教你如何消除步进电机的噪音和振动

步进电机的噪音来自哪里？

由于步进电机结构简单，控制方便，安全性高，成本低，停止时力矩大，低速时无需减速器即可输出大力矩，与DC无刷和伺服电机相比，无需复杂的控制算法和编码器反馈即可实现位置控制。

用在很多需要精确定位的地方，基本上在很多需要移动控制的地方，会用到自动控制等步进电机，3D等数字化生产，医疗和光学等很多领域。

步进电机的一个缺点是噪音大，尤其是低速时。振动主要来自两个方面，一是步进电机的步进分辨率，二是斩波和脉宽调制(PWM)带来的不良模式响应。

步进角度分辨率和细分

典型的步进电机有50极，也就是200整步，也就是每步的角度在整步中是1.8，电机旋转一次需要360。但是有些步进电机的步距角比较小，比如整个步距需要800步。

最初，这些步进电机被用作矩形图形，矢量电流以全步或半步模式提供给电机的线圈A(蓝色)和线圈B(红色)。它描述了一个完整周期内360的曲线。从图3和图4中可以明显看出，电机线圈90度换向点的线圈电流要么是全功率，要么是无电流。

在一个周期(360)中，每组线圈由4个完整的步骤或8个半步骤组成。也就是说，一台50极的步进电机需要50个电步才能完成一次机械旋转(360)。

半步或全步等低步阶分辨率模式是步进电机噪声的主要来源。它会在这个机械系统中引起很大的振动，尤其是在低速和接近机械共振频率时。高速时，只是因为惯性，这种效果会降低。电机的转子可视为谐振子或弹簧摆，如图5所示。

驱动器输出新的矢量电流后，电机转子将根据新的位置指令移动到下一个整步或半步，类似于脉冲响应。在新的位置点周围，转子会产生超调和振荡，从而导致机械振动和噪声。

为了减少这些振动，最初提出了等步细分的思想，将一整步细分为更小的部分或微步细分。典型的细分数是2(半步)、4(四分之一步)、8、32甚至更大的细分。

电机定子线圈的电流不是全电流或无电流，而是一个中间电流值，比四个四步更接近正弦波形。永磁体的转子位置在两个完整的步进位置(合成磁场位置)之间。

细分的最大数量由驱动器的模数和数模能力决定。TRINAMIC提供的驱动器和控制器可以实现256细分(8位)。通过集成正弦波配置表，步进电机可以实现非常小的角度控制，并描述其到达新位置时的波动。

斩波和脉宽调制模式

噪声和振动的另一个来源是传统的斩波模式和脉宽调制(PWM)模式。由于粗步分辨率是振动和噪声的主要因素，所以我们通常会忽略斩波和脉宽调制带来的问题。

传统的恒定PWM斩波方式是电流控制的PWM斩波方式，快衰减和慢衰减有固定的关系，电流只有达到最大值才会达到规定的目标电流，最终导致平均电流小于预期的目标电流。

在一个完整的电气循环中，当电流方向发生变化时，正弦波过零处会有一个平滑的过渡周期，这将影响线圈中的电流在一个短的过渡周期内为零，即此时电机完全没有转矩，导致电机摆动和振动，尤其是在低速时。

与恒定斩波模式相比，TRINAMIC的SpreadCycle PWM斩波模式可在慢速衰减器和快速衰减器之间自动配置迟滞衰减功能。平均电流反映的是配置的正常电流，正弦波过零点不会有过渡周期，减小了电流和转矩的波动，电流波形更接近正弦波。与传统的恒斩波方式相比，展平周期PWM斩波方式控制下的电机运行平稳。

这在电机从静止或低速到中速的过程中非常重要。

如何将步进电机完全静音？

虽然高细分在大多数情况下可以解决低频振动；先进的电流控制脉宽调制斩波模式，如TRI

NAMIC的SpreadCycle算法，这些在硬件上的作用很大程度上减少震动和颤动，这也满足了大部分的应用，也适合高速运动。

但是基于电流控制的斩波模式，还是会存在可听得见的噪音和振动，主要是由于电机线圈的不同步，检测电阻上几毫伏的调节噪音和PWM时基误差，这些噪音和振动在一些高端应用场合也是不被允许的，缓慢运行或中速运动的应用，以及任何不允许有噪音和场合。

TRINAMIC的StealthChop算法也是通过硬件来实现的，从根本上使步进电机静音，但是Stealthchop功能如何影响了步进电机？为什么电机不会出现噪音和震动？Stealthchop采用一种与基于电流斩波模式如SpeadCycle完全不同的方法。而是采用基于电压斩波模式一种新技术，该技术保证了电机的静音和平稳平滑运动。

TMC5130-一款小体积，精巧的步进电机驱动控制芯片，带有StealthChop模式。TRINAMIC改进了电压调节模式联合了电流控制。为了最大限度降低电流波动，TMC5130采用基于电流反馈来控制电压调制，这允许系统自适应电机的参数和运行电压。来自直接电流控制回路算法引起的微小震荡被消除。

StealthChop模式下过零点的效果是非常完美的：当电流的信号从正变为负或者负变为正，不会有过渡区域而是持续性的穿过零点。因为电流的调制是根据PWM占空比来控制的。

在50%的PWM占空比，电流是0，StealthChop调整PWM的占空比来调节电机电流，PWM频率是个常数，与此相反 电流控制的斩波器通过调控频率实现调节电机电流，在这里 电流的波动是比较大的，此外电流的波动会在电机的永磁体转子里产生涡流，这会导致电机的功耗损失。

这些频率变化着的PWM发出的声音是在可听范围之内的，会发出嘶嘶的声音，而且电子定子会由于磁致伸缩产生更大的噪音，进而会传递引起机械系统的震动。而StealthChop的固定斩波频率就不会有这些问题。没有斩波频率的变化 除了电机运行时候微步相序分配器的变化。

除了电机轴承钢球磨擦的声音，这是无法避免的之外，StealthChop可以驱动电机工作在极度的静音下，可以实现控制电机声音在10dB分贝以下，噪音大大低于传统的电流控制方式。我们从物理中得知 3dB分贝的减少量会将噪音程度降低一半。

对步进电机来说改变了什么？

如今步进电机还是一种十分经济的电机，已经被应用了很多年，依旧采用和原来一样的材料，一样的生产工序和装配工艺。

但是相比过去，如今步进电机被更简单的控制单元驱动，更先进的算法和更高度集成的微电子是原来的电机发挥出更大的潜能。在接近电机的驱动电路中更多的信息被获取和处理并实时在驱动电流里被处理以优化电机控制。

StealthChop便是一个完美的例子它的算法和PWM斩波紧密联系，此外这些信息还可以反馈到更高的应用控制层，而传统的步进驱动方案都是单向的（脉冲/方向），所有TRINAMIC的智能步进电机驱动方案都是双向通讯，这些接口还可以监测不同状态、诊断信息。这可以增加系统的可靠性，提供系统的性能。

StealthChop静音驱动技术非常适合3D打印、桌面型CNC、高端的CCTV、体外诊断设备、医疗检测设备等对噪音要求敏感的场合。

TRINAMIC提供带有StealthChop功能的模块，包括单轴、三轴和六轴驱控模块。传统的控制模式下步进电机在低速情况下会出现比较大的噪音和震动，而在StealthChop模式下即使速度很低也听不到明显的声音。

编辑：jq