電機(jī)振動(dòng)大的原因及處理
電機(jī)振動(dòng)問題會(huì)影響設(shè)備性能和使用壽命。由于所有步進(jìn)電機(jī)都存在固有共振頻率，因此需在設(shè)備設(shè)計(jì)初期采取針對(duì)性措施來消除振動(dòng)隱患。電機(jī)振動(dòng)大的原因：步進(jìn)電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)特性會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生微量位移偏差。當(dāng)轉(zhuǎn)子在慣性作用下越過目標(biāo)位置時(shí)，會(huì)引發(fā)周期性振蕩現(xiàn)象，這種振蕩形成的特定頻率若與電機(jī)固有頻率吻合，就會(huì)產(chǎn)生共振并伴隨噪音。當(dāng)共振能量超過定子與轉(zhuǎn)子間磁場(chǎng)的保持力時(shí)，將導(dǎo)致電機(jī)失步現(xiàn)象。 以下便詳細(xì)介紹電機(jī)振動(dòng)大的處理方法。 
圖 1. 來自電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電流信號(hào) 
圖 2. R 型繞組的相圖 單相導(dǎo)通與雙相導(dǎo)通模式因電流分布差異產(chǎn)生不同的穩(wěn)定周期特性，其穩(wěn)定時(shí)間的不一致性易誘發(fā)共振現(xiàn)象。R型繞組電機(jī)采用特殊極槽結(jié)構(gòu)，每磁極配置兩組差異化匝數(shù)線圈。線圈組采用異向串聯(lián)繞制工藝（首組線圈末端與次組線圈起始端連接），通過22.5°電氣相位偏移設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)噪聲的有效抑制。該繞組拓?fù)鋭?chuàng)新性地引入八分頻相位序列（22.5°、67.5°、112.5°、157.5°、202.5°、247.5°、292.5°、337.5°），消除單相激勵(lì)工況。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)始終保持雙相繞組通電狀態(tài)，通過電流均衡分配確保各步進(jìn)周期穩(wěn)定時(shí)間一致性，從而顯著降低共振風(fēng)險(xiǎn)。 
圖 3. R 型繞組的繞組設(shè)置 采用T型繞組連接是抑制共振的有效技術(shù)方案。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過維持雙相持續(xù)通電的工作模式，其振動(dòng)抑制機(jī)理與R型繞組具有等效性——雙相激勵(lì)模式可有效降低系統(tǒng)諧振概率。該連接方式的電氣特性表現(xiàn)為繞組電感值介于全串聯(lián)與全并聯(lián)配置之間。這種折衷設(shè)計(jì)使T型拓?fù)湓诘退俟r呈現(xiàn)優(yōu)于并聯(lián)連接的轉(zhuǎn)矩輸出能力，同時(shí)在高速運(yùn)行階段保持較串聯(lián)模式更強(qiáng)的扭矩保持特性。 
圖 4. T 型連接的繞組設(shè)置 通常而言，增加電機(jī)相位數(shù)可有效抑制共振現(xiàn)象。相位數(shù)越多的電機(jī)步距角越小，其原理與微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)技術(shù)相似。當(dāng)相位數(shù)增加時(shí)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所需的激磁能量相應(yīng)降低，從而有效消除共振問題。以兩相電機(jī)與五相電機(jī)為例：兩相電機(jī)采用8極結(jié)構(gòu)（每相4極），而五相步進(jìn)電機(jī)采用10極結(jié)構(gòu)（每相2極）。在五相電機(jī)中，轉(zhuǎn)子每次僅需移動(dòng)1/10齒距即可與下一相磁極對(duì)齊，這使得單圈旋轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)500個(gè)步進(jìn)周期（步距角0.72°）。由于更高的角分辨率降低了單個(gè)步進(jìn)所需的激磁能量，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)過程中的過沖現(xiàn)象得到有效控制。若配合微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，五相電機(jī)可實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的步進(jìn)分辨率，從而顯著降低運(yùn)行振動(dòng)。 
圖 5. NEMA 23 機(jī)械阻尼器 另一種機(jī)械減振方法是通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子慣量實(shí)現(xiàn)振動(dòng)抑制。負(fù)載慣量的調(diào)節(jié)作用會(huì)改變系統(tǒng)共振頻率特性，工程師可通過以下方式優(yōu)化轉(zhuǎn)子慣量：選用不同材料、調(diào)整幾何尺寸（如增加轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度）或采用特定疊層結(jié)構(gòu)（參見圖4）。這些調(diào)整可改變系統(tǒng)共振頻率，從而有效降低振動(dòng)幅度。 
圖 6.低慣性轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì) 通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子與定子齒槽間的氣隙尺寸，可有效控制轉(zhuǎn)矩剛度參數(shù)。如技術(shù)規(guī)范所述，這種調(diào)整將改變電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩特性，使系統(tǒng)工作點(diǎn)偏離共振區(qū)域，從而規(guī)避振動(dòng)問題。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，負(fù)載慣量將顯著提升系統(tǒng)整體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（作用機(jī)理類似機(jī)械阻尼器），此時(shí)電機(jī)振動(dòng)幅值會(huì)顯著降低。 了解步進(jìn)電機(jī)的工作原理對(duì)于決定適合您的應(yīng)用的產(chǎn)品大有好處。鳴志提供各種標(biāo)品可用于您的應(yīng)用，如果您有特殊需求，也可以聯(lián)系我們直接定制。
電氣減振法
該節(jié)主要介紹如何預(yù)防步進(jìn)電機(jī)共振現(xiàn)象，需特別說明，從電機(jī)物理特性、電氣參數(shù)到運(yùn)行參數(shù)均可進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，建議根據(jù)實(shí)際工況謹(jǐn)慎評(píng)估每種方案的適用性，對(duì)于特殊應(yīng)用場(chǎng)景，建議咨詢專業(yè)技術(shù)人員。 1、調(diào)整運(yùn)行頻率：當(dāng)共振現(xiàn)象出現(xiàn)在特定轉(zhuǎn)速區(qū)間時(shí)，通過調(diào)整換向頻率避開固有共振頻率是最直接的解決方案，此方法雖受限于部分應(yīng)用場(chǎng)景，但在可行條件下不僅能消除共振，還可提升系統(tǒng)運(yùn)行效率。 2、控制微步細(xì)分：微步技術(shù)通過提高步距角細(xì)分度來實(shí)現(xiàn)振動(dòng)抑制。傳統(tǒng)整步運(yùn)行時(shí)，線圈通斷引起的磁通突變易造成轉(zhuǎn)子過沖，微步控制通過梯度式調(diào)節(jié)線圈激勵(lì)能量，使定子磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)漸變，有效降低磁通變化率。該技術(shù)既可減少振動(dòng)噪聲，又能提升運(yùn)動(dòng)分辨率。 3、優(yōu)化電流優(yōu)化：在醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人關(guān)節(jié)等低速應(yīng)用場(chǎng)景中，適當(dāng)降低驅(qū)動(dòng)電流可改善運(yùn)行平穩(wěn)性。電流量級(jí)減小雖會(huì)降低輸出扭矩及扭矩剛度系數(shù)（dτ/dθ），但能有效控制轉(zhuǎn)子動(dòng)能，實(shí)施時(shí)需確保保留足夠扭矩裕量，避免引發(fā)次生控制問題。 4、電感補(bǔ)償技術(shù)：電機(jī)運(yùn)行過程中，共振產(chǎn)生的交流感應(yīng)電流會(huì)與驅(qū)動(dòng)直流電流形成疊加干擾，通過增加繞組電感參數(shù)，可改變系統(tǒng)諧振特性，實(shí)現(xiàn)諧振頻率偏移或振幅抑制。 5、電流衰減優(yōu)化：快速電流衰減機(jī)制能有效改善振動(dòng)特性。在換向過程中，電流方向切換時(shí)的瞬時(shí)衰減可降低殘余電流干擾，避免雙路電流信號(hào)疊加引發(fā)的扭矩脈動(dòng)。對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，采用快速衰減模式可顯著降低運(yùn)行振動(dòng)（詳見附圖1）。 圖 1. 來自電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電流信號(hào) 實(shí)現(xiàn)兩相R繞組
在混合式步進(jìn)電機(jī)中，定子采用兩相繞組結(jié)構(gòu)，其線圈空間分布相差90°角度。傳統(tǒng)步進(jìn)繞組系統(tǒng)的相位切換按45°步距角遞增，具體序列為：0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°。在相位差45°工況下，A/B兩相繞組同時(shí)通電；當(dāng)相位差調(diào)整為90°時(shí)，僅單相繞組處于激勵(lì)狀態(tài)。 圖 2. R 型繞組的相圖 單相導(dǎo)通與雙相導(dǎo)通模式因電流分布差異產(chǎn)生不同的穩(wěn)定周期特性，其穩(wěn)定時(shí)間的不一致性易誘發(fā)共振現(xiàn)象。R型繞組電機(jī)采用特殊極槽結(jié)構(gòu)，每磁極配置兩組差異化匝數(shù)線圈。線圈組采用異向串聯(lián)繞制工藝（首組線圈末端與次組線圈起始端連接），通過22.5°電氣相位偏移設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)噪聲的有效抑制。該繞組拓?fù)鋭?chuàng)新性地引入八分頻相位序列（22.5°、67.5°、112.5°、157.5°、202.5°、247.5°、292.5°、337.5°），消除單相激勵(lì)工況。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)始終保持雙相繞組通電狀態(tài)，通過電流均衡分配確保各步進(jìn)周期穩(wěn)定時(shí)間一致性，從而顯著降低共振風(fēng)險(xiǎn)。 機(jī)械減振方法
通過優(yōu)化電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)可有效抑制振動(dòng)，其中在電機(jī)軸端安裝阻尼器是常用方法。該阻尼器在吸收振動(dòng)能量的同時(shí)會(huì)增加系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，從而形成穩(wěn)定的阻尼機(jī)制。此外，采用法蘭安裝座可增強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)振動(dòng)的吸收能力。 圖 5. NEMA 23 機(jī)械阻尼器 另一種機(jī)械減振方法是通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子慣量實(shí)現(xiàn)振動(dòng)抑制。負(fù)載慣量的調(diào)節(jié)作用會(huì)改變系統(tǒng)共振頻率特性，工程師可通過以下方式優(yōu)化轉(zhuǎn)子慣量：選用不同材料、調(diào)整幾何尺寸（如增加轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度）或采用特定疊層結(jié)構(gòu)（參見圖4）。這些調(diào)整可改變系統(tǒng)共振頻率，從而有效降低振動(dòng)幅度。 圖 6.低慣性轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì) 通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子與定子齒槽間的氣隙尺寸，可有效控制轉(zhuǎn)矩剛度參數(shù)。如技術(shù)規(guī)范所述，這種調(diào)整將改變電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩特性，使系統(tǒng)工作點(diǎn)偏離共振區(qū)域，從而規(guī)避振動(dòng)問題。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，負(fù)載慣量將顯著提升系統(tǒng)整體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（作用機(jī)理類似機(jī)械阻尼器），此時(shí)電機(jī)振動(dòng)幅值會(huì)顯著降低。 了解步進(jìn)電機(jī)的工作原理對(duì)于決定適合您的應(yīng)用的產(chǎn)品大有好處。鳴志提供各種標(biāo)品可用于您的應(yīng)用，如果您有特殊需求，也可以聯(lián)系我們直接定制。