降低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。

步进电机有慎重的位置，转子可以移动到。由于转子惯性的影响，步进电机在进行一次步进时，会有轻微的超调，在到达目标点之前发生振荡。当电机连续运动时，转子的振荡就会产生一个频率。频率一旦与电机固有频率匹配，振荡就会变成共振，产生噪声。当共振超过定子和转子之间的磁场时，电机很可能失去同步。电机谐振频率可由下式模型表示:

其中K为转矩刚度，J为惯性。通过调整参数，可以减少电机振动。下面就简单介绍几种减振方法以及它们是如何消减共振的。

有许多方法可以避免共振:简单地改变操作速度或微步进。下面的列表概述了不同的降低共振的方法。一般来说，改变电机运行参数是避免共振的首选方法，因为这些方法容易实现。

电动机操作:

• 尝试不同的操作速度
• 分析
• 当前变化（如果客户可以牺牲电动机扭矩输出）
• 实施机械阻尼器
• 改变负荷惯量

电机物理参数：

• 改变电机电感
• 改变转子惯性
• 换机器气隙
• 实施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

在一定的电机运行速度下，通常会发生共振。当运行速度匹配共振速度时，会发生振动，从而影响电机性能。避免共振最简单的方法就是改变运行速度，这样电机就不会触及其谐振点。

2.细细步骤尺寸下微步进减少振荡

步进电机中的线圈将以谨慎通电，因此电动机的转子倾向于过冲，由于快速的通量变化。通过将激励能量降低到线圈，微踩踏可以更平滑地移动定子磁通量。这导致较少的振动和较少的噪音，并且将消除谐振。

微踩踏不仅是减少共振的好方法，也可用于提高步进电机的主体精度。

3.减小电流以减小扭矩刚度（dτ/dθ）

输入电流越小，电机产生的转矩越小。因此，将产生更少的能量来移动转子(即降低dτ/dθ，扭矩刚度)。许多低速应用程序将运行得更顺畅。

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，快速衰减将减少振动和共振。当驱动器切换电流方向时，电流将以瞬态方式衰减，并且残留电流会干扰设置到另一个方向的电流。慢电流衰减将导致更大的扭矩纹波，因此，将发生更多的振动。

电流快速衰减，可以消除电机驱动器发出的两个电流信号之间的干扰，减少电机运行时的振动。

图1.电机驱动程序的当前信号（源：https://pdfs.semanticscholar.org/b7e7/19ca9630dfedf7362c46b2a3b099fe2bb6ee.pdf）

5.增加电感将使谐波的频率降低

当电动机运行时，谐振将引起交流电流进入电机绕组，交流电流会干扰通过绕组的直流电流。通过增加电感，电动机绕组能够抵消谐振，或频率变化谐振。

6.实现两相开启的R绕组

图2. R绕组的相图（取自专利US6969930出版物）

对于混合动力步进电机，定子有两个阶段。绕组线圈彼此相距90°。对于传统的步进电机绕组，每个步骤的相位角为45°：0°，45°90°，135°，180°，225°，270°，315°。当两个阶段彼此均为45°时，A和B阶段都均开启。当两个阶段分开90°时，只有一相会。由于一个相对模式和两个相位上的一个相对模式的电流分布不同，因此这两种模式的稳定时间是不同的。由于每个步骤期间的稳定时间不均匀，可能会发生共振。

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 -绕线装置(摘自专利US6969930)

R缠绕由Ted Lin发明(美国专利号6969930)。r绕组电机每极有两个线圈，每个线圈有不同的匝数。这两组电线是相互串联的，但第一线圈的末端连接到第二线圈的末端。这种设计允许电机相位转换22.5度，从而减少电机噪音和振动。

7.实现或用于

图4. T-Connection的绕组设置（取自专利US6597077B2出版物）

t型连接也迫使电机始终有两相打开。t型连接的结果与r型连接相似:两相连接可以减小振动。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型连接可以提供串联和并联连接之间的性能水平:低速时扭矩比并联高，高速时扭矩输出比串联高。

8.增加阶段的数量

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。

2相电机有8个磁极，而5相电机有10个极。5相电动机每相具有2个极，因此转子将移动1/10齿间距以与下一阶段排列。结果，5相电动机每转有500步和每一步0.72°。因此，较高的旋转分辨率需要较少的激发能量来旋转转子，因此较少地过冲。

如果实施微踩踏，则5相电动机可以以更精细的分辨率运行，并且振动将大大降低。

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添加额外的惯性，并有助于吸收振动并提供稳定的阻尼效果。法兰安装也可以吸收振动。

2.调整转子惯性

电动机共振可以通过关系来确定，其中K为扭矩刚度，J为惯性。谐振范围可能会由于负载惯性的阻尼作用而改变。通过改变材料、尺寸来调节转子惯性。更长的转子长度)，或设计(如“汽车车轮”空心轴设计如图4所示)，我们可以改变谐振点，以减少振动。

图6.“汽车轮”设计。

3.调整气隙以增加或减少扭矩刚度

转子与定子齿之间的气隙与电机能产生的转矩量有关。通过改变气隙距离，可以调节电机的转矩刚度。因此，我们可以移动谐振点来避免振动。

4.更换负载惯量

惯性是加速或减速的物体的阻力。如果电动机有负载，类似于机械阻尼器，则转子惯性将大大，并且振荡将大大降低。