步进电机噪音大怎么调整（步进电机声音大要怎么处理）

步进电机的噪音从何而来？

步进电机几乎用于所有类型的移动应用，包括自动化、数字制造、医疗和光学设备。

步进电机的优点是成本相对较低，在静止和低速时具有高扭矩，无需使用变速箱，并且天生适合定位任务。与三相无刷电机和伺服驱动器相比，步进电机不一定需要复杂的控制算法或换向位置反馈。

步进机的缺点是噪音很大，即使在低速或静止时也是如此。步进电机有两个主要振动源：步长分辨率以及斩波器和脉宽调制(PWM) 模式引起的副作用。

步进分辨率和微步进

典型的步进电机有50 个极，可以实现200 个完整的步数，每个步距角为1.8，允许完整的360 机械旋转。但也有步数更少的步进电机，甚至高达800 个整步。最初，这些电机用于全步或半步模式。施加到两个电机线圈A（蓝色）和B（红色）的电流矢量在整个电气旋转（电气360）上显示为矩形。如图3 和图4 中突出显示的，电机线圈在90 相移模式下采用全电流或无电流供电。因此，每个周期的一次电气旋转由4 个全步或8 个半步组成。也就是说，50 极步进电机需要50 次电气转才能完成一整圈机械转。

全步操作（电机线圈A=蓝色，B=红色）

半步操作（电机线圈A=蓝色，B=红色）

全步或半步等低分辨率步进模式是步进电机的主要噪声源。它们会产生遍布系统整个机械结构的巨大振动，尤其是在低速和接近某些共振频率时。在较高速度下，由于惯性矩，这些影响会减少。

转子可以想象为谐振子或弹簧摆，如图所示。在驱动电子设备施加新的电流矢量后，转子将沿着新的命令位置的方向步进到下一个全步或半步位置。与脉冲响应类似，转子过冲并围绕下一个位置振荡，导致机械振动和噪音。运动远非平稳，尤其是在较低速度下。

转子的振荡行为引起振动

为了减少这些振荡，可以应用一种称为微步进的机制。这将完整的步骤分解为较小的部分或微步骤。典型分辨率为2（半步）、4（四分之一步）、8、32 甚至更多微步。定子线圈不是以全电流或零电流供电，而是以接近4 个完整步长的完整正弦波波形的中间电流水平供电。这将永磁体转子定位在两个后续完整步骤之间的中间位置。这甚至允许特殊定制的电流波形适应步进电机或应用的物理特性（TRINAMIC 的驱动器芯片支持此功能）。

微步进的最大分辨率由驱动器的A/D 和D/A 功能定义。 Trinamic 的步进电机控制器和驱动器允许使用每整步最多256 个（8 位）微步的步进电机，甚至可以使用芯片的集成可配置正弦波表实现完全可定制的电流波形。

使用这种高微步进分辨率的结果是电机转子现在以更小的角度或更短的距离步进。当切换到新位置时，图5所示的过冲和下冲大大减少。下图显示了这种差异。

从全步分辨率切换到高微步分辨率时减少电机振动

斩波和PWM 模式

噪声和振动的另一个来源来自步进电机常用的传统斩波器和PWM 模式。由于粗步分辨率的主导效应，这些模式的寄生效应常常被忽略。但随着使用微步进提高步进分辨率，这些寄生效应变得明显甚至可以听到。

经典的恒定关断时间PWM 斩波器模式是一种电流控制的PWM 斩波器，它以快衰减和慢衰减相位之间的固定关系运行。在其最大点，电流达到指定的目标电流，这导致平均电流低于所需的目标电流，如图所示。

恒定关断时间(TOFF) PWM 斩波模式：平均电流未达到目标电流

在完整的电旋转中，当电流的符号（方向）发生变化时，这会导致正弦波过零区域周围出现平台。该平台的影响是电机绕组中的电流为零的短暂时间，这意味着根本没有扭矩。这可能会导致摆动和振动，尤其是在较低速度下。

具有经典关断斩波模式的过零平台

与恒定关断时间斩波器相比，Trinamic 的SpreadCycle PWM 斩波器模式应用采用磁滞功能，可自动使用慢速和快速衰减周期之间的拟合关系。平均电流反映了配置的标称电流。正弦波的过零区域没有平台。这减少了电流和扭矩纹波并接近真正的正弦波形，与恒定关断时间PWM 斩波器相比，电机运行更加平稳。这在静止和低速至中速时尤其重要。

具有平滑过零功能的SpreadCycle 磁滞斩波器

TMC5130A-TA 是一款小型智能步进电机驱动器和控制器IC，包含StealthChop 模式。除了StealthChop 之外，Trinamic 还改进了电压模式操作并将其与电流控制相结合。为了最大限度地减少电流波动，TMC5130A-TA 芯片的驱动器根据电流反馈调整电压调制。这使得系统能够根据电机参数和工作电压进行自我调整。

如何让步进电机完全静音？

虽然微步进减少了由低步进分辨率引起的大多数振动，但高微步进分辨率使得更容易感测其他振动源。先进的电流控制PWM 斩波模式，例如Trinamic 的SpreadCycle 算法，在硬件中实现，可在很大程度上减少振动和抖动。这对于许多标准应用来说已经足够了，对于高速应用来说也是理想的选择。

但即使采用像SpreadCycle 这样的电流控制斩波模式，由于电机线圈不同步、检测电阻上的几毫伏调节噪声以及PWM 抖动，仍然会产生一些可闻噪声和振动。这种噪声和振动对于高端应用、低速到中速应用以及任何噪声不可接受的应用至关重要。这对于Dereneville DTT-01-S 线性跟踪唱臂来说是无法容忍的，因为来自微步进驱动器和混合步进器的噪声叠加在音频信号上，尤其是在各个音轨之间转换时。在普通凹槽中。

Trinamic 的StealthChop 算法[4] 也在硬件中实现，最终使步进电机变得安静。但是StealthChop 是如何真正让电机静音的，为什么它不会产生额外的噪音和振动呢？与SpreadCycle 等基于电流的斩波模式相比，StealthChop 采用了不同的方法：它是一种基于电压的斩波波放大器技术，负责Dereneville DTT-01-S 唱臂和唱针的无噪音且平稳的移动。结合闭环跟踪角度调节和精密激光光学器件，头壳和触控笔之间的最大跟踪角度误差为0.05。良好的传统枢轴唱臂的典型跟踪角度误差为2-3，并且还受到滑动力和凹槽机械磨损的影响。

TMC5130A-TA 是一款小型智能步进电机驱动器和控制器IC，包含StealthChop 模式，使其成为这款卓越模拟转盘的终极解决方案。除了StealthChop 之外，Trinamic 还改进了电压模式操作并将其与电流控制相结合。为了最大限度地减少电流波动，TMC5130A-TA 芯片的驱动器根据电流反馈调整电压调制。这使得系统能够根据电机参数和工作电压进行自我调整。

由直流控制环路的调节算法引起的小振荡被消除。由于SpreadCycle 和其他电流调节斩波原理总是逐周期对线圈电流测量做出反应，因此复杂系统中始终存在几毫伏的噪声，以及内部两个线圈之间的电磁耦合。导致电机产生的电流发生微小变化，从而影响斩波器。

下图比较了电压控制的StealthChop 和电流控制的SpreadCycle。 StealthChop 的过零行为是完美的：当电流值的符号从正变为负或反之亦然时，不会出现平稳状态，而是零电流水平的直线交叉，因为电流基于调制的PWM占空比。在50% PWM 占空比下，电流实际上为零。

采用电压控制StealthChop 斩波模式的一相电机正弦波

采用带有电流控制的SpreadCycle 斩波模式的一相电机正弦波

电压控制StealthChop 斩波模式下电机相位和线圈电流的放大PWM 视图

电流控制SpreadCycle 斩波模式下电机相位和线圈电流的放大PWM 视图

配备StealthChop 的电机驱动器结合了与模拟非常相似的电流波形（这对于Dereneville 模拟甲板的应用来说有点理想），并且在不增加成本的情况下对功耗进行了一些小改进。结果是安静的运动。除了不可改变的滚珠轴承噪音外，StealthChop 还提供异常安静的步进电机性能。使用StealthChop 的应用已实现比传统电流控制低10dB 的噪声水平。正如我们从物理学中知道的那样，-3dB 的变化代表着大约一半的噪音或声级降低。

步进电机发生了哪些变化？

今天的步进电机与已经使用多年的执行器一样具有成本效益。它们仍然由相同的机器使用相同的工艺和材料制造和组装。甚至他们的一般操作模式都是相同的。

但与过去使用更简单的控制器单元来驱动它们相比，现在可以通过更先进的算法和高度集成的微电子技术来释放这些电机的真正潜力。直接在电机驱动器电子设备处或内部的集成智能本地环路在执行器处或附近原位收集和测量信息，这是唯一可用的地方，并直接在驱动器中实时处理这些信息。 StealthChop 就是一个很好的例子，因为它的算法与PWM 斩波器密切相关。

此外，信息可以反馈给更高的应用层控制器。传统的步进驱动器解决方案主要仅在一个方向上工作，向下驱动电机。 Trinamic 的所有智能步进电机驱动器解决方案都支持通过快速、先进的接口进行双向通信。这些接口还可以监视不同类型的状态和诊断信息，这些信息又可以在应用程序层程序级别使用，以提高性能、效率或可靠性等。

新一代运动和电机控制解决方案还可将更高应用级控制器从计算密集型、实时或重复性任务中解放出来，这些任务不一定在实际应用级，但需要驱动程序。和控制电机；减少应用程序开发时间和精力；甚至减少整体PCB 面积和物料清单(BOM)。很大一部分实时运动控制功能是在这些智能微电子设备中提供的。示例包括运动轮廓计算、编码器接口和末端开关检测。

所有这些都提高了抽象级别，并使电机和运动控制成为可用的构建块，具有最高质量的——，但仍然使用相同的“旧”步进电机。

总结与结论

半导体制造设备、医疗应用和实验室自动化中的晶圆处理。它们都具有类似的低噪音和低振动性能要求。此外，到目前为止，还有其他应用对噪声、振动和运动质量的要求较低，通过这项技术可以显着提高这些要求。还有越来越多的新兴嵌入式应用实际上只有通过此类智能解决方案才能实现——无论是从定性还是定量的角度来看。例如，其中包括3D 打印和桌面制造应用、不能容忍可闻噪声的先进个人医疗设备、相机幻灯片以及先进的闭路电视和监控摄像机。 TMC5130A 系列终极步进电机驱动器和控制器反映了运动控制大趋势。

审稿编辑：唐子红