【东佑达机器人】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隐蔽位置。由于转子惯性，当步进电机迈出一步时，它会在到达目标点之前稍微过冲目标并振荡。当电机连续运转时，转子的振荡会带有一定的频率。一旦频率与电机固有频率相匹配，振荡就会变成共振并产生噪音。当共振超过定子和转子之间的磁场时，电机可能会失去同步。电机谐振频率可以通过以下等式建模：

其中 K 是扭矩刚度，J 是惯性。通过调整参数，我们可以减少电机振动。下面简要介绍减振方法以及它们如何消除共振。

避免共振的方法有很多：只需改变运行速度或微步进即可。以下列表概述了不同的共振降低方法。一般来说，改变电机运行参数是避免共振的首选，因为这些方法很容易实现。

电机操作：

• 尝试不同的运行速度

• 微步进

• 电流变化（如果客户可以牺牲电机扭矩输出）

• 实施机械阻尼器

• 改变负载惯量

电机物理参数：

• 改变电机电感

• 改变转子惯量

• 改变电机气隙

• 实现R绕组，T接法

每种方法的更详细说明如下：

电气设置

1. 避免接近或以谐振频率换向

共振通常发生在一定的电机运行速度下。当运行速度与共振速度匹配时，会发生振动，从而影响电机性能。避免共振的最简单方法是简单地改变运行速度，这样电机就不会达到共振点。

2. 更精细步长的微步可减少振荡

步进电机中的线圈将离散地通电，因此电机的转子会由于磁通量的快速变化而趋于过冲。通过减少线圈的激励能量，微步进可以更平稳地移动定子磁通。这样可以减少振动和减少噪音，并消除共振。

微步进不仅是减少共振的好方法，还可以用来提高步进电机的定位精度。

3.降低电流以降低扭矩刚度（dτ/dθ）

电机会以较低的电流输入产生较小的扭矩。因此，将产生较少的能量来移动转子（即较低的 dτ/dθ，扭矩刚度）。许多低速应用程序将运行更顺畅。

但是，减少输入到电机的电流会导致扭矩输出减少。当电机有足够的扭矩裕度时，此方法将起作用。

4.调整驱动电流衰减参数

很多时候，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，电流会以瞬态方式衰减，剩余电流会干扰设置到另一个方向的电流。缓慢的电流衰减会导致更大的转矩脉动，因此会发生更多的振动。

快速电流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. 来自电机驱动器的电流信号（来源：https://pdfs.semanticscholar.org/b7e7/19ca9630dfedf7362c46b2a3b099fe2bb6ee.pdf）

5. 增加电感会使谐波频率降低

电机运行时，谐振会在电机绕组中感应出交流电流，交流电流会干扰流过绕组的直流电流。通过增加电感，电机绕组将能够抵消谐振，或降低谐振频率。

6. 实现两相 R 绕组

图 2. R 绕组的相图（取自专利 US6969930 出版物）

对于混合式步进电机，定子有两相。并且绕组线圈彼此相距90°。对于传统的步进电机绕组，每步的相位角以 45° 为增量：0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°。当两相相角为 45° 时，A 相和 B 相都导通。当两相相隔 90° 时，只有一相会开启。由于一相开启模式和两相开启模式的电流分布不同，这两种模式的建立时间不同。由于每一步的稳定时间不均匀，可能会发生共振。

R 绕组可以通过将新的相位角置于以下位置来消除 1 相导通位置：22.5°、67.5°、112.5°、157.5°、202.5°、247.5°、292.5°、337.5°。在两相始终开启的情况下，驱动器不会仅向一相提供 100% 的电流。开启两个相位可以使每个步骤的稳定时间相同，从而减少共振。 

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（美国专利号 6969930）。R绕组电机每极有两个线圈，每个线圈的匝数不同。这两组导线彼此串联缠绕，但第一个线圈的末端连接到第二个线圈的末端。这种设计允许电机相位偏移 22.5 度，从而降低电机噪音和振动。

7.实现T型连接

图 4. T 形连接的绕组设置（取自专利 US6597077B2 出版物）

T 型连接还强制电机始终开启两相。T 型连接的结果类似于 R 型绕组：两相都打开可以减少振动。此外，T 型连接的电感水平介于串联和并联之间。因此T型连接可以提供串联和并联之间的性能水平：与并联相比，低速扭矩更高，与串联相比，高速扭矩输出更高。

8. 增加相数

相数越多的电机步距角越小，类似于微步进，相数越多的电机可以减少励磁能量来旋转转子。随着激发能量的减少，共振将被消除。

2相电机有8个磁极，而5相电机有10个磁极。5 相电机每相有 2 个极，因此转子将移动 1/10 齿距以与下一相对齐。因此，5 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，因此转子的过冲更少。

如果实现微步进，五相电机可以以更精细的分辨率运行，并且振动将大大减少。

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增加轴上的额外惯性，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.调整转子惯量

电机共振可以通过以下关系确定，其中 K 扭矩刚度，J 是惯性。由于负载惯性的阻尼效应，共振范围可能会发生变化。通过改变材料、尺寸（例如更长的转子长度）或设计（如图 4 所示的“车轮”空心轴设计）来调整转子惯量，我们可以移动共振点以减少振动。

图 6.“车轮”设计。

3.调整气隙以增加或减少扭矩刚度

转子和定子齿之间的气隙与电机可以产生的扭矩量有关。通过改变气隙距离，我们可以调整电机的扭矩刚度。因此，我们可以移动共振点来避免振动。

4.改变负载惯量

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

本文作者：Zoe Li，应用工程师