关于步进电机驱动器的降噪技术解析论文（关于步进电机驱动器的降噪技术解析）

作者：毛里齐奥迪保罗埃米利奥

步进电机结构简单，易于控制。步进电机作为一种数字电子元件，广泛应用于各种开环控制系统中。但其驱动电路和谐振机械结构产生的噪声会影响整体性能。大多数步进电机应用都需要平稳运行。为了实现平稳运行，设计人员可以修改电压、电流或更常见的微步进设置。电机的噪音量取决于电机类型、环境条件和具体应用。永磁电机和混合式步进电机通常更安静，因为它们的旋转更稳定。可变磁阻步进电机无论在何处使用，噪音都是最大的。

为了更好地理解噪音的来源，我们需要考虑旋转运动是如何产生的。当步进电机执行一步时，它不会立即停止，而是继续稍微向前和向后移动，然后完全停止。这个问题可以通过在电机驱动器中采用特定的控制逻辑来解决。电机运行时，电机完成上一步、停止前的瞬间，驱动器发出启动下一步的命令。这种连续且有规律的电机前进可减少噪音和振动。

另请注意，每个步进电机都有一个谐振频率，通常在电机以每秒150 到300 步的速度移动时发生。许多设计人员倾向于避免此工作频率范围，以最大限度地减少噪音和振动。但也可以通过插入适当设计和尺寸的减速器来减少振动。还有一种传统的解决方案，就是在曲轴上安装后置减震器，这样也可以减少振动。

降噪技术

大多数步进电机由脉宽调制(PWM) 信号控制，该信号不断迫使H 桥在开和关状态之间切换，从而调节馈入电机的电流。基于该技术的驱动器电路通常被称为斩波驱动器，因为它按照PWM 波形斩波输出电压，为电机绕组提供恒定电流。

相比之下，L/R 技术旨在保持施加到绕组的电压恒定，而电流斩波的优点是它是一种非常高效、紧凑且经济的解决方案，产生的热量很少。

需要注意的是，施加到步进电机上的调制信号会产生音频信号，当PWM频率落在音频频带内时，这种情况更为严重。确实很容易通过实验验证步进电机如何产生噪音，即使电机停止或保持在某个位置时也是如此。这种现象主要发生在开关频率低于20 kHz 时。因此，不难推断，降低噪声的首要途径是提高开关频率。大多数斩波驱动器可以通过修改外部电阻器或电容器的值来提高开关频率。其目的是改变关闭状态下用于电流调节的PWM 信号的持续时间。持续时间越短，开关频率越高。

然而，频率不需要太高，因为开关损耗也会增加超过一定限度。更合适的开关频率值在30 至50 kHz 之间。如果这不起作用，您可以减少施加到电机绕组的电流。事实上，较低的电流意味着更少的振动，当然也意味着更少的噪音。

不过这种方法也有一个副作用，就是扭矩会降低。如果扭矩太低，可能会导致运行不同步。由于电机是开环控制的，因此必须为其提供足够的电流来满足其所有操作条件，即使在最恶劣的条件下也是如此。一个好的折衷方案是减少电机停止期间的电流。

通常，电机保持位置所需的电流明显小于以恒定速率加速或转动电机所需的电流。实际上所有步进电机驱动器都可以通过修改模拟参考电压VREF来设置电流值。跳闸电流ITrip 是外部RSENSE 电阻和VREF 参考电压的函数。一旦设计者选择了RSENSE 电阻器，其值在运行时是固定的，因此可以通过动态更改VREF 来修改ITrip。

如果需要进一步降低噪音，电机可以以慢速衰减模式运行，而不是快速或混合衰减模式。该模式可最大限度地减少驱动电流纹波，从而降低噪声并提高驱动器效率。然而，慢速衰减模式并不总是最佳解决方案，特别是在使用微步进技术时。

步进驱动器

集成驱动器旨在为各种类型的应用提供简单的配置和先进的控制功能。集成编码器选项使步进电机成为同步位置应用的最佳选择。只需将线圈连接到功率晶体管，并将晶体管连接到控制电路，就可以驱动步进电机了。

图1：A3982 框图。 （图片来源：Allegro MicroSystems）

Allegro MicroSystems 是有刷直流电机和步进电机驱动器设计和制造领域的领导者，提供一系列带有集成MOSFET 栅极驱动器的安全可靠的解决方案。该公司的A3982是一款完整的步进电机驱动器，内置转换器，操作简单，适合低功率和高功率应用。

A3982 用于以全步和半步模式操作双极步进电机。它提供高达35 V 和2 A 的输出信号。可以通过向STEP 输入引脚施加信号来选择电流衰减模式（缓慢衰减或混合衰减），如图1 中的原理框图所示。

在混合模式下，斩波器控制最初设置为快速衰减模式，持续31.25% 的固定关闭时间，然后设置为慢速衰减，持续剩余的关闭时间。这种电流衰减控制机制可降低电机噪音、提高步进精度并降低功耗。

转换器的特性极大地简化了电机控制系统的设计。只需向STEP 输入引脚施加一个脉冲，电机就会被驱动一步，无需相序表或高频控制线。因此，A3982 是主机微控制器不可用或过载的应用中的最佳选择。

东芝电子元件和存储装置公司还提供各种步进电机驱动器。其TB67S128/249/279/289 器件采用专有的有源增益控制(AGC) 技术。 AGC可以动态调节步进电机的驱动电流，以应对高扭矩状态并在实时和开环设计中恢复正常电流值。 AGC技术可以大大降低功耗，减少或避免更复杂的闭环设计。

图2：TB67S128电机驱动器的典型应用（图片来源：东芝）

TB67S128/249/279/289FTG 器件的工作电压为10V 至42V，可分别提供5.0A、4.5A、2.0A 和3.0A 的电流。这些器件还在象限中提供32 步和128 步微步进功能，使其适用于各种工业精密电机控制应用（图2）。

综上所述

步进电机结构简单，易于控制。步进电机作为一种数字电子元件，广泛应用于各种开环控制系统中。但其驱动电路和谐振机械结构产生的噪声会影响整体性能。大多数步进电机应用都需要平稳运行。为了实现平稳运行，设计人员可以修改电压、电流或更常见的微步进设置。

编辑：hfy