步进电机及驱动常见故障分析与处理

1、步进驱动系统原理常见故障分析及处理,一、步进电机的工作原理 步进电机是一种能将数字脉冲以轴步进一个步距角增量，因此，步进电机能很方便地将电脉冲转换为角位移，具有较好的定位精度，无漂移和无积累定位误差的优点，能跟踪一定频率范围的脉冲列，可作同步电动机使用，广泛地应用于各种小型自动化设备及仪器。,二.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； 可变磁阻式步进电机又称为反应式步进电机，它的工作原理是由改变电动机的定子和转子的软钢齿之间的电磁引力来改变定子和转子的相对位置，这种电动机结构简单、步距角小。 永磁式步进电机的转子铁心上装有多

2、条永久磁铁，转子的转动与定位是由定、转子之间的电磁引力与磁铁磁力共同作用的。与反应式步进电机相比，相同体积的永磁式步进电动机转矩大，步距角也大。 混合式步进电机结合了反应式步进电机和永磁式步进电机的优点，采用永久磁铁提高电动机的转矩，采用细密的极齿来减小步距角，是目前数控机床上应用最多的步进电动机。,按步进电动机输出转矩的大小可分为： 1. 快速步进电动机 2. 功率步进电动机 快速步进电动机连续工作频率高，而输出转矩小。功率步进电动机的输出转矩比较大，数控机床一般采用功率步进电动机。 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

3、; 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。,三.步进电机的驱动电路、控制方式及接线图 （一）. 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; 对于三相混合式步进电机则采用三相逆变桥电路,（二）步进电动机绕组电流控制电路,（三）.控制方式： 步进电机的控制方式一般可分为开环控制和反馈补偿闭环控制,见下图a和下图b.,步进电机控制方式,方向,脉冲,步进电机驱动器,步进电机,工作台,(a) 开环控制,比较、补偿脉冲

4、,脉冲混合器,步进电机驱动器,步进电机,指令,工作台,位置测量,(b) 反馈补偿闭环控制,图9 步进电机与控制器连接框图流,-,+,1,2,3,4,5,6,14,7,15,8,1,9,2,10,3,11,4,12,5,13,世纪星,HNC-21,XS30,A+,A-,B+,B-,Z+,Z-,+5V,+5V,GND,GND,CP+,CP-,DIR+,DIR-,PUL+,PUL-,DIR+,DIR-,P1,P2,步进驱动器,MS535,B,D,A,C,B,D,A,C,电机,57HS13,混合步进电机,A+,A-,B+,B-,AC 30V,（四）. 步进电机的接线图,百格拉公司步进电机WD3-007

5、的面板接线图,控制信号定义,PULSE： 脉冲信号输入端，每一个脉冲的上升沿使电机转动一步。 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。 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：

6、35VDC，10mAI200mA，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。,（一） 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

7、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。,四. 步进电机的主要特性：,（二）静态矩角特性和最大静转矩特性： 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，步进电杌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

8、。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。,T,0,图10 步进电机矩角特性,（三）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。,（四）

9、步进电机矩频特性： 矩频特性是用来描述步进电机连续稳定运行时输出转矩写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，还写步进电机绕组连接、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。,T,0,Nm,绕组并联,绕组串联,f,步进电机矩频特性,（一）.电机不运转 ： 1. 驱动器无直流供电电压； 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. HNC-21 轴参数设置不当； 6. 驱动器使能信号被封锁； 7. 接口信号线接触

10、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。,五. 步进电机常见故障及分析：,（二）.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. 直流电源电压降低。,（三）.电机运转不均匀，有抖动 1. 指令脉冲不均匀； 2. 指令脉冲太窄； 3. 指令脉冲电平不正确； 4. 指令脉冲电平与驱动器不匹配； 5. 脉冲信号存在噪声； 6. 脉冲频率与机械发生共振。,（四）. 电机运转不规则，正反转地摇摆,1. 指令脉冲频率与电机发生共振； 2. 外部干扰。,（五）. 电机定位不准,1. 加减速时间太小； 2. 存在干扰噪声； 3. 系统屏蔽不良。,（六） . 电机过热： 1. 工作环境过于恶劣，环境温度过高； 2. 参数选择不当，如电流过大，超过相电流； 3. 电压过高。,（七）. 工作过程中停车： 1. 驱动电源故障； 2. 电动机线圈匝间短路或接地； 3. 绕组烧坏； 4. 脉冲发生电路故障； 5. 杂物卡住。,（八）. 噪声大： 1. 低频共振区； 2. 纯惯性负载、正反转频繁；,（九）. 失步或者多步： 1. 负载过大，超过电动机的承载能力； 2. 负载忽大忽小； 3. 负载的转动惯量过大，启动是失步、停车时过冲； 4. 传动间隙