如何正确使用步进电机的驱动，改善汽车系统设计中的噪声和效率

1. 前言

步进电机又称为脉冲电机，基于最基本的电磁铁原理，它是一种可以自由回转的电磁铁，其动作原理是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。

步进电机相对于其它控制用途电机的最大区别是，它接收数字控制信号（电脉冲信号）并转化成与之相对应的角位移或直线位移，它本身就是一个完成数字模式转化的执行元件。而且它可开环位置控制，输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量，这样的所谓增量位置控制系统与传统的直流控制系统相比,其成本明显减低，几乎不必进行系统调整。步进电机的角位移量与输入的脉冲个数严格成正比，而且在时间上与脉冲同步。因而只要控制脉冲的数量、频率和电机绕组的相序,即可获得所需的转角、速度和方向。

步进电机在用于大灯调平和转向的车辆照明系统中很受欢迎。随着汽车制造商转向更安静的电动汽车，这些系统中的降噪变得更加重要，并且需要能够检测失速情况的经过良好调整的步进电机。对于汽车照明系统尤其如此，其中电机需要检测前灯的“行程结束”。

2.如何去改善电磁干扰

调整步进电机系统非常耗时，并且涉及与电源电压、电机绕组电感和电阻相关的权衡。智能调谐可以通过自动选择最佳电流调节方案并消除调谐需求，帮助工程师克服纹波控制的这些折衷。此外，反电动势 (EMF) 感测方法提供了失速检测功能，以减少终点站的噪音。当从电子设备到避雷器组件的电缆很长时，考虑电磁干扰 (EMI) 很重要。

在前灯和平视显示器 (HUD) 等汽车步进电机应用中，系统需要知道电机是否停转或电机是否已达到“行程终点”，以避免电机过度驱动而导致功率损失或机械噪音。

为帮助更准确地检测堵转条件，TI 在我们的 DRV8889-Q1 电机驱动器中实施了一种新的电流调节方案。传统方案使用固定关闭时间调节。但是，纹波控制的智能调谐控制峰值 (I TRIP ) 和较低电平 (I VALLEY )之间的电流，从而产生可监控的可变脉宽调制 (PWM) 关断时间。

失速检测算法通过监控 PWM 关闭时间比较上升和下降电流象限之间的反电动势，并生成一个由 8 位寄存器 TRQ_COUNT 表示的值。比较的方式是，TRQ_COUNT 值实际上与电机电流、电机绕组电阻、环境温度和电源电压无关。对于轻载电机，TRQ_COUNT 将是一个非零值，因为 t1 和 t2 之间的反电动势不同，如图 1 所示。如果电机接近失速状态，TRQ_COUNT 将接近零，因为反电动势在两个象限之间是相同的。在检测到失速情况后，系统控制器可以停止发送阶跃信号并降低绕组电流，从而降低可听的系统噪声和功耗。

图 1：电机反电动势与绕组电流

随着汽车中的线束变得更长，考虑电机驱动器中的 EMI 缓解技术非常重要。步进电机驱动器使用 PWM 技术来调节输出电流。有两种开关电源转换器 EMI 控制方法可以应用于电机驱动系统。

对于开关转换器，压摆率与开关噪声滚降频率有关。40-dB/dec 滚降频率与驱动器的压摆率成反比。通过将压摆率从 100 V/µs 更改为 10 V/µs，40 dB/dec 的开关噪声滚降频率将提前十年，这会将噪声降低 40 dB 并显着提高 EMI 性能，如图所示在图 2 中。 DRV8889-Q1 具有四个压摆率设置，可通过串行接口进行配置。

图 2：EMI 噪声与开关转换器压摆率

开关转换器 EMI 噪声是转换器开关频率及其谐波的函数。第二种方法是一种扩频技术，它调制开关频率并抖动 PWM 时钟，将噪声能量分配到其他频率并降低峰值频率能量。图 3 显示了在 DRV8889-Q1 评估模块上启用和禁用扩频时钟功能的 EMI 测试结果。

图 3：EMI 噪声与 12 V M 的扩频；100V/µs 压摆率；1/32 微步；每秒 1,000 个步进脉冲；1-A 满量程电流和纹波控制动态衰减：启用 (a)；和残疾人 (b)

在汽车、HUD、发动机和摩托车应用中使用步进电机时，DRV8889-Q1 步进电机驱动器具有三个主要优势。纹波控制算法的智能调整会自动调整电流调节行为，以最大限度地减少系统中的纹波和噪声。该算法还为您提供了一个与反电动势成正比的值，您可以使用该值来确定前灯何时撞到限位器并最大限度地减少因超程而导致的咔嗒声。最后，DRV8889-Q1 中集成了 EMI 对策以降低 EMI。