混合式步进电机静音细分驱动器及其应用

覃庆国

摘要：混合式步进电机能够在无速度传感器中，具有较强的开环控制效果，但在运行时因自身步进的特点，会产生较强的噪音，难以满足对于噪音控制要求较高的领域。需要技术人员在理论分析的基础上，优化对细分驱动器的设计，采用不同降低噪音的手段，改善步进电机的运行效果。鉴于此，本文围绕混合式步进电机的运行和实验，简述了混合式步进电机的工作原理，分析了三种细分驱动器静音功能的实现方法，针对静音细分驱动器进行了调试和运行实验，阐述了在微量注射泵中的应用情况。

关键词：混合式；步进电机；静音细分驱动器；应用；工作原理

引言

步进电机属于能够将脉冲信号转化为线或角位移的增量式电机，能够直接运用数字信号开展开环控制工作，由于驱动装置的系统具有运行稳定、成本较低、维护便捷等优势，在家用电器、工厂自动化等方面得到了普及。但传统的混合式步进电机在运行时会产生较大噪音，不利于电机使用范围的扩大。因此，技术人员应当致力于在电机中应用静音细分驱动器的研究，采取多种方法提高驱动器的性能，缓解电机运行时产生的噪音。

1混合式步进电机的工作原理

混合步进电机集成了反应式与永磁式电机的各项优势，具有输出力矩大、运行效率高、动态性能好、步距角度小等特点，在相关领域中的应用较为广泛。混合式步进电机带有径向和轴向励磁源，在定子位置上会安装励磁绕组，在转子位置上会安装永磁磁钢，定转子上带有小齿。在定子不通电时，电机不会产生电磁转矩，而在某相定子通电之后，此相的磁极便会在电磁作用下，转到同转子齿轴线一致的位置上，相邻的转子轴线、定子磁极会错开一定的角度，在下一相通电后，转子则会在电磁作用下转到同通电相定子磁极与齿轴线重合的位置，能够经由向混合式步进电机各相交替通入电流的方式，完成步进转动的任务。步进角度大小只会同各齿之间的夹角有关，说明在确定步进电机结构后，步进角度便会被同步确定[1]。

2混合式步进电机细分驱动器的静音功能实现方法

由于步进电机产生噪音的原因相对复杂，若使用单一性的措施开展噪音抑制工作将难以获得理想的成效，决定了在混合式步进电机静音细分驱动器的设计中，应当按照噪音的来源进行静音功能实现方法的优选，达到降低噪音量的目的。

2.1增加电机的电流细分数，降低步进角度

降低步进电机切向电磁噪音的首要方法为降低电机运行的步进角度，因工艺等方面对步进角度带来的限制，便要在控制方法上做好文章。对于步进电机进行连续正弦电流的通电，在运行方法上会与同步电机具有较多相似之处，在细分驱动器可以不转变步进电机结构的条件下，可以让电机在实际运行中的步距角度有所降低，说明通入细分数无穷大的拟正弦波时，便能达到同步电机的水平，实现噪音量降低的目标，证实了其中需要考虑到的关键问题是增加电机的电流细分数。由于微控制器自身的储存空间、运算速度相对有限，使用即时计算细分电流的方法，容易出现微控制器正弦运算速度较慢的问题，此时可考虑选用事先计算细分电流再存入到存储模块中的方法，在电机运行之时在将电流值从存储器中进行读取，可以起到提升运算速度的作用。但驱动器应当具备多级别的细分可选性，每一级别细分电流都存入到存储器后，在运行中只有某一级别的电流会被使用，使得存储空间出现了浪费，或细分数未能处于最大值状态，说明解决细分存储空间浪费的问题，是增加电机电流细分数的关键[2]。

2.2使电机远离共振区或加装阻尼模块

电机的谐波频率或者运行频率同定子的固有频率一致的情况下，便会发生共振现象。要求步进电机的运行要最大限度上原理共振区域。在电机的启动、停止运行的加速和减速中，应该对加减速曲线进行完善设计，让加速和减速能够以最快速度通过共振区域。在电机有在共振区域附近运行的要求时，便要为电机加装阻尼模块。

2.3减少绕组的谐波电流

降低电机在运行中出现的转矩波动同样是实现静音功能的可行之计，因电机转矩来源于电流的缘故，若电流不存在谐波则转矩不会出现波动，证实了减少绕组中谐波电流的可行性。可在绕组中加入滤波装置，使谐波引起的电磁噪音有所减少，而为了让绕组的合成电流尽可能接近于正弦波，便要对步进电机的两相绕组电流加以分析，关注绕组电流波形、绕组位置等因素。PWM开关频率较高，容易产生较高频率的谐波，同时由于步进电机的脉冲控制特性，在两个控制脉冲间的电流不会受到控制，同样会存在相当量的谐波，应当在减少绕组谐波电流工作中有所顾忌。

3混合式步进电机静音细分驱动器的应用

3.1调试和运行实验

某型号的混合式步进电机静音细分驱动器中使用了STM32F103和CEPARK开发板，其中包括电源、功率电路、光耦隔离、绕组滤波、信号调理、电流检测等模块，用于实验的驱动器实验平台主要由静音驱动器设备、混合式步进电机、示波器、稳定电源组成。实验用的电机型号为42BYGH101，属于两项混合步进电机，步进角度为0.9°～1.8°，额定电流和电压分别为1.7A、12V～48V。示波器选用带宽100kHz、时基精度50ppm，能够接收双通道输入信号的种类。而稳定电源则为四路可以提供5V、12V、18V、25V的直流电源。

让静音驱动器分别在CP脉冲频率1kHz时，以及测试细分数按照0细分、2细分、4细分、8细分的标准运行。在0细分时，电流波形会更加接近三角波，而伴随细分数的增加，电流波形则会更加接近正弦波。8细分的情况下，经过示波器观测到的电流波形与正弦波较为类似，而在高细分数之时，波形会更加平滑，说明静音功能有所发挥，此时示波器观测到的波形变化较小。在驱动器细分数增加是能够明显发现噪音量的下降，驱动器在256细分和接上绕组滤波电路时，驱动器在运行时的振动、噪音量均相对较小。

3.2在微量注射泵中的应用

医疗机构中的输液工作通常以患者输液位置和悬挂吊瓶的高度差为核心，在药液重力作用下注入患者体内的方式予以完成，缺点为患者行动不便、输液精度难以得到保障。而微量注射泵则是一种能够精准控制输液量和速度的装置，带有参数设置、智能输液、故障警报等多种功能，结构上包括步进电机、泵装置、检测电路、电机驱动板、主控制板、人机界面6个部分[3]。

实验分别对于未使用和已使用静音驱动器的微量注射泵产生噪音情况加以测试，CP脉冲频率为1kHz，测试细分数按照0细分、2细分、4细分、8细分的标准进行，驱动器的功率板4路PWM输出分别和微量注射泵中的步进电机两项绕组加以连接。注射泵外壳通常带有屏蔽作用，人耳感知到的运行噪音比独立测试驱动器时更低，不会让测试者产生听觉不良的问题。应用了静音驱动器后，可以显著缓解步进电机产生的噪音问题，应用前景较为广阔。

结束语：

综上所述，混合式步进电机的细分驱动器具有提升电网环境适应度、控制简单、运行优良的优势，拥有较强的工程应用价值，但在运行时会产生一定的噪音。因此，技术人员要加强对静音细分驱动器在混合式步进电机中应用的研究，从多个角度解决噪音问题，提升电机在现实生活中的应用规模。

参考文献：

[1]郝欣伟,袁皓,刘云秋,翟志强.两相混合式步进电机细分驱动器设计[J].电子世界,2019(02):113-115.

[2]蔡洪宝,侯远龙,高强.基于TC1002的两相混合式步进电机细分驱动器设计[J].机械制造与自动化,2017,46(03):216-219.

[3]朱桦,张中炜,袁振.基于STM32F103RB的两相混合式步进电机细分驱动器设计[J].电子设计工程,2012,20(10):119-122.