减少步进电机共振的解决方案

每个步进电机都有一个共振点，有时电机振动会影响电机性能和电机寿命。了解消除电机振动的可能解决方案非常重要。

步进电机具有转子可以移动到的谨慎位置。由于转子惯性，当步进电机进行一步时，它将在它获得目标点之前略微略微振荡其目标。当电机连续移动时，转子的振荡将带有频率。一旦频率与电机固有频率匹配，振荡将变为共振并导致噪音。当谐振过度时，在定子和转子之间的磁场，电机可能会失去同步。电机共振频率可以是以下等式的型号：

其中k是扭矩刚度，j是惯性。通过调整参数，我们可以降低电机振动。以下是简要介绍减振方法以及它们如何切断共振。

有很多方法可以避免共振：只需改变操作速度或微踩踏。以下列表概述了不同的谐振方法。一般来说，改变电机操作参数是避免共振的首选，因为这些方法易于实现。

电机操作：

• 尝试不同的操作速度
• 微踏步
• 电流变化(如果客户可以牺牲电机转矩输出)
• 实现机械阻尼器
• 改变负荷惯量

电动机物理参数:

• 改变电机电感
• 改变转子惯性
• 改变电机气隙
• 实现R绕组，T连接

每个方法的更详细说明可以如下找到：

电气设置

1.避免靠近或谐振频率的换向

共振通常会发生在某些电机操作速度。当运行速度匹配谐振速度振动时，会发生电动机性能将受到影响。最简单的避免共振的方法可以简单地改变操作速度，因此电机不会击中其共振点。

2.细细步骤尺寸下微步进减少振荡

由于步进电机的线圈是离散通电的，因此由于磁链的快速变化，电机的转子容易超调其位置。微步进通过降低线圈的激励能量，使定子磁链运动更平稳。这样可以减少振动和噪音，消除共振。

微步进不仅是一种降低谐振的好方法，还可用于提高步进电机的定位精度。

3.减小电流以减小扭矩刚度(dτ/dθ)

电机将产生较低电流输入的扭矩。结果，将产生较少的能量来移动转子（即，下部Dτ/Dθ，扭矩刚度）。许多低速应用程序将运行更平滑。

但是，减少电机的电流输入将导致扭矩输出的减少。当电动机有足够的扭矩余量时，该方法将工作。

4.调整驱动器电流衰减参数

通常情况下，快速的电流衰减会减少振动和共振。当驱动器切换电流方向时，电流会短暂衰减，剩余电流会干扰另一个方向的电流。电流衰减缓慢会引起更多的转矩脉动，因此会产生更多的振动。

快速电流衰减可以消除电机驱动器发送的两个电流信号之间的干扰，并在电机操作期间减少振动。

图1所示。电机驱动电流信号(来源:https://pdfs.semanticscholar.org/b7e7/19ca9630dfedf7362c46b2a3b099fe2bb6ee.pdf)

5.增加电感将使谐波的频率降低

电机运行时，谐振会将交流电感应到电机绕组中，交流电会干扰通过绕组的直流电。通过增加电感，电机绕组将能够抵消谐振，或在频率上转移谐振。

6.用两个阶段实施R绕组

图2。r -绕组相图(摘自专利US6969930出版物)

对于混合步进电机，定子有两相。绕组线圈之间的距离为90°。对于传统的步进电机绕组，每步相位角以45°为增量:0°、45°90°、135°、180°、225°、270°、315°。当两相距离45°时，A相和B相都在。当两相相距90°时，只有一相能通电。由于一相上模和两相上模的电流分布不同，因此两种模式的稳定时间也不同。由于每个步骤的沉降时间不均匀，容易发生共振。

r绕组可以通过在下降新的相位角在：22.5°，67.5°，112.5°，157.5°，202.5°，247.5°，292.5°，337.5°。随着两个阶段，驾驶员将不会仅将100％的电流供应到一个阶段。两个阶段都可以使每个步骤相同的沉降时间，结果减少了共振。

图3. R绕组的绕组设置（取自专利US6969930出版物）

R绕组由TED LIN发明（U.S专利No.6969930）。R绕组电机每极有两个线圈，每个线圈具有不同的转弯。这两组线彼此缠绕串联，但是第一线圈的端部连接到第二线圈的端部。这种设计允许电机相位偏移22.5度，这导致电动机噪声和振动降低。

7.实施T-Connection

图4。t连接的绕线设置(摘自专利US6597077B2出版物)

T-Connection还强制电机始终有两个阶段。T型连接的结果类似于r绕组：两个阶段都可以减少振动。此外，T型连接的电感水平落在串联和并联连接之间。因此，T连接可以提供串联连接和并联连接之间的性能水平：低速比较与并联连接的更高扭矩，高速比较与串联连接相比的更高扭矩输出。

8.增加相的数量

具有更多相的电动机将具有较小的步进角，类似于微步进，具有更多相的电动机可以减少激发能量来旋转转子。随着励磁能量减小，将消除共振。

两相电机为8极，五相电机为10极。5相电机有2极每相，所以转子将移动1/10的齿距与下一相对齐。因此，五相电机每转500步，每步0.72°。更高的旋转分辨率需要更少的励磁能量来旋转转子，因此，转子的超调量更少。

如果采用微步进，五相电机的运行分辨率会更高，振动也会大大降低。

机械阻尼

1.安装机械阻尼器

图5. NEMA 23机械阻尼器。

电机轴上的机械阻尼器可以在轴上增加额外的惯性，有助于吸收振动，提供稳定的阻尼效果。法兰座也可以吸收振动。

2.调节转子惯性

运动共振可以由这种关系来决定，其中k扭矩刚度和j是惯性。由于负载惯性的阻尼效果，共振范围可能会发生变化。通过改变材料调节转子惯性，尺寸（例如，转子长度较长），或设计（如图4所示的“车轮”空心轴设计，我们可以将共振点转移以减小振动。

图6。“轮毂”设计。

3.调节气隙以增加或减小扭矩刚度

转子和定子齿之间的气隙与电动机可以产生的量扭矩有关。通过改变气隙距离，我们可以调节电动机的扭矩刚度。结果，我们可以转换共振点以避免振动。

4.更换负载惯量

惯性是物体加速或减速时的阻力。如果电机上有负载，类似于机械阻尼器，转子惯性将会大得多，振荡将会大大减少。