如何正確使用步進電機的驅(qū)動，改善汽車系統(tǒng)設計中的噪聲和效率

1. 前言

步進電機又稱為脈沖電機，基于最基本的電磁鐵原理，它是一種可以自由回轉(zhuǎn)的電磁鐵，其動作原理是依靠氣隙磁導的變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。

步進電機相對于其它控制用途電機的最大區(qū)別是，它接收數(shù)字控制信號（電脈沖信號）并轉(zhuǎn)化成與之相對應的角位移或直線位移，它本身就是一個完成數(shù)字模式轉(zhuǎn)化的執(zhí)行元件。而且它可開環(huán)位置控制，輸入一個脈沖信號就得到一個規(guī)定的位置增量，這樣的所謂增量位置控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的直流控制系統(tǒng)相比,其成本明顯減低，幾乎不必進行系統(tǒng)調(diào)整。步進電機的角位移量與輸入的脈沖個數(shù)嚴格成正比，而且在時間上與脈沖同步。因而只要控制脈沖的數(shù)量、頻率和電機繞組的相序,即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、速度和方向。

步進電機在用于大燈調(diào)平和轉(zhuǎn)向的車輛照明系統(tǒng)中很受歡迎。隨著汽車制造商轉(zhuǎn)向更安靜的電動汽車，這些系統(tǒng)中的降噪變得更加重要，并且需要能夠檢測失速情況的經(jīng)過良好調(diào)整的步進電機。對于汽車照明系統(tǒng)尤其如此，其中電機需要檢測前燈的“行程結(jié)束”。

2.如何去改善電磁干擾

調(diào)整步進電機系統(tǒng)非常耗時，并且涉及與電源電壓、電機繞組電感和電阻相關(guān)的權(quán)衡。智能調(diào)諧可以通過自動選擇最佳電流調(diào)節(jié)方案并消除調(diào)諧需求，幫助工程師克服紋波控制的這些折衷。此外，反電動勢 (EMF) 感測方法提供了失速檢測功能，以減少終點站的噪音。當從電子設備到避雷器組件的電纜很長時，考慮電磁干擾 (EMI) 很重要。

在前燈和平視顯示器 (HUD) 等汽車步進電機應用中，系統(tǒng)需要知道電機是否停轉(zhuǎn)或電機是否已達到“行程終點”，以避免電機過度驅(qū)動而導致功率損失或機械噪音。

為幫助更準確地檢測堵轉(zhuǎn)條件，TI 在我們的 DRV8889-Q1 電機驅(qū)動器中實施了一種新的電流調(diào)節(jié)方案。傳統(tǒng)方案使用固定關(guān)閉時間調(diào)節(jié)。但是，紋波控制的智能調(diào)諧控制峰值 (I TRIP ) 和較低電平 (I VALLEY )之間的電流，從而產(chǎn)生可監(jiān)控的可變脈寬調(diào)制 (PWM) 關(guān)斷時間。

失速檢測算法通過監(jiān)控 PWM 關(guān)閉時間比較上升和下降電流象限之間的反電動勢，并生成一個由 8 位寄存器 TRQ_COUNT 表示的值。比較的方式是，TRQ_COUNT 值實際上與電機電流、電機繞組電阻、環(huán)境溫度和電源電壓無關(guān)。對于輕載電機，TRQ_COUNT 將是一個非零值，因為 t1 和 t2 之間的反電動勢不同，如圖 1 所示。如果電機接近失速狀態(tài)，TRQ_COUNT 將接近零，因為反電動勢在兩個象限之間是相同的。在檢測到失速情況后，系統(tǒng)控制器可以停止發(fā)送階躍信號并降低繞組電流，從而降低可聽的系統(tǒng)噪聲和功耗。

圖 1：電機反電動勢與繞組電流

隨著汽車中的線束變得更長，考慮電機驅(qū)動器中的 EMI 緩解技術(shù)非常重要。步進電機驅(qū)動器使用 PWM 技術(shù)來調(diào)節(jié)輸出電流。有兩種開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器 EMI 控制方法可以應用于電機驅(qū)動系統(tǒng)。

對于開關(guān)轉(zhuǎn)換器，壓擺率與開關(guān)噪聲滾降頻率有關(guān)。40-dB/dec 滾降頻率與驅(qū)動器的壓擺率成反比。通過將壓擺率從 100 V/μs 更改為 10 V/μs，40 dB/dec 的開關(guān)噪聲滾降頻率將提前十年，這會將噪聲降低 40 dB 并顯著提高 EMI 性能，如圖所示在圖 2 中。 DRV8889-Q1 具有四個壓擺率設置，可通過串行接口進行配置。

圖 2：EMI 噪聲與開關(guān)轉(zhuǎn)換器壓擺率

開關(guān)轉(zhuǎn)換器 EMI 噪聲是轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率及其諧波的函數(shù)。第二種方法是一種擴頻技術(shù)，它調(diào)制開關(guān)頻率并抖動 PWM 時鐘，將噪聲能量分配到其他頻率并降低峰值頻率能量。圖 3 顯示了在 DRV8889-Q1 評估模塊上啟用和禁用擴頻時鐘功能的 EMI 測試結(jié)果。

圖 3：EMI 噪聲與 12 V M 的擴頻；100V/μs 壓擺率；1/32 微步；每秒 1,000 個步進脈沖；1-A 滿量程電流和紋波控制動態(tài)衰減：啟用 (a)；和殘疾人 (b)

在汽車、HUD、發(fā)動機和摩托車應用中使用步進電機時，DRV8889-Q1 步進電機驅(qū)動器具有三個主要優(yōu)勢。紋波控制算法的智能調(diào)整會自動調(diào)整電流調(diào)節(jié)行為，以最大限度地減少系統(tǒng)中的紋波和噪聲。該算法還為您提供了一個與反電動勢成正比的值，您可以使用該值來確定前燈何時撞到限位器并最大限度地減少因超程而導致的咔嗒聲。最后，DRV8889-Q1 中集成了 EMI 對策以降低 EMI。