步進電機選型及故障處理

1、步進電機的選型及故障處理1、 步進電機概述步進電機是一種感應電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅(qū)動器就是為步進電機分時供電的，多相時序控制器 雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能像普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。 步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國

2、民經(jīng)濟領域都有應用。步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū) 動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（即步進角）。您可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來 控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。1、步進電機的主要特點1一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。 2步進電機外表允許的最高溫度。 步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至 于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，

3、有的甚至高達攝氏200度以 上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。 3步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。 4步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。 步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠 正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖 頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，

4、然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。 5 步進電機必須加驅(qū)動才可以運轉(zhuǎn)， 驅(qū)動信號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候， 步進電機靜止， 如果加入適當?shù)拿}沖信號，就會以一定的角度（稱為步角）轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的速度和脈沖的頻率成正比。 6 三相步進電機的步進角度為7.5 度，一圈360度， 需要48個脈沖完成。 7 步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性。 8 改變脈沖的順序，可以方便的改變轉(zhuǎn)動的方向。因此，目前打印機，繪圖儀，機器人，等等設備都以步進電機為動力核心。2、步進電機驅(qū)動器的特點（1）構(gòu)成步進電機驅(qū)動器系統(tǒng)的專用集成電路： A、脈沖分配器集成電路：如三洋公司的PMM87

5、13、PMM8723、PMM8714等。 B、包含脈沖分配器和電流斬波的控制器集成電路：如SGS公司的L297、L6506等。 C、只含功率驅(qū)動（或包含電流控制、保護電路）的驅(qū)動器集成電路：如日本新電元工業(yè)公司的MTD1110（四相斬波驅(qū)動）和MTD2001（兩相、H橋、斬波驅(qū)動）。 D、將脈沖分配器、功率驅(qū)動、電流控制和保護電路都包括在內(nèi)的驅(qū)動控制器集成電路，如東芝公司的TB6560AHQ、MOTOROLA公司的SAA1042（四相）和ALLEGRO公司的UCN5804（四相）等。（2）“細分驅(qū)動”概述：將“電機固有步距角”細分成若干小步的驅(qū)動方法，稱為細分驅(qū)動，細分是通過驅(qū)動器精確控制步進

6、電機的相電流實現(xiàn)的，與電機本 身無關。其原理是，讓定子通電相電流并不一次升到位，而斷電相電流并不一次降為0（繞組電流波形不再是近似方波，而是N級近似階梯波），則定子繞組電流所 產(chǎn)生的磁場合力，會使轉(zhuǎn)子有N個新的平衡位置（形成N個步距角）。 3、步進電機分類 步進電機分三種：永磁式（PM） 、反應式（VR）和混合式（HB）。永磁式步進一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度；反應式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大，在歐美等發(fā)達國家80年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點，分為兩相和五相，兩相步進角一 般為1.8度而五相步

7、進角一般為 0.72度，這種步進電機的應用最為廣泛。 4、步進電機的優(yōu)缺點-優(yōu)點1 電機旋轉(zhuǎn)的角度正比于脈沖數(shù)；2 電機停轉(zhuǎn)的時候具有最大的轉(zhuǎn)矩（當繞組激磁時）；3 由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不會將一步的誤差積累到下一步因而有較好的位置精度和運動的重復性；4 優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應；5 由于沒有電刷，可靠性較高，因此電機的壽命僅僅取決于軸承的壽命；6 電機的響應僅由數(shù)字輸入脈沖確定，因而可以采用開環(huán)控制，這使得電機的結(jié)構(gòu)可以比較簡單而且控制成本；7 僅僅將負載直接連接到電機的轉(zhuǎn)軸上也可以極低速的同步旋轉(zhuǎn)。8 由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉(zhuǎn)速范圍。-缺點1 如果控制不當容易

8、產(chǎn)生共振；2 難以運轉(zhuǎn)到較高的轉(zhuǎn)速。3 難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩4 在體積重量方面沒有優(yōu)勢，能源利用率低。5 超過負載時會破壞同步，高速工作時會發(fā)出振動和噪聲。5、步進電機基本術(shù)語保持轉(zhuǎn)矩（)是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。保持轉(zhuǎn)矩越大則電機帶負載能力越強。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進電機重要的參數(shù)之一。比如，當人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進電機。步進電機的細分技術(shù)實質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)（請

9、參考有關文獻），其主要目的是減弱或消除步進電機的低頻振動，提高電機的運轉(zhuǎn)精度只是細分技術(shù)的一個附帶功能。比如對于步進角為1.8度的兩相混合式步進電機，如果細分驅(qū)動器的細分數(shù)設置為，那么電機的運轉(zhuǎn)分辨率為每個脈沖0.45度，電機的精度能否達到或接近0.45度，還取決于細分驅(qū)動器的細分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細分驅(qū)動器精度可能差別很大；細分數(shù)越大精度越難控制。運行矩頻特性是電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線 。實用公式：轉(zhuǎn)速(r/s）=脈沖頻率 /（電機每轉(zhuǎn)整步數(shù)*細分數(shù)） V：電機轉(zhuǎn)速（R/S）；P：脈沖頻率（Hz）；e：電機固有步距角；m：細分數(shù)（整步為1，半步為

10、2二、電機計算與選型方法選擇電機一般應遵循以下步驟： 1、電機最大速度選擇 步進電機最大速度一般在6001200 rpm。交流伺服電機額定速度一般在3000 rpm，最大轉(zhuǎn)速為5000rpm。機械傳動系統(tǒng)要根據(jù)此參數(shù)設計。 2、電機定位精度的選擇 機械傳動比確定后，可根據(jù)控制系統(tǒng)的定位精度選擇步進電機的步距角及驅(qū)動器的細分等級。一般選電機的一個步距角對應于系統(tǒng)定位精度的1/2 或更小。注意：當細分等級大于1/4后，步距角的精度不能保證。3、電機力矩選擇步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。直接起動時（

11、一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）轉(zhuǎn)動慣量計算物體的轉(zhuǎn)動慣量為： 式中：dV為體積元，r為物體密度，r為體積元與轉(zhuǎn)軸的距離。單位：kgm2將負載質(zhì)量換算到電機輸出軸上轉(zhuǎn)動慣量，常見傳動機構(gòu)與公式如下：加速度計算控制系統(tǒng)要定位準確，物體運動必須有加減速過程，如圖所示。已知加速時間、最大速度Vmax，可得電機的角加速度： (rad / s2)電機力矩計算力矩計算公式為：式中：TL為系統(tǒng)外力折算到電機上的力矩；h為傳動系統(tǒng)的效率。4、計算例題已知

12、：直線平臺水平往復運動，最大行程L400 mm，同步帶傳動；往復運動周期為T 4s；重復定位誤差 £ 0.05 mm；平臺運動質(zhì)量M 10 kg，無外力。求：電機型號、同步帶輪直徑、最大細分數(shù)。 運動學計算 平均速度為： 設加速時間為0.1 S；(步進電機一般取加速時間為：0.11秒) (伺服電機一般取加速時間為：0.050.5秒) 則加減速時間共為0.2 S，且加減速過程的平均速度為最大速度的一半。 故有：L 0.1 ´ Vmax / 2 1.8 ´ Vmax+ 0.1 ´ Vmax / 2 0.4 m得： Vmax 0.4 / （ 0.2 / 2 1

13、.8 ） 0.211 m/s所以，加速度為：加速距離：勻速距離：減速距離和加速距離相同， 1、動力學計算 同步帶上需要拉力： F M a + f摩擦力：f m M g 設導軌摩擦系數(shù) m 0.1 則摩擦力：f 0.1 ´ 10 ´ 9.8 9.8 N慣性力: F1 M a 10 ´ 2.11 21.1 N故：同步帶上要有拉力 F F1+ f 21.19.8 30.9 N2、選擇同步帶直徑和步進電機細分數(shù)m 設同步帶直徑30 mm周長為C3.14 ´ 3.14 ´ 30 94.2 mm 核算定位精度： C / (360°/1.8

14、0; m) < 0.05；細分數(shù)：m > C / (200 ´ 0.05)= 94.2 / (200 ´ 0.05) = 9.42 核算最大轉(zhuǎn)速：nmax Vmax/ C 0.211 / (94.2/1000) 2.24 r/s顯然，細分數(shù)太大，最大轉(zhuǎn)速太低。但是，同步帶直徑也不可能小2倍，所以只能增加一級減速。第2級主動輪直徑仍?。? 30 mm；第1級主動輪直徑?。? 25 mm；減速比?。篿 1 ：3；則第1級從動輪直徑為?。?75 mm；電機最大轉(zhuǎn)速為：驅(qū)動器細分數(shù)：故，取4細分就很合適了。實際脈沖當量： 即滿足重復定位誤差 £ 0.05 mm

15、。3、計算電機力矩，選擇電機型號 第2級主動輪上的力矩：T2F´3 / 2 第1級主動輪上，即電機軸上的力矩：T1T2´ i F´3 / 2 ´ i = 0.155 Nm 由于沒有考慮同步帶的效率、導軌和滑塊裝配誤差造成的摩擦、同步帶輪的摩擦和轉(zhuǎn)動慣量等因素，同時，步進電機在高速時扭矩要大幅度下降；所以，取安全系數(shù)為2比較保險。故，電機力矩To0.155 ´ 2 0.310 Nm選57HS09即可，其靜力矩為0.9 Nm。和57HS09類似的電機矩頻特性圖如下： 4、細分nmax6.72r/s=806r/min 5374pps 時，從上圖對應的

16、T 35 N cm0.35 N m>0.310Nm2、 步進電機的故障診斷與分析處理常見故障原因1) 驅(qū)動步進電機的脈沖頻率太高，使步進電動機不能響應，發(fā)生失步或堵轉(zhuǎn)。2) 驅(qū)動電源不佳而造成步進電機失步。3) 步進電機控制及驅(qū)動電路常見的故障有停轉(zhuǎn)、擺動和不能緊鎖。4) 工作臺負載過重能造成步進電機失步甚至停轉(zhuǎn)。5) 步進電機本身問題或繞組燒壞造成失步或停轉(zhuǎn)。典型故障分析與處理 1、起動和運行速度慢,影響系統(tǒng)同步 (1)步進電動機檢修時,常要將定子各相控制繞組中串聯(lián)的小電阻摘下,進行繞組檢測和修理,檢修后未再接入串聯(lián)電阻,有時小電阻損壞或失效未更換,造成難起動,運行速度減慢。小電阻失效

17、或未接入,則回路時間常數(shù)加大,使脈沖電流上升沿和下降沿由陡變?yōu)槠教?惡化了頻率特性,也即惡化了步進電動機運行特性。所以,當步進電動機修完后,一定要接入小電阻;檢修過程也必須用萬用表檢測小電阻有無斷路、短路或擊穿故障,如有則應同時更換合格的同規(guī)格小電阻,不要使之失效仍接入線路,不然影響抑制繞組中電感,使系統(tǒng)不同步,又為查找故障增加麻煩。 (2)定轉(zhuǎn)子氣隙不均,使定轉(zhuǎn)子相擦,造成起動困難或運行速度減慢。由于氣隙不均造成定轉(zhuǎn)子相擦,加大了步進電動機靜態(tài)力矩,阻力加大使動態(tài)特性變壞,導致起動和運行速度減慢。當發(fā)生此類故障時,應仔細檢查定轉(zhuǎn)子相擦的原因。根據(jù)造成的具體原因,采取有效措施,排除故障,使氣隙

18、均勻。檢查中如發(fā)現(xiàn)因軸承損壞或端蓋止口與定子外殼不同心所至,應更換新的合格軸承,及新配端蓋,新端蓋止口車削要按外殼止口公差尺寸配車。如檢查出屬轉(zhuǎn)軸變彎,可采取調(diào)直方法調(diào)直彎曲端或更換新軸。測量轉(zhuǎn)子外徑如發(fā)現(xiàn)橢圓度超差,將轉(zhuǎn)子進行精車一刀或磨削加工,消除不圓度。應注意車削或磨削加工時,加工量不宜過大,僅需將橢圓大直徑車去或磨去,否則氣隙加大,會導致電機其它性能變壞。 2、步進電動機運行中失步 當步進電動機改變負載運行時,如帶大慣量負載則產(chǎn)生振蕩,造成電機在某一運行頻率下,起動丟步或停轉(zhuǎn)滑步。造成步進電動機運行中失步。為了消除大慣性負載引起失步,可以采用機械阻尼的方法,用以消除或吸收振蕩能量;也可

19、以通過加大負載的摩擦力矩的方法,從而改善運行特性,消除失步。因為步進電動機受控于電脈沖而產(chǎn)生步進運動,采取如上措施能使電脈沖正常,不受干擾,從而消除電機運行中失步。 另一種失步可能是原采用雙電源供電的而改為單電源供電,又未采取相應補救措施,使起動頻率和運行頻率降低,矩頻特性惡化而失步。當是此種原因所至,應重新恢復雙電源供電。有些使用單位或部門,為簡化電路采用單電源供電造成電動機運行失步,這種做法不當,要知道采用雙電源是為了提高起動和運行兩種頻率,改善矩頻特性,從而改善了輸入步進電動機繞組中脈沖電流的上升沿和下降沿。用單電源供電,脈沖穩(wěn)定電流得不到維持,步進電動機功率相應減小,所以在驅(qū)動中相當于

20、容量減小而過載,效率降低而失步。采用雙電源,用高低兩套電路,即在步進電動機繞組脈沖電流通入瞬間,對其施以高壓,強迫電流上升加速;池電流達到一定值后,再改施以低壓,使電機正常運行。這種措施不僅使驅(qū)動電源容量大大減小,同時也提高了運行效率,改善運行特性,電動機不會失步運行。 3、控制繞組一相反繞,影響正常運行 當步進電動機不能正常運行時,除上述兩種原因影響速度或失步外,可能是定了控制繞組有一相反接。當一相繞組反接,相當于通電電流方向相反,電流相互抵消,電動機在此相內(nèi)無脈沖電流,運行失?；蚋静荒苓\行。在通電情況下,檢測三相電流就能發(fā)現(xiàn)。檢測出反接相后,將該相繞組首末引出線對調(diào),按正確接法接好,再通電運行進行電流的檢測。 4、開路故障 定子控制繞組開路故障,表現(xiàn)為一種是引線接頭處斷或焊接處全脫焊,或從某一匝中導線折斷;另一種情況是導線將斷未斷,如假焊、虛焊,或有裂紋。此故障可采用檢測普通三相電動機斷路方法來檢測,較方便的是用萬用表電阻檔來檢測,當指針