Шумоподавление в шаговых двигателях

Уровень шума в двигателе зависит от типа двигателя, условий окружающей среды и конкретного применения. Двигатели с постоянными магнитами и гибридные шаговые двигатели, как правило, тише, так как они имеют более стабильное вращение. И наоборот, шаговые двигатели с переменным сопротивлением являются самыми шумными, независимо от приложения, в котором они используются.

Чтобы лучше понять происхождение шума, нам нужно понять, как происходит вращательное движение. Когда шаговый двигатель выполняет шаг, он не останавливается сразу, а продолжает немного двигаться вперед и назад, прежде чем полностью остановится. Этого эффекта можно избежать, приняв специальную логику управления в драйвере двигателя. Во время работы двигателя драйвер формирует следующий шаг не дожидаясь, остановки ротора двигателя после предыдущего шага, что помогает снизить как шум, так и вибрацию.

Следует также отметить, что каждый шаговый двигатель имеет резонансную частоту, которая обычно проявляется, когда двигатель движется со скоростью от 150 до 300 шагов в секунду. Многие конструкторы стараются избегать этого диапазона рабочих скоростей, чтобы свести к минимуму как шум, так и вибрацию. Установка редукторов соответствующей конструкции и размера может помочь уменьшить вибрацию.

 

Методы шумоподавления

 Большинство шаговых двигателей управляются сигналом с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), который постоянно вызывает переключение H-моста между состояниями «включено» и «выключено», тем самым регулируя ток, питающий двигатель. Схемы драйверов, основанные на этом методе, обычно называют драйверами прерывателя, потому что они питают обмотки двигателя постоянным током, прерывая выходное напряжение в соответствии с формой сигнала ШИМ.

В отличие от метода L/R, который вместо этого обеспечивает поддержание постоянного напряжения, подаваемого на обмотки, прерывание тока имеет рядом преимуществ, поскольку является очень эффективным, компактным и экономичным решением, выделяющим небольшое количество тепла.

Особенностью применения модулированного сигнала, подаваемого на шаговый двигатель, является возможность генерации звукового сигнала, особенно если частота ШИМ попадает в звуковой диапазон. Экспериментально действительно несложно проверить, как шаговый двигатель может генерировать шум, даже когда он остановлен или удерживает заданное положение. Данное явление происходит в основном при частотах переключения ниже 20 кГц. Таким образом, можно сделать вывод, что первым способом снижения шума является увеличение частоты переключения. Большинство драйверов прерывателя позволяют увеличить частоту коммутации путем изменения значения внешнего резистора или конденсатора. Эффект заключается в изменении длительности выключенного состояния ШИМ-сигнала, используемого для регулирования тока. Чем короче эта продолжительность, тем выше частота переключения.

Однако увеличивать частоту возможно тоже не до бесконечности, поскольку выше определенного предела потери переключения также увеличиваются. Подходящим значением частоты переключения может быть от 30 до 50 кГц. Также можно уменьшить ток, подаваемый на обмотки двигателя. Меньший ток означает, по сути, снижение вибрации и, следовательно, шума.

Побочным эффектом является уменьшения крутящего момента, который, если он слишком мал, может вызвать пропуск шагов во время работы. Поскольку двигатель управляется в разомкнутом контуре, на двигатель необходимо подавать ток, достаточный для гарантированного обеспечения поворота двигателя. Снизить энергопотребление не теряя эффективности возможно за счет снижения величины тока в периоды, когда двигатель остановлен.

Обычно ток, необходимый двигателю для поддержания положения, значительно ниже, чем ток, необходимый для ускорения или движения двигателя с постоянной скоростью. Практически все драйверы шаговых двигателей позволяют устанавливать значение тока путем изменения аналогового опорного напряжения VREF. Ток отключения, ITrip, зависит как от внешнего резистора RSENSE, так и от опорного напряжения VREF.

Если требуется дополнительное снижение шума, двигатель может работать в режиме медленного затухания вместо режимов быстрого или смешанного затухания. Этот режим минимизирует пульсации управляющего тока, уменьшая шум и повышая эффективность драйвера. Однако режим медленного затухания не всегда является лучшим решением, особенно если вы хотите использовать технику микрошага.

 

Драйверы шаговых двигателей

 Встроенные драйверы обеспечивают простую настройку и расширенные функции управления для любого типа применений. Интегрированный энкодер делает шаговые двигатели применимые для приложений с синхронизации положения.

Рисунок 1: Блок-схема A3982 (Изображение: Allegro MicroSystems)

 

Allegro MicroSystems, лидер в разработке и производстве драйверов щеточных двигателей постоянного тока и шаговых двигателей. Компания предлагает широкий ассортимент безопасных и надежных решений со встроенными ключами на полевых МОП-транзисторах. Allegro A3982 — полноценный драйвер шагового двигателя со встроенным преобразователем для простоты эксплуатации, подходящий для приложений с низким и высоким энергопотреблением.

Allegro A3982 — предназначен для работы шаговых двигателей в полношаговом и полушаговом режимах, драйвер может обеспечить выходной сигнал до 35 В и ±2 А. Режим затухания тока (медленный или смешанный) можно выбрать, подав сигнал на STEP входной контакт, как показано на блок-схеме на рисунке 1.

В смешанном режиме управление прерыванием изначально настроено на быстрое затухание в течение периода, составляющего 31,25% фиксированного времени отключения, а затем на медленное затухание в течение оставшегося времени отключения. Схема управления затуханием тока приводит к уменьшению шума двигателя, повышению точности шага и уменьшению рассеиваемой мощности.

Функция транслятора значительно упрощает систему управления двигателем. При подаче одного импульса на входной контакт STEP двигатель перемещается на один шаг. Никаких таблиц чередования фаз или высокочастотных линий управления не требуется, что делает A3982 применимым для приложений, в которых головной микроконтроллер имеет ограниченную вычислительную мощность.

Toshiba Electronic Devices and Storage Corp. также предлагает широкий выбор драйверов шаговых двигателей. Устройства TB67S128/249/279/289 оснащены запатентованной технологией Active Gain Control (AGC). AGC динамически регулирует управляющий ток шагового двигателя, чтобы обеспечивать высокий крутящий момент, восстанавливая нормальное значение тока в режиме реального времени и в схемах без обратной связи.

 

Рисунок 2: Типовое применение драйвера двигателя TB67S128 (Изображение: Toshiba)

 

Устройства TB67S128/249/279/289FTG обеспечивают 5,0 А, 4,5 А, 2,0 А и 3,0 А соответственно при рабочем напряжении двигателя от 10 до 42 В. Драйверы также поддерживают 32-шаговые и 128-шаговые микрошаги, что делает их подходящими для широкого спектра приложений промышленного точного управления двигателями (рис. 2).

Вывод

Шаговые двигатели имеют простую конструкцию и просты в управлении. В качестве цифрового электронного компонента шаговые двигатели широко используются во многих системах управления без обратной связи. Однако у них есть недостаток в отношении шума, который влияет на общую производительность и применимость. Шум и возникающие резонансы происходят в основном из цепи возбуждения и из-за механических особенностей конструкции. Чтобы добиться плавного движения, инженеры прибегают к методам изменения напряжения, тока и, а также изменяют настройку микрошага.

 

Источник: www.eetimes.eu