06-步进电机的原理及常见故障-hqg-w

2013年1月17日 韩庆国吉林航空工程学校机械工程系 欢迎数控维修班各位老师光临吉林航空工程校 2 2020 4 19 06 步进电机的原理及常见故障 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移或线位移的的电磁机械装置 在非超载的情况下 电机的转速 停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数 而不受负载变化的影响 当步进驱动器接收到一个脉冲信号 它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度 称为 步距角 它的旋转是以固定的角度一步一步运行的 可以通过控制脉冲个数来控制角位移量 从而达到准确定位的目的 同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度 从而达到调速的目的 3 2020 4 19 一 步进电机的分类 按转矩产生的原理可分为 1 反应式步进电机 2 永磁式步进电机 3 混合式步进电机 从电流的极性上可分为 1 单极性步进电机 2 双极性步进电机 从控制绕组数量上可分为 1 二相步进电机 2 三相步进电机 3 四相步进电机 4 五相步进电机 5 六相步进电机 从运动的型式上可分为 1 旋转步进电机 2 直线步进电机 3 平面步进电机 4 2020 4 19 步进电动机的特点 1 一般步进电机的精度为步进角的3 5 且不累积 2 步进电机外表允许的最高温度 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁 从而导致力矩下降乃至于失步 因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点 一般来讲 磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上 有的甚至高达摄氏200度以上 所以步进电机外表温度在摄氏80 90度完全正常 二 步进电机的特点 5 2020 4 19 3 步进电机的力矩会随转速的升高而下降 当步进电机转动时 电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势 频率越高 反向电动势越大 在它的作用下 电机随频率 或速度 的增大而相电流减小 从而导致力矩下降 4 步进电机低速时可以正常运转 但若高于一定速度就无法启动 并伴有啸叫声 步进电机有一个技术参数 空载启动频率 即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率 如果脉冲频率高于该值 电机不能正常启动 可能发生丢步或堵转 在有负载的情况下 启动频率应更低 如果要使电机达到高速转动 脉冲频率应该有加速过程 即启动频率较低 然后按一定加速度升到所希望的高频 电机转速从低速升到高速 二 步进电机的特点 6 2020 4 19 二 步进电机的特点 随着嵌入式系统 例如打印机 磁盘驱动器 玩具 雨刷 震动寻呼机 机械手臂和录像机等 的日益流行 步进电机的使用也开始暴增 在工业 军事 医疗 汽车 娱乐业中都有重要的应用 步进电机是由一组缠绕在电机固定部件 定子齿槽上的线圈驱动的 通常情况下 一根绕成圈状的金属丝叫做螺线管 而在电机中 绕在齿上的金属丝则叫做绕组 线圈 或相 下面简要介绍一下步进电机的原理 7 2020 4 19 三 步进电机的结构 华中数控 磁性材料按照磁化后去磁的难易程度 可分为软磁性材料 硅钢片 和硬磁性材料 铁氧体 磁化后容易去掉磁性的物质叫软磁材料 不容易去磁的物质叫硬磁材料 一般来讲软磁性材料剩磁较小 硬磁性材料剩磁较大 永磁式 永磁式步进电机的转子用永磁材料 铁氧体 制成 转子的极数与定子的极数相同 其特点是动态性能好 输出力矩大 但这种电机精度差 步矩角大 一般为7 5 或15 8 2020 4 19 1 永磁步进电机的结构原理 励磁式 永磁步进电机的结构原理 华中数控 9 2020 4 19 2 反应式步进电机 华中数控 反应式 定子上有绕组 转子由软磁材料 硅钢片 组成 结构简单 成本低 步距角小 可达1 2 但动态性能差 效率低 发热大 可靠性难保证 10 2020 4 19 3 混合式步进电机 华中数控 混合式步进电机结构原理图 混合式 混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点 其定子上有多相绕组 转子上采用永磁材料 转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度 其特点是输出力矩大 动态性能好 步距角小 但结构复杂 成本相对较高 11 2020 4 19 下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理 三相反应式步进电动机的原理结构图如下 定子内圆周均匀分布着六个磁极 磁极上有励磁绕组 每两个相对的绕组组成一相 转子有四个齿 四 步进电机的原理 12 2020 4 19 1 三相单三拍 A相绕组通电 B C相不通电 由于在磁场作用下 转子总是力图旋转到磁阻最小的位置 故在这种情况下 转子必然转到左图所示位置 1 3齿与A A 极对齐 四 步进电机的原理 13 2020 4 19 同理 B相通电时 转子会转过30 角 2 4齿和B B 磁极轴线对齐 当C相通电时 转子再转过30 角 1 3齿和C C磁极轴线对齐 四 步进电机的原理 14 2020 4 19 这种工作方式下 三个绕组依次通电一次为一个循环周期 一个循环周期包括三个工作脉冲 所以称为三相单三拍工作方式 按A B C A 的顺序给三相绕组轮流通电 转子便一步一步转动起来 每一拍转过30 步距 每个通电循环周期 3拍 转过90 一个齿距角 2 三相六拍按A AB B BC C CA的顺序给三相绕组轮流通电 这种方式可以获得更精确的控制特性 15 2020 4 19 A相通电 转子1 3齿与A A 对齐 A B相同时通电 A A 磁极拉住1 3齿 B B 磁极拉住2 4齿 转子转过15 到达左图所示位置 16 2020 4 19 B相通电 转子2 4齿与B B 对齐 又转过15 B C相同时通电 C C磁极拉住1 3齿 B B 磁极拉住2 4齿 转子再转过15 17 2020 4 19 三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下 A AB B BC C CA 每个循环周期分为六拍 每拍转子转过15 步距角 一个通电循环周期 6拍 转子转过90 齿距角 与单三拍相比 六拍驱动方式的步进角更小 更适用于需要精确定位的控制系统中 3 三相双三拍按AB BC CA的顺序给三相绕组轮流通电 每拍有两相绕组同时通电 18 2020 4 19 与单三拍方式相似 双三拍驱动时每个通电循环周期也分为三拍 每拍转子转过30 步距角 一个通电循环周期 3拍 转子转过90 齿距角 19 2020 4 19 从以上对步进电机三种驱动方式的分析可得步距角计算公式 实用步进电机的步距角多为3 和1 5 为了获得小步距角 电机的定子 转子都做成多齿的 20 2020 4 19 1 驱动电路 步进电机绕组的驱动电路 单极性电流一般采用下图双管串联电路 双极性电流一般采用下图的H桥电路 三相混合式步进电机则采用三相逆变桥电路 见下图 华中数控 四 步进电机的驱动电路 控制方式及接线 21 2020 4 19 2 进电动机绕组电流控制电路 华中数控 22 2020 4 19 4 步进电机的接线图 华中数控 华中数控 23 2020 4 19 华中数控 24 2020 4 19 华中数控 华中数控 百格拉公司步进电机WD3 007的面板接线 25 2020 4 19 控制信号说明 PULSE 脉冲信号输入端 每一个脉冲的上升沿使电动机转动一步 DIR 方向信号输入端 如 DIR 为低电平 电机按顺时针方向旋转 DIR 为高电平电机按逆时针方向旋转 CW 正转信号 每个脉冲使电机正向转动一步 CCW 反转信号 每个脉冲使电机反向转动一步 华中数控 华中数控 26 2020 4 19 RESET 复位信号 如复位信号为低电平时 输入脉冲信号起作用 如果复位信号为高电平时就禁止任何有效的脉冲 输入信号无效 电机无保持扭矩 READDY 输入报警信号 READY是继电器开关 当驱动器正常工作时继电器闭合 当驱动器工作异常时继电器断开 继电器允许最高输入电压和电流是 35VDC 10mA I 200mA 电阻性负载 如用该继电器 要把他串联到CNC的某输入端 当驱动器正常工作时继电器闭合 外部24VDC通过继电器输入到CNC输入端 否则外部24VDC无法输入到CNC输入端 注意 PULSE 与CW PULSE 与CW DIR 与CCW 对应同一个接线口 按控制方式不同给出的两种定义名称 华中数控 27 2020 4 19 1 步距角和步距误差 转子每步转过的空间机械角度 即步距角 为 360 Z N其中Z 转子齿数 N 运行拍数 步进电机每走一步 转子实际的角位移与设计的步距角存在有步距误差 连续走若干步时 上述误差形成累积值 转子转过一圈后 回至上一转的稳定位置 因此步进电机步距的误差不会长期积累 步进电机步距的积累误差 是指一转范围内步距积累误差的最大值 步距误差和积累误差通常用度 分或者步距角的百分比表示 影响步距误差和积累误差的主要因素有 齿与磁极的分度精度 铁心迭压及装配精度 各相矩角特性之间差别的大小 气隙的不均匀程度等 华中数控 五 步进电机的主要特性 28 2020 4 19 所谓静态是指电机不改变通电状态 转子不动时的工作状态 空载时 步进电机某相通以直流电流时 该相对应的定 转子齿对齐 这时转子无转矩输出 如在电机轴上加一顺时针方向的负载转矩 步进电机转子则按顺时针方向转过一个小角度 称为失调角 这时转子电磁转矩T与负载转矩相等 矩角特性是描述步进电机稳态时 电磁转矩与失调角 之间关系的曲线 或称为静转矩特性 华中数控 2 静态矩角特性和最大静转矩特性 29 2020 4 19 矩频特性是用来描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系曲线 矩频特性曲线上每一频率所对应的转矩称为动态转矩 动态转矩除了和步进电机结构及材料有关外 还与步进电机绕组连接 驱动电路 驱动电压有密切的关系 下图是混合式步进电机连续运行时的典型的矩频特性曲线 华中数控 3 步进电机矩频特性 30 2020 4 19 4 启动惯频特性 在负载转矩ML 0的条件下 步进电动机由静止状态突然启动 不丢步地进入正常运行状态所允许的最高启动频率 称为启动频率或突跳频率 超过此值就不能正常启动 启动频率与机械系统的转动惯量有关 包括步进电动机转子的转动惯量 加上其它运动部件折算至步进电动机轴上的转动惯量 下图表示启动频率与负载转动惯量之间的关系 随着负载惯量的增加 起动频率下降 若同时存在负载转矩ML 则起动频率将进一步降低 在实际应用中 由于ML的存在 可采用的启动频率要比惯频特性还要低 华中数控 31 2020 4 19 可以讲细分驱动器是将脉冲拍数进行细分或将旋转磁场进行数字化处理 是将磁场进行细分 其控制精度取决于步进电机自身精度的高低 不过也可根据不同厂家的步进电机进行修正 但这不是一般驱动器生产厂家所能做到的 因此细分驱动器往往用在减少噪音和提高电机轴输出的平稳性上 华中数控 5 M535步进电机驱动器细分设置 本驱动器提供2 256细分 在步进电机步距角不能满足使用的条件下 可采用细分驱动器来驱动步进电机 细分驱动器的原理是通过改变相邻 A B 电流的大小 以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的 32 2020 4 19 1 按驱动器前面板表格将细分数设置为16 华中数控 33 2020 4 19 2 步进电机驱动器的电流选择 拨码开关1 2 3可以选择驱动器的电流大小 下表不同的拨码方式对应的电流大小也不同 通过下表可以看出其对应关系 华中数控 34 2020 4 19 步进电机由于静止时的电流很大 所以一般驱动器都提供半流功能 首先将半流功能打开 让驱动器带电的情况下静止30分钟 测出此时的电机温度 并记录下来 然后待电机冷却后 将半流功能关闭 让驱动器带电的情况下静止30分钟 测出此时的电机温度 并记录下来 与上次所测的温度进行比较即可看出半流功能的作用 7 半流功能 华中数控 35 2020 4 19 六 步进电机常见问题 1 细分驱动器的细分数是否能代表精度 步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术 其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动 提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能 比如对于步进角为1 8 的两相混合式步进电机 如果细分驱动器的细分数设置为4 那么电机的运转分辨率为每个脉冲0 45 电机的精度能否达到或接近0 45 还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素 不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大 细分数越大精度越难控制 36 2020 4 19 2 如何克服两相混合式步进电机在低速运转时的振动和噪声 步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点 一般可采用以下方案来克服 A 如步进电机正好工作在共振区 可通过改变减速比等机械传动避开共振区 B 采用带有细分功能的驱动器 这是最常用的 最简便的方法 C 换成步距角更小的步进电机 如三相或五相步进电机 D 换成交流伺服电机 几乎可以完全克服震动和噪声 但成本较高 E 在电机轴上加磁性阻尼器 市场上已有这种产品 但机械结构改变较大 华中数控 37 2020 4 19 如果由两相驱动器来驱动 连接时可以采用串联接法或并联接法将四相电机接成两相使用 串联接法一般在电机转速较低的场合使用 此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的0 7倍 因而电机发热小 并联接法一般在电机转速较高的场合使用 又称高速接法 所需要的驱动器输出电流为电机相电流的1 4倍 因而电机发热较大 华中数控 3 二 四相混合式步进电机的使用 38 2020 4 19 将步进电机定子绕改为并联接法 注 绕组并联后 应将步进电机的电流设置增大一倍 才不至于降低了低频段的输出转矩 华中数控 39 2020 4 19 4 步进电机发热及处理对策 步进电机作为一种数字式执行元件 在运动控制系统中得到广泛的应用 许多用户在使用步进电机的时候 感觉电机工作时有较大的发热 实际上发热是步进电机的一个普遍现象 但怎样的发热程度才算正常 以及如何尽量减小步进电机发热呢 华中数控 40 2020 4 19 1 步进电机为什么会发热 对于各种步进电机而言 内部都是由铁芯和绕组线圈组成的 绕组有电阻 通电会产生损耗 损耗大小与电阻和电流的平方成正比 这就是我们常说的铜损 铁心有磁滞涡流效应 在交变磁场中也会产生损耗 其大小与材料 电流 频率 电压有关 这叫铁损 铜损和铁损都会以发热的形式表现出来 从而影响电机的效率 步进电机一般追求定位精度和力矩输出 效率比较低 电流一般比较大 且谐波成分高 电流交变的频率也随转速而变化 因而步进电机普遍存在发热情况 且情况比一般交流电机严重 华中数控 41 2020 4 19 电机发热允许到什么程度 主要取决于电机内部绝缘等级 内部绝缘性能在高温下 130度以上 才会被破坏 所以只要内部不超过130度 电机便不会损坏 而这时表面温度会在90度以下 步进电机表面温度在70 80度都是正常的 简单的温度测量方法有用点温计的 也可以粗略判断 用手可以触摸1 2秒以上 2 步进电机发热的合理范围 42 2020 4 19 3 步进电机发热随速度变化的情况 采用恒流驱动技术时 步进电机在静态和低速下 电流会维持相对恒定 以保持恒力矩输出 速度高到一定程度 电机内部反电势升高 电流将逐步下降 力矩也会下降 因此 因铜损带来的发热情况就与速度相关了 静态和低速时一般发热高 高速时发热低 但是铁损 虽然占的比例较小 变化的情况却不尽然 而电机整个的发热是二者之和 所以上述只是一般情况 华中数控 43 2020 4 19 电机发热虽然一般不会影响电机的寿命 对大多数客户来说没必要理会 但是 严重的发热会带来一些负面影响 如 电机内部各部分热膨胀系数不同导致结构应力的变化和内部气隙的微小变化 会影响电机的动态响应 高速会容易失步 有些场合不允许电机的过度发热 如医疗器械和高精度的测试设备等 因此对电机的发热应当进行必要的控制 4 发热带来的影响 华中数控 44 2020 4 19 5 如何减少电机的发热 减少发热 就是减少铜损和铁损 减少铜损有两个方向 减少电阻和电流 这就要求在选型时尽量选择电阻小和额定电流小的电机 但是这往往与力矩和高速的要求相抵触 对于已经选定的电机 则应充分利用驱动器的自动半流控制功能和脱机功能 前者在电机处于静态时自动减少电流 后者干脆将电流切断 细分驱动器由于电流波形接近正弦 谐波少 电机发热也会较少 减少铁损的办法不多 电压等级与之有关 高压驱动的电机虽然会带来高速特性的提升 但也带来发热的增加 所以应当选择合适的驱动电压等级 兼顾高速性 平稳性和发热 噪音等指标 华中数控 45 2020 4 19 1 电机不运转1 驱动器无供电电压2 驱动器保险丝熔断3 驱动器报警 过电压 欠电压 过电流 过热 4 驱动器与电机连线断线5 系统参数设置不当6 驱动器使能信号被封锁7 接口信号线接触不良8 驱动器电路故障9 电机卡死或者出现故障10 电动机生锈11 指令脉冲太窄 频率过高 脉冲电平太低 七 步进电机常见故障及分析 46 2020 4 19 2 电机起动后堵转1 指令频率太高2 负载转矩太大3 加速时间太短4 负载惯量太大5 电源电压降低 华中数控