步进电机及驱动常见故障分析与处理

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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

2、 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 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

3、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

4、 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。 三.步进电机的驱动电路、控制方式及接线图（ 一 ） . 驱 动 电 路 ： (a) (b) (c) VDC VDC VDC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 VDC PWMA + = - = 电 流

5、检 测 *i （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- +12345614715819210311412513世 纪 星H NC-21XS30 A+A-B+B-Z+Z-+5V+5VG NDG NDCP+CP-D

6、IR+DIR- PUL+PUL-DIR+DIR-P1 P2步 进 驱 动 器MS535 B D ACBD AC电 机 57HS13混 合 步 进 电 机A+A-B+B- AC30V（四）. 步进电机的接线图 PULSE/CW+PULSE/CW-DIR/CCW+DIR/CCW-RESET+RESET-READYREADYRDYTEMPFLTMOT.CURRSTEP1STEP2CURR.REDPULSE.SYSDC+DC-UVWPEL NPEWD3-007 信 号 接 口 ： PULSE+ 电 机 输 入 控 制 脉 冲 信 号 ；DIR+ 电 机 转 动 方 向 控 制 信 号 ；RESET+

7、复 位 信 号 ， 用 于 封 锁 输 入 信 号 ；READY+ 报 警 信 号 ；PULSE-、 DIR-、 RESET-和 READY-短 接 为 公 共 地 ；状 态 指 示 ： RDY灯 亮 表 示 驱 动 器 正 常 工 作 ；TEMP灯 亮 表 示 驱 动 器 超 温 ；FLT灯 亮 表 示 驱 动 器 故 障 ；功 能 选 择 ： MOT.CURR 设 置 电 机 相 电 流 ；STEP1、 STEP2 设 置 电 机 每 转 的 步 数 ；PULSE.SYS 可 设 置 成 “ 脉 冲 和 方 向 ” 控 制 方 式 ；也 可 设 置 成 “ 正 转 和 反 转 ” 控 制

8、方 式 ；CURR.RED 用 于 设 置 半 流 功 能 ；功 率 接 口 ： DC+和 DC-接 制 动 电 容 （ 用 户 使 用 时 请 与 代 理 商 联 系 ） ；U、 V、 W接 电 机 动 力 线 ， PE是 地 ；L、 N接 供 电 电 源 ； 百 格 拉 公 司 步 进 电 机 WD3-007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 ； “

9、 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

10、 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

11、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 步 进 电 机 步 距 的 误 差 不 会 长 期 积 累 。 步 进电 机 步 距

12、 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

13、 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 。 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 ，

14、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 图 起 动 惯 频 特 性 f（ Hz） JL0 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

15、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 ） 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

16、 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 0Nm 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

17、、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

18、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. 传动间隙大小不均； 5. 传动间隙产生的零件有弹性变形； 6. 电动机工作在震荡失步区； 7. 电路总清零使用不当； 8. 干扰 （十）. 无力或者是出力降低： 1. 驱动电源故障 2. 电动机绕组内部发生错误 3. 电动机绕组碰到机壳，发生相间短路或者 线头脱落； 4. 电动机轴断 5. 电动机定子与转子之间的气隙过大； 6. 电源电压过低 谢谢！