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步進電動機振動剖析&解決方案

--------振動的微觀解析與特性---------

1步距響應

指步進電動機動作1個步距時，轉(zhuǎn)子發(fā)生的角度變位。

步進電動機在轉(zhuǎn)動1個步距角，轉(zhuǎn)子到達目標位置后，因轉(zhuǎn)動慣量和角度-轉(zhuǎn)矩特性的恢復力而反復進行衰減振動（過沖·回沖），最終在指定位置停止。

脈沖信號連續(xù)輸入時，步進電動機的動作由1步距響應的重復疊加形成。因此，隨著脈沖信號輸入，步進電動機有可能會產(chǎn)生振動的現(xiàn)象。

連續(xù)步距響應

電動機的振動大小受轉(zhuǎn)速影響發(fā)生變化。

低速運轉(zhuǎn)：連續(xù)產(chǎn)生1步距響應特性。
共振頻率：由于持續(xù)大幅度過沖?回沖現(xiàn)象重疊，振動較大。
高速運轉(zhuǎn)：在產(chǎn)生過沖?回沖之前切換到下一個步距，振動不明顯。

振動特性的測定

◇ 測定工具與方法
旋轉(zhuǎn)中的電動機動作，通常以速度進行觀測。東方馬達在觀測步進電動機速度時，以DC測速發(fā)電機（1000 r/min 下3 V 輸出）為手段。

DC測速發(fā)電機將檢測到的轉(zhuǎn)速變換成直流電壓輸出，
通過測定電壓變動進行測定步進電動機的振動的大小。
如圖所示，電壓變動與速度變動的關(guān)系呈比例關(guān)系。

◇2相步進電動機整步驅(qū)動下的振動特性
其中，振動劇烈變大時的某一脈沖頻率（速度）領(lǐng)域稱為共振頻率。

◇不同速度下DC測速發(fā)電機的輸出波形
隨著速度的提高，振動越小。

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--------振動產(chǎn)生的原因---------

轉(zhuǎn)矩的變動

低速下的大幅振動是步距動作時的轉(zhuǎn)矩變動引起的。勵磁切換意味著在極短時間內(nèi)造成角度-轉(zhuǎn)矩特性的移動，

因此會發(fā)生轉(zhuǎn)矩跳躍，導致速度變動。如果步距角度比例變小，則勵磁切換時的轉(zhuǎn)矩變動也小，振動隨之變小。

POINT
5相步進電動機從結(jié)構(gòu)上擁有比2相更好的振動特性。

可有效降低振動。

慣性負載的影響

施加慣性負載時，振動周期會被放大。即使電動機轉(zhuǎn)矩相同，但如有慣性負載，則加速度會減小，動作會變得緩慢。右圖是用1步距響應來表示慣性負載的影響。

●黑線為電動機單體狀態(tài)。紅線為轉(zhuǎn)子附加3倍轉(zhuǎn)動慣量的狀態(tài)。

●由于總慣性增加了4倍，因此振動周期為2倍，振動衰減時間約為4倍。

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--------振動特性的改善提案---------

微步驅(qū)動

◇縮小步距角，降低過沖·回沖
微步驅(qū)動是將輸往步進電動機各線圈的電流作細分化分配，使定子的磁通量變化平順。步進電動機步距角變小，同時抑制轉(zhuǎn)矩余波。
通過驅(qū)動電路實現(xiàn)電流的微小變化，將步距角細分化的微步技術(shù)，有效降低振動與噪音。

POINT
2相CVD驅(qū)動器的電流控制分辨率（平滑驅(qū)動控制）最高可達2048*200＝409600分割/轉(zhuǎn)。

降低驅(qū)動電流

◇去除多余的轉(zhuǎn)矩

降低驅(qū)動電流*以消減多余的轉(zhuǎn)矩，減小轉(zhuǎn)矩跳躍產(chǎn)生的影響。

*注意確認滿足轉(zhuǎn)矩安全率

POINT
分辨率不高時，
如多余的轉(zhuǎn)矩過大，
轉(zhuǎn)矩跳躍的影響會變大，
從而產(chǎn)生振動，
嚴重時會造成電動機失步。

使用減速機型電動機

◇ 避開共振頻率

使用減速機時，電動機轉(zhuǎn)速提高，可避開振動較大的低速領(lǐng)域、共振頻率。

同時減小因慣性負載過大而產(chǎn)生的抖動，縮短定位時間，但最高速度會降低。

POINT
圓盤、擺臂等
大慣量機構(gòu)，
慣性比過大會造成振動，
甚至失步。

增加慣性負載

◇ 改變共振頻率

適當?shù)脑黾討T性負載*可改變共振頻率，

從而減小振動。

*注意確認滿足轉(zhuǎn)矩安全率

增加摩擦負載

◇ 加快振動衰弱

增加摩擦負載*使得轉(zhuǎn)子的動作延遲。摩擦負載對振動頻率沒有影響，但由于摩擦負載會吸收振動能量，會加快振動衰減。

*注意確認滿足轉(zhuǎn)矩安全率
*注意停止精度可能會變差

使用制振器

◇ 吸收振動能量

是一種可有效抑制步進電動機的振動及改善高速性能的機械式阻尼器。
慣性體與硅凍膠密封于塑料外殼內(nèi)，由硅凍膠吸收振動能量，并轉(zhuǎn)化成熱能。

使用高分辨率型電動機

◇ 縮小步距角·避開共振頻率領(lǐng)域

從電動機機械結(jié)構(gòu)上改變共振頻率，以減小振動。

POINT
當微步驅(qū)動的分辨率設置最大時，高分辨率型比標準型的分辨率多出一倍，可進一步減少振動。

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--------東方馬達技術(shù)設計·助力實現(xiàn)低振動性能---------

優(yōu)異的電流控制

◇ 以正弦波為基本的驅(qū)動

為保證發(fā)生轉(zhuǎn)矩恒定，步進電動機實現(xiàn)的關(guān)鍵是“切換”線圈的電流，如電流波形按矩形波方式進行的運行。此時，無法保證發(fā)生轉(zhuǎn)矩保持恒定，存在轉(zhuǎn)矩變動導致振動變大的速度區(qū)間。

東方馬達驅(qū)動器對電流波形進一步細分分割后，電流波形逐漸接近正弦波的現(xiàn)象，故此能夠順暢的運轉(zhuǎn)。