降低步進(jìn)電機(jī)振動(dòng)、噪音的解決方法

步進(jìn)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制、安全性高、成本低、轉(zhuǎn)矩高等優(yōu)點(diǎn)，作為一種高性能的數(shù)字化電氣元件，廣泛應(yīng)用于各種類(lèi)型的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中。然而，步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)缺點(diǎn)，在簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)設(shè)計(jì)中，它可以在低速產(chǎn)生噪聲。噪聲和共振主要來(lái)源于驅(qū)動(dòng)電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)的共振。

噪聲可能是任何電氣設(shè)備的問(wèn)題，從變壓器到直流電機(jī)，工業(yè)界一直在尋找經(jīng)濟(jì)的方法來(lái)降低發(fā)出聲噪聲并提高電氣設(shè)備的感知質(zhì)量水平。到目前為止，還沒(méi)有任何關(guān)于可能的方法的文獻(xiàn)，分析和消除小型電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲。市場(chǎng)上一般驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生振動(dòng)噪聲的原因：定子電流的高次諧波含量，不平衡兩相電流，特別是恒壓驅(qū)動(dòng)法，電源電壓波動(dòng)，勵(lì)磁電流波形。

電機(jī)的噪聲源- 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

噪音的消除首先識(shí)別噪音的來(lái)源，例如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電子逆變器的設(shè)計(jì)、各種合適零件及材料的選擇以及組裝過(guò)程，選擇吸收噪音的材料像墊圈、襯墊、約束層的材料，電機(jī)外殼采用噪音吸收罩，隔斷和絕緣聲音的傳播。合理的電機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，如徑向不對(duì)稱(chēng)設(shè)置導(dǎo)致的不平衡力，定子槽和線圈–槽/極組合的正確選擇，將有助于減少不平衡的磁拉力、扭矩脈動(dòng)、齒槽轉(zhuǎn)矩。

降低步進(jìn)電機(jī)振動(dòng)、噪音的解決方法

與驅(qū)動(dòng)電路有關(guān)的方法

步進(jìn)電機(jī)的振動(dòng)噪音由驅(qū)動(dòng)電路引起的原因如下：

定子電流的高次諧波含量（細(xì)分時(shí)產(chǎn)生）。

相電流的不平衡，特別是非恒電流控制狀態(tài)。

電源的波動(dòng)。

激磁電流的波形。

其中（1）的高次諧波為主要原因。步進(jìn)電機(jī)使用方波電流驅(qū)動(dòng)，必然含有大量的高次諧波，由此產(chǎn)生振動(dòng)和噪音。因此驅(qū)動(dòng)電流最好為正弦波。接近正弦波的驅(qū)動(dòng)方法有步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分步進(jìn)驅(qū)動(dòng)。下圖為電機(jī)1/4細(xì)分、半步、整步驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)比較，其振動(dòng)為依次增加的。

與電機(jī)有關(guān)的方法

步進(jìn)電機(jī)的振動(dòng)噪音由步進(jìn)電機(jī)本體引起的原因如下：

激磁電源的高次諧波成分。

齒槽轉(zhuǎn)矩

徑向吸引力引起的轉(zhuǎn)子變形產(chǎn)生的振動(dòng)噪音。

定子與端蓋的剛性不夠

線圈及磁路的不平衡，及機(jī)械結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱(chēng)。

各部分配合松動(dòng)。

線圈本身的位移。

轉(zhuǎn)子偏心或動(dòng)平衡不好。

軸承預(yù)緊力不合適。

除此之外，還要考慮以下原因：

與安裝機(jī)械和負(fù)載系統(tǒng)的共振。

傳動(dòng)系統(tǒng)（齒輪嚙合的不平衡等）。

上述中，與電機(jī)有關(guān)的降低振動(dòng)和噪音效果好的方法如下：

提高定子的剛度

兩相56mmHB型步進(jìn)電機(jī)（1.8°）的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

轉(zhuǎn)子直徑減小約10%，定子殼體增加10%，提高定子的剛性后與原設(shè)計(jì)相比，其振動(dòng)噪音如下圖所示得以改善。

步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生噪音的原因，主要有高次諧波產(chǎn)生的電磁力，定子剛度不夠，定子主極對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的吸引力，引起定子的微小變形等。

定子的多主極

定子剛度與噪音之間的關(guān)系如上圖所示，定子主極吸引轉(zhuǎn)子才使定子發(fā)生微小變形，也為產(chǎn)生噪音的原因。如上（兩相56mmHB型步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖）所示，兩相HB型有8個(gè)主極。兩相時(shí)定子主極數(shù)為4、8、16，三相時(shí)主極數(shù)為3、6、9、12等。一般主極數(shù)越多，低速轉(zhuǎn)矩越低，高速響應(yīng)能力越好，線圈越小，振動(dòng)噪音越得以改善。

下面以伺服步進(jìn)電機(jī)（VR型的步進(jìn)電機(jī)）為例，介紹降低振動(dòng)、噪音的方法。定子的主極數(shù)為三相6極或三相12極，分析徑向引起的振動(dòng)，可以得到降低噪音的解決方法，可以看到6極有6個(gè)地方磁場(chǎng)變化，12極有12個(gè)地方磁場(chǎng)變化，然而12個(gè)極處的變化量比6個(gè)極的小，所以產(chǎn)生的振動(dòng)就小。

HB型步進(jìn)電機(jī)，主極越多，線圈繞制的時(shí)間越長(zhǎng)，費(fèi)用越高，但主極的增加是降低振動(dòng)噪音的一種手段。

微調(diào)定子小齒結(jié)構(gòu)

降低激磁磁通中高次諧波的有效手段，如如下圖所示，是使轉(zhuǎn)子齒相對(duì)定子齒的節(jié)距為不等距角δ1、δ2等，通過(guò)不同角度方法降低磁通的高次諧波，減小齒槽轉(zhuǎn)矩。

兩相電機(jī)時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩由四次諧波構(gòu)成，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮消除四次諧波。定子與轉(zhuǎn)子齒距進(jìn)行微小變化，使部分交鏈磁通減小，距角特性的峰值轉(zhuǎn)矩減小。目前，銷(xiāo)售的兩相步進(jìn)電機(jī)，除特殊用于制動(dòng)等方面，一般均采用微調(diào)節(jié)距或改變形狀構(gòu)造，減小齒槽轉(zhuǎn)矩。

下圖為兩相步進(jìn)電機(jī)的例子，齒槽轉(zhuǎn)矩使距角特性產(chǎn)生畸變。兩相電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩為距角特性周期的1/4，即變成四次諧波。定子電流與永久磁鐵轉(zhuǎn)子磁通的距角特性的理論值為虛線所示的正弦波，此曲線疊加上齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的四次諧波，合成為粗線描述的畸變轉(zhuǎn)矩曲線，距角特性畸變，則成為非正弦波，引起位置定位精度變差，振動(dòng)和噪音變大。齒槽轉(zhuǎn)矩的相位由定子與轉(zhuǎn)子齒相對(duì)位置關(guān)系決定，定子與轉(zhuǎn)子齒的微小位置偏移，使各齒產(chǎn)生的四次諧波的相位發(fā)生微小變化，起到互相抵消的作用，從而減小齒槽轉(zhuǎn)矩。

上圖（微調(diào)定子小齒結(jié)構(gòu)）所示的微調(diào)方式，定子與轉(zhuǎn)子齒的齒形及相位角δ的偏移量，是各個(gè)電機(jī)生產(chǎn)廠家重點(diǎn)研究的地方。日本伺服公司對(duì)有無(wú)微調(diào)的電機(jī)特性進(jìn)行了以下比較。

下圖表示兩相步距角1.8°的步進(jìn)電機(jī)在有和沒(méi)有微調(diào)情況下的細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)的速度-振動(dòng)特性。無(wú)微調(diào)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)，如虛線所示，低速區(qū)域或中速區(qū)域可看到振動(dòng)的峰值，而使用微調(diào)方式，可消除其中大部分的振動(dòng)。

其次，比較這兩個(gè)電機(jī)在兩相激磁驅(qū)動(dòng)方式下的速度-噪聲特性，如下圖所示。比較看出，使用微調(diào)偏移方式的噪音得到大幅改善。電機(jī)速度越快，噪音的降低效果越明顯。

對(duì)三相HB型步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行比較，下圖為有無(wú)采用微調(diào)偏移方法的特性曲線。此圖中，上圖為三相HB型1.2°、6主極，無(wú)微調(diào)偏移的齒槽轉(zhuǎn)矩；下圖為三相HB型1.2°、12主極，有微調(diào)偏移的齒槽轉(zhuǎn)矩。三相HB型步進(jìn)電機(jī)，同一步距角的電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩比較，定子極數(shù)多，微調(diào)偏移效果好，12主極1.2°的產(chǎn)品齒槽轉(zhuǎn)矩減小17.4%。

安裝減震器可以降低噪音

步進(jìn)電機(jī)安裝在機(jī)器上時(shí)，在固定電機(jī)處可墊硬質(zhì)橡膠等減震器材，以便阻止與底板產(chǎn)生的共振。此種方法降低噪音效果明顯，被廣泛使用。具體方法有兩種：一種為用厚度為幾mm的硬質(zhì)橡膠將安裝步進(jìn)電機(jī)的前面鋼板夾成三明治狀態(tài)，作為步進(jìn)電機(jī)的前面連接板使用；另一種是將兩片鋼板用硬質(zhì)橡膠像三明治那樣連接，置于步進(jìn)電機(jī)與安裝設(shè)備之間。這些稱(chēng)為裝置減震器，其降低噪聲效果明顯，但步進(jìn)電機(jī)要依靠安裝底板散熱，而橡膠材料的熱傳導(dǎo)性能差，所以要注意電機(jī)溫升。