減少步進(jìn)電機(jī)振動的技巧

步進(jìn)電機(jī)振動。這就是他們所做的。為了最大限度地減少電機(jī)振動，首先我們需要了解它們的來源。

步進(jìn)電機(jī)通過組合特定旋轉(zhuǎn)角度的小“步進(jìn)”，無需編碼器的幫助，即可提供精確的位置控制。然而，它們在步驟之間表現(xiàn)出微小的振動。雖然大多數(shù)時候振動是無法觀察到的，但振動確實(shí)會轉(zhuǎn)化為噪音，這種噪音可能會通過連接到電機(jī)的其他機(jī)制被放大。在嘗試解決問題之前了解振動的來源非常重要。

正如您在上面的視頻中看到的，振動是不明顯的。然而，如果你從顯微鏡下看，它實(shí)際上會顯示電機(jī)軸實(shí)際上每一步都有超調(diào)和欠調(diào)。在下面的視頻中，我們使用 5 相 0.72° 步進(jìn)電機(jī)來演示其 1 步振動特性以及步進(jìn)電機(jī)性能在更高速度下更平滑的原因。

在步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部，轉(zhuǎn)子和定子之間有一個微小的氣隙，磁通量在氣隙中流動，唯一存在的摩擦是在滾珠軸承中。當(dāng)命令電機(jī)移動和停止時，滾珠軸承中沒有足夠的摩擦力來阻止超速。這意味著由于慣性力，電機(jī)軸在每一步都會先過沖然后下沖。電機(jī)軸或轉(zhuǎn)子停止這種過沖和下沖所需的時間稱為“穩(wěn)定時間”。

在某些情況下，步進(jìn)引起的振動會變得足夠大，從而導(dǎo)致步進(jìn)失誤或噪音過大，例如在共振頻率下運(yùn)行時。共振頻率源自扭矩剛度和慣性之間的關(guān)系，改變?nèi)我?a target="_blank">參數(shù)都可以將共振頻率移到工作范圍之外以提高性能。 避開電機(jī)的共振頻率是消除此類振動的簡單方法。

在下面的視頻中，我們展示了如何測量振動以及它如何在不同速度下發(fā)生變化。

雖然可能無法完全消除步進(jìn)電機(jī)的振動，但有許多方法可以通過機(jī)械或電氣方式解決此問題。

在這篇文章中，我們將討論最常見和最有效的降低振動的方法。

減少振動的機(jī)械方法

首先，我們將介紹最常見的減少步進(jìn)電機(jī)振動的機(jī)械方法。

1. 安裝機(jī)械清潔風(fēng)門。

一個簡單的減少振動的方法是在電機(jī)的后軸上安裝一個干凈的阻尼器。清潔阻尼器基本上是密封的塑料外殼，帶有一個裝有硅膠的慣性主體。額外的慣性和硅膠有助于吸收振動并提供穩(wěn)定的阻尼效果。

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2.使用高分辨率型步進(jìn)電機(jī)。

一些電機(jī)制造商提供的步進(jìn)電機(jī)具有更多的轉(zhuǎn)子齒數(shù)(100 個而不是 50 個)。齒數(shù)的增加使整步分辨率加倍，并有助于降低振動幅度，因?yàn)殡姍C(jī)現(xiàn)在每步移動的距離更短。 這意味著標(biāo)準(zhǔn)的 1.8° 2 相步進(jìn)電機(jī)變?yōu)?0.9° 電機(jī)，標(biāo)準(zhǔn) 0.72° 5 相步進(jìn)電機(jī)變?yōu)?0.36° 電機(jī)。甚至可以通過齒輪傳動或微步進(jìn)實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的分辨率，這也在下面進(jìn)行了介紹。

另一個好處是，100 齒轉(zhuǎn)子還提高了電機(jī)的停止位置精度，適用于精確位置控制應(yīng)用，如下面的視頻所示。

3.使用5相步進(jìn)電機(jī)。

與高分辨率型步進(jìn)電機(jī)類似，5 相 0.72° 步進(jìn)電機(jī)與 2 相 1.8° 步進(jìn)電機(jī)相比，也可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的整步分辨率并減少振動。與 2 相電機(jī)相比，5 相電機(jī)具有相同的轉(zhuǎn)子，但有 10 個定子極而不是 8 個。這將整步分辨率從每轉(zhuǎn) 200 步增加到 500 步。請務(wù)必注意，停止位置精度是齒數(shù)(而非分辨率)的函數(shù)，因此與標(biāo)準(zhǔn) 2 相比，高分辨率型 2 相或 5 相(0.9° 或 0.36°)電機(jī)仍可提供更好的停止精度相或 5 相(1.8° 或 0.72°)電機(jī)。

4.使用齒輪步進(jìn)電機(jī)。

減速機(jī)通常用于提高扭矩同時降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，但增加的剛性有助于抑制振動從電機(jī)傳遞到負(fù)載，齒輪摩擦有助于減少超調(diào)和欠調(diào)，其一致的扭矩輸出可提供更穩(wěn)定的運(yùn)行.

根據(jù)齒輪比，可以降低電機(jī)自身的振動。

可以避免低速振動范圍，因?yàn)殡姍C(jī)以更高的速度旋轉(zhuǎn)。

無減速機(jī)帶減速機(jī)

5. 對電機(jī)進(jìn)行徹底的選型。

確定電機(jī)的大小涉及找到電機(jī)可以舒適運(yùn)行的“最佳位置”。試圖根據(jù)最大規(guī)格來確定電機(jī)的尺寸是錯誤的。例如，步進(jìn)電機(jī)的速度-扭矩曲線描繪了電機(jī)將在何處失速，因此絕對不建議完全按照這些規(guī)格來確定電機(jī)尺寸。同樣重要的是不要使電機(jī)尺寸過大，因?yàn)檫^大的扭矩可能會增加振動量。如果你確實(shí)加大了步進(jìn)電機(jī)的尺寸，你可以通過降低電機(jī)電流來減少過大的扭矩(提示：電流與扭矩成正比)。

慣性被定義為物體對速度變化的抵抗力，并且經(jīng)常被忽視。選擇齒輪比時，注意不要超過推薦的“慣性比”。對于無齒輪步進(jìn)電機(jī)，其慣量比的計(jì)算方法是將總負(fù)載慣量除以轉(zhuǎn)子慣量。對于減速電機(jī)，其慣量比是通過將總負(fù)載慣量除以轉(zhuǎn)子慣量 x 齒輪比的平方來計(jì)算的。

對電機(jī)要求進(jìn)行全面分析并在必要時提供足夠的安全系數(shù)只會有助于保證長期性能。許多制造商提供尺寸調(diào)整軟件來簡化此過程。

除電機(jī)外，機(jī)器中可能還有其他部件也會產(chǎn)生振動。在某些情況下，步進(jìn)電機(jī)的振動可能會被連接到電機(jī)的外部機(jī)構(gòu)放大。確保沒有任何松動，必要時使用橡膠索環(huán)來降低噪音。

減少振動的電氣方法

您還可以通過多種方式以電氣方式(或通過驅(qū)動器)減少振動。

1.使用微步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器

傳統(tǒng)上，微步可能是最推薦的方法。微步是通過在相位之間劃分電機(jī)電流來實(shí)現(xiàn)的，這是通過驅(qū)動器完成的。通過微步進(jìn)，驅(qū)動器精確控制扭矩和位置的能力極大地影響了其減少扭矩波動、振動和可聞噪聲的能力。 不一致的相電流會由于不均勻的步進(jìn)或扭矩而增加振動。如果驅(qū)動器不能精確調(diào)節(jié)電流或提供均勻的電流波形，那么無論電機(jī)制造得多么好，電機(jī)都會振動。

以下視頻演示了微步的工作原理。

然而，在許多情況下，所有速度范圍內(nèi)的振動都無法僅通過微步來解決。

2.使用獨(dú)立解決振動的驅(qū)動程序

Oriental Motor 的 CVD 雙極恒流斬波驅(qū)動器(來自 CVK 系列)專門設(shè)計(jì)用于通過獨(dú)立處理每種類型的振動在所有速度范圍內(nèi)提供低振動性能。由于采用單獨(dú)的相電流檢測器，這些驅(qū)動器可以很好地調(diào)節(jié)電流并提供非常均勻的電流波形。

與使用模擬電位器設(shè)置電機(jī)電流的傳統(tǒng)方法相比，CVD 驅(qū)動器采用數(shù)字化電流控制。 通過更好的電流控制，電機(jī)停止精度也得到提高。雖然我們將停止位置精度指定為 +/-0.05°，但實(shí)際上即使在微步進(jìn)過程中，電機(jī)在現(xiàn)實(shí)生活中的性能也要好得多。

CVD 驅(qū)動器以不同方式處理每種類型的振動。以下是步進(jìn)電機(jī)表現(xiàn)出的3 種主要振動類型。

低速振動(約0~50 RPM是步進(jìn)運(yùn)動引起的

中速振動(約50~200 RPM)是由扭矩變化或共振頻率引起的

高速振動(約500 RPM及以上)是由反電動勢和恒流控制不穩(wěn)定引起的。

CVD 驅(qū)動器具有獨(dú)特的Smooth Drive全時微步功能，可提供具有全步分辨率控制的微步性能。激活后，驅(qū)動器將在內(nèi)部對電機(jī)進(jìn)行微步(每 1.8° 整步 2,048 步)，同時控制器以整步分辨率提供脈沖。Smooth Drive 功能最初是為了減輕脈沖發(fā)生器的負(fù)擔(dān)而開發(fā)的，它可以減少所有速度范圍內(nèi)的振動，尤其是在 0 至 50 RPM 的低速范圍內(nèi)。驅(qū)動器中還內(nèi)置了電流勵磁相位校正功能，可通過優(yōu)化扭矩矢量減少 50 至 200 RPM 速度范圍內(nèi)的振動。這減少了轉(zhuǎn)矩脈動和共振。此外，電流補(bǔ)償控制通過使用電機(jī)數(shù)據(jù)和獨(dú)特的算法減少 500 RPM 及以上的振動，只有同時設(shè)計(jì)電機(jī)和驅(qū)動器的制造商才能提供這種算法。

審核編輯：湯梓紅