当前位置:首页 > 工业控制 > 伺服与控制
[导读] 步进电机具有结构简单、易于控制、安全性高、成本低、转矩高等优点,作为一种高性能的数字化电气元件,广泛应用于各种类型的开环控制系统中。然而,步进电机有一个缺点,在简单的开环设计中,它可以在低速产生

步进电机具有结构简单、易于控制、安全性高、成本低、转矩高等优点,作为一种高性能的数字化电气元件,广泛应用于各种类型的开环控制系统中。然而,步进电机有一个缺点,在简单的开环设计中,它可以在低速产生噪声。噪声和共振主要来源于驱动电路机械结构的共振。

噪声可能是任何电气设备的问题,从变压器到直流电机,工业界一直在寻找经济的方法来降低发出声噪声并提高电气设备的感知质量水平。到目前为止,还没有任何关于可能的方法的文献,分析和消除小型电动机振动和噪声。市场上一般驱动电路产生振动噪声的原因:定子电流的高次谐波含量,不平衡两相电流,特别是恒压驱动法,电源电压波动,励磁电流波形。

电机的噪声源- 结构设计

噪音的消除首先识别噪音的来源,例如结构设计、电子逆变器的设计、各种合适零件及材料的选择以及组装过程,选择吸收噪音的材料像垫圈、衬垫、约束层的材料,电机外壳采用噪音吸收罩,隔断和绝缘声音的传播。合理的电机的机构设计,如径向不对称设置导致的不平衡力,定子槽和线圈–槽/极组合的正确选择,将有助于减少不平衡的磁拉力、扭矩脉动、齿槽转矩。

降低步进电机振动、噪音的解决方法

与驱动电路有关的方法

步进电机的振动噪音由驱动电路引起的原因如下:

定子电流的高次谐波含量(细分时产生)。

相电流的不平衡,特别是非恒电流控制状态。

电源的波动。

激磁电流的波形。

其中(1)的高次谐波为主要原因。步进电机使用方波电流驱动,必然含有大量的高次谐波,由此产生振动和噪音。因此驱动电流最好为正弦波。接近正弦波的驱动方法有步进电机的细分步进驱动。下图为电机1/4细分、半步、整步驱动的振动比较,其振动为依次增加的。

与电机有关的方法

步进电机的振动噪音由步进电机本体引起的原因如下:

激磁电源的高次谐波成分。

齿槽转矩

径向吸引力引起的转子变形产生的振动噪音。

定子与端盖的刚性不够

线圈及磁路的不平衡,及机械结构的不对称。

各部分配合松动。

线圈本身的位移。

转子偏心或动平衡不好。

轴承预紧力不合适。

除此之外,还要考虑以下原因:

与安装机械和负载系统的共振。

传动系统(齿轮啮合的不平衡等)。

上述中,与电机有关的降低振动和噪音效果好的方法如下:

提高定子的刚度

两相56mmHB型步进电机(1.8°)的结构如下图所示:

转子直径减小约10%,定子壳体增加10%,提高定子的刚性后与原设计相比,其振动噪音如下图所示得以改善。

步进电机产生噪音的原因,主要有高次谐波产生的电磁力,定子刚度不够,定子主极对转子产生的吸引力,引起定子的微小变形等。

定子的多主极

定子刚度与噪音之间的关系如上图所示,定子主极吸引转子才使定子发生微小变形,也为产生噪音的原因。如上(两相56mmHB型步进电机结构图)所示,两相HB型有8个主极。两相时定子主极数为4、8、16,三相时主极数为3、6、9、12等。一般主极数越多,低速转矩越低,高速响应能力越好,线圈越小,振动噪音越得以改善。

下面以伺服步进电机(VR型的步进电机)为例,介绍降低振动、噪音的方法。定子的主极数为三相6极或三相12极,分析径向引起的振动,可以得到降低噪音的解决方法,可以看到6极有6个地方磁场变化,12极有12个地方磁场变化,然而12个极处的变化量比6个极的小,所以产生的振动就小。

HB型步进电机,主极越多,线圈绕制的时间越长,费用越高,但主极的增加是降低振动噪音的一种手段。

微调定子小齿结构

降低激磁磁通中高次谐波的有效手段,如如下图所示,是使转子齿相对定子齿的节距为不等距角δ1、δ2等,通过不同角度方法降低磁通的高次谐波,减小齿槽转矩。

两相电机时,齿槽转矩由四次谐波构成,设计时主要考虑消除四次谐波。定子与转子齿距进行微小变化,使部分交链磁通减小,距角特性的峰值转矩减小。目前,销售的两相步进电机,除特殊用于制动等方面,一般均采用微调节距或改变形状构造,减小齿槽转矩。

下图为两相步进电机的例子,齿槽转矩使距角特性产生畸变。两相电机的齿槽转矩为距角特性周期的1/4,即变成四次谐波。定子电流与永久磁铁转子磁通的距角特性的理论值为虚线所示的正弦波,此曲线叠加上齿槽转矩产生的四次谐波,合成为粗线描述的畸变转矩曲线,距角特性畸变,则成为非正弦波,引起位置定位精度变差,振动和噪音变大。齿槽转矩的相位由定子与转子齿相对位置关系决定,定子与转子齿的微小位置偏移,使各齿产生的四次谐波的相位发生微小变化,起到互相抵消的作用,从而减小齿槽转矩。

上图(微调定子小齿结构)所示的微调方式,定子与转子齿的齿形及相位角δ的偏移量,是各个电机生产厂家重点研究的地方。日本伺服公司对有无微调的电机特性进行了以下比较。

下图表示两相步距角1.8°的步进电机在有和没有微调情况下的细分驱动时的速度-振动特性。无微调电机细分驱动时,如虚线所示,低速区域或中速区域可看到振动的峰值,而使用微调方式,可消除其中大部分的振动。

其次,比较这两个电机在两相激磁驱动方式下的速度-噪声特性,如下图所示。比较看出,使用微调偏移方式的噪音得到大幅改善。电机速度越快,噪音的降低效果越明显。

对三相HB型步进电机进行比较,下图为有无采用微调偏移方法的特性曲线。此图中,上图为三相HB型1.2°、6主极,无微调偏移的齿槽转矩;下图为三相HB型1.2°、12主极,有微调偏移的齿槽转矩。三相HB型步进电机,同一步距角的电机的齿槽转矩比较,定子极数多,微调偏移效果好,12主极1.2°的产品齿槽转矩减小17.4%。

安装减震器可以降低噪音

步进电机安装在机器上时,在固定电机处可垫硬质橡胶等减震器材,以便阻止与底板产生的共振。此种方法降低噪音效果明显,被广泛使用。具体方法有两种:一种为用厚度为几mm的硬质橡胶将安装步进电机的前面钢板夹成三明治状态,作为步进电机的前面连接板使用;另一种是将两片钢板用硬质橡胶像三明治那样连接,置于步进电机与安装设备之间。这些称为装置减震器,其降低噪声效果明显,但步进电机要依靠安装底板散热,而橡胶材料的热传导性能差,所以要注意电机温升。

本站声明: 本文章由作者或相关机构授权发布,目的在于传递更多信息,并不代表本站赞同其观点,本站亦不保证或承诺内容真实性等。需要转载请联系该专栏作者,如若文章内容侵犯您的权益,请及时联系本站删除。
换一批
延伸阅读

LED驱动电源的输入包括高压工频交流(即市电)、低压直流、高压直流、低压高频交流(如电子变压器的输出)等。

关键字: 驱动电源

在工业自动化蓬勃发展的当下,工业电机作为核心动力设备,其驱动电源的性能直接关系到整个系统的稳定性和可靠性。其中,反电动势抑制与过流保护是驱动电源设计中至关重要的两个环节,集成化方案的设计成为提升电机驱动性能的关键。

关键字: 工业电机 驱动电源

LED 驱动电源作为 LED 照明系统的 “心脏”,其稳定性直接决定了整个照明设备的使用寿命。然而,在实际应用中,LED 驱动电源易损坏的问题却十分常见,不仅增加了维护成本,还影响了用户体验。要解决这一问题,需从设计、生...

关键字: 驱动电源 照明系统 散热

根据LED驱动电源的公式,电感内电流波动大小和电感值成反比,输出纹波和输出电容值成反比。所以加大电感值和输出电容值可以减小纹波。

关键字: LED 设计 驱动电源

电动汽车(EV)作为新能源汽车的重要代表,正逐渐成为全球汽车产业的重要发展方向。电动汽车的核心技术之一是电机驱动控制系统,而绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为电机驱动系统中的关键元件,其性能直接影响到电动汽车的动力性能和...

关键字: 电动汽车 新能源 驱动电源

在现代城市建设中,街道及停车场照明作为基础设施的重要组成部分,其质量和效率直接关系到城市的公共安全、居民生活质量和能源利用效率。随着科技的进步,高亮度白光发光二极管(LED)因其独特的优势逐渐取代传统光源,成为大功率区域...

关键字: 发光二极管 驱动电源 LED

LED通用照明设计工程师会遇到许多挑战,如功率密度、功率因数校正(PFC)、空间受限和可靠性等。

关键字: LED 驱动电源 功率因数校正

在LED照明技术日益普及的今天,LED驱动电源的电磁干扰(EMI)问题成为了一个不可忽视的挑战。电磁干扰不仅会影响LED灯具的正常工作,还可能对周围电子设备造成不利影响,甚至引发系统故障。因此,采取有效的硬件措施来解决L...

关键字: LED照明技术 电磁干扰 驱动电源

开关电源具有效率高的特性,而且开关电源的变压器体积比串联稳压型电源的要小得多,电源电路比较整洁,整机重量也有所下降,所以,现在的LED驱动电源

关键字: LED 驱动电源 开关电源

LED驱动电源是把电源供应转换为特定的电压电流以驱动LED发光的电压转换器,通常情况下:LED驱动电源的输入包括高压工频交流(即市电)、低压直流、高压直流、低压高频交流(如电子变压器的输出)等。

关键字: LED 隧道灯 驱动电源
关闭