如何正確使用步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動，改善汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的噪聲和效率

1. 前言

步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電機(jī)，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(dǎo)的變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。

步進(jìn)電機(jī)相對于其它控制用途電機(jī)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(yīng)的角位移或直線位移，它本身就是一個(gè)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(gè)脈沖信號就得到一個(gè)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(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整。步進(jìn)電機(jī)的角位移量與輸入的脈沖個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比，而且在時(shí)間上與脈沖同步。因而只要控制脈沖的數(shù)量、頻率和電機(jī)繞組的相序,即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、速度和方向。

步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)。對于汽車照明系統(tǒng)尤其如此，其中電機(jī)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(jìn)電機(jī)系統(tǒng)非常耗時(shí)，并且涉及與電源電壓、電機(jī)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(diǎn)站的噪音。當(dāng)從電子設(shè)備到避雷器組件的電纜很長時(shí)，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(jìn)電機(jī)應(yīng)用中，系統(tǒng)需要知道電機(jī)是否停轉(zhuǎn)或電機(jī)是否已達(dá)到“行程終點(diǎn)”，以避免電機(jī)過度驅(qū)動而導(dǎo)致功率損失或機(jī)械噪音。

為幫助更準(zhǔn)確地檢測堵轉(zhuǎn)條件，TI 在我們的 DRV8889-Q1 電機(jī)驅(qū)動器中實(shí)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(shí)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(shí)間。

失速檢測算法通過監(jiān)控 PWM 關(guān)閉時(shí)間比較上升和下降電流象限之間的反電動勢，并生成一個(gè)由 8 位寄存器 TRQ_COUNT 表示的值。比較的方式是，TRQ_COUNT 值實(shí)際上與電機(jī)電流、電機(jī)繞組電阻、環(huán)境溫度和電源電壓無關(guān)。對于輕載電機(jī)，TRQ_COUNT 將是一個(gè)非零值，因?yàn)?t1 和 t2 之間的反電動勢不同，如圖 1 所示。如果電機(jī)接近失速狀態(tài)，TRQ_COUNT 將接近零，因?yàn)榉措妱觿菰趦蓚€(gè)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(jī)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(jī)驅(qū)動器中的 EMI 緩解技術(shù)非常重要。步進(jìn)電機(jī)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(yīng)用于電機(jī)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(gè)壓擺率設(shè)置，可通過串行接口進(jìn)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(kuò)頻技術(shù)，它調(diào)制開關(guān)頻率并抖動 PWM 時(shí)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(kuò)頻時(shí)鐘功能的 EMI 測試結(jié)果。

圖 3：EMI 噪聲與 12 V M 的擴(kuò)頻；100V/μs 壓擺率；1/32 微步；每秒 1,000 個(gè)步進(jìn)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(jī)和摩托車應(yīng)用中使用步進(jìn)電機(jī)時(shí)，DRV8889-Q1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器具有三個(gè)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(gè)與反電動勢成正比的值，您可以使用該值來確定前燈何時(shí)撞到限位器并最大限度地減少因超程而導(dǎo)致的咔嗒聲。最后，DRV8889-Q1 中集成了 EMI 對策以降低 EMI。