，就是200个整步(Full Steps) ，也就是整步情况下每步1.8°角度，电机旋转一周需要360°。但是也有些步进电机的步距角更小比如整步需要800步的。起初，这些步进电机被用作整步或者半步模式下，矢量电流提供给电机线圈A(蓝色)和线圈B(红色)矩形曲线图。描述了整个一个周期360°的曲线。在图3和图4中很明显看到电机线圈在90°换相点处线圈电流要么是最大电流(full power)要么是没有电流。

一个周期内(360°)每组线圈由4个整步或者8个半步构成。也就是50个极的步进电机需要50个电气步距来完成一周的机械旋转(360°)。

低的步距分辨率模式比如半步或者整步是步进电机噪音的主要来源。会引起极大的震动在这个机械系统中，尤其是在低速运行时和接近机械共振频率的时候。在高速的时候，恰好由于惯量的存在这个效应会被降低，电机的转子可以为认为成谐波振荡器或者弹簧钟摆，如图5。

在新的矢量电流从驱动器端输出之后，电机转子会根据新的位置指令移动下一个整步或者半步的位置和脉搏反应相似在新的位置点周围，转子会产生超调和振荡，如此一来会导致机械振动和噪音。为了减少这些震动，等步细分的原来被提了出来，将一个整步分割成更小的部分或者微步细分，典型的细分数是2(half-stepping)、4(quarter-stepping)、8、32甚至更大的细分。

电机定子线圈的电流并不是最大电流(Fullcurrent)或者就是没有电流，而是一个中间的电流值，相比于4个整步电流(4full steps)更接近于一个正弦波形状。永磁体的转子位置处在2个整步位置之间(合成磁场位置)。最大的细分数是由驱动器的A/D和D/A能力决定。TRINAMIC所提供的驱动和控制器可以达到256细分(8bit)采用集成的正弦波配置表格，步进电机可以实现非常小的角度控制，图6描述了在达到新位置时候的波动。

斩波和PWM模式

噪音和振动的另外一个来源是传统的斩波方式和脉宽调制(PWM)模式，由于比较粗的步距分辨率是产生振动和噪音的主要因素，我们通常忽视了斩波和PWM带来的问题。

传统的恒定PWM斩波模式是电流控制的PWM斩波模式，该模式在快速衰减和慢速衰减之间有个固定关系，在其最大数值的时候，电流才会达到规定的目标电流，最终导致平均电流是小于预期目标电流的，如图7所示。

在一个完整的电周期内，电流方向改变时在正弦波过零处有个平稳过渡期，这个会影响在很短的过渡期内线圈里面的电流为零，也就是电机此时根本就没有力矩，这就导致了电机摆动和振动，尤其是在低速情况下。

相比恒定的斩波模式，TRINAMIC的SpreadCycle PWM斩波模式在慢速和快速衰减器之间自动配置一个磁滞衰减功能。平均电流反应了配置的正常电流，在正弦的过零点不会出现过渡期，这就减少电流和力矩的波动，是电流波形更加接近正弦波，相比传统恒定斩波模式，SpreadCycle PWM斩波模式控制下的电机运行得要平稳、平滑很多。

这一点在电机从静止或低速到中速过程中非常重要。