步進電機及驅動常見故障分析與處理

1、步進驅動系統(tǒng)原理步進驅動系統(tǒng)原理 常見故障常見故障 分析及處理分析及處理 一、一、步進電機的工作原理步進電機的工作原理 步進電機是一種能將數(shù)字脈沖以軸步進一個步距步進電機是一種能將數(shù)字脈沖以軸步進一個步距 角增量，因此，步進電機能很方便地將電脈沖轉換角增量，因此，步進電機能很方便地將電脈沖轉換 為角位移，具有較好的定位精度，無漂移和無積累為角位移，具有較好的定位精度，無漂移和無積累 定位誤差的優(yōu)點，能跟蹤一定頻率范圍的脈沖列，定位誤差的優(yōu)點，能跟蹤一定頻率范圍的脈沖列， 可作同步電動機使用，廣泛地應用于各種小型自動可作同步電動機使用，廣泛地應用于各種小型自動 化設備及儀器。化設備及儀器。 二二

2、. .步進電機的分類：步進電機的分類： 按轉矩產(chǎn)生的原理可分為按轉矩產(chǎn)生的原理可分為: : 1.1.反應式步進電機反應式步進電機; ; 2.2.永磁式步進電機永磁式步進電機; ; 3.3.混合式步進電機；混合式步進電機； 可變磁阻式步進電機又稱為反應式步進電機，它的工作原理是由改變 電動機的定子和轉子的軟鋼齒之間的電磁引力來改變定子和轉子的 相對位置，這種電動機結構簡單、步距角小。 永磁式步進電機的轉子鐵心上裝有多條永久磁鐵，轉子的轉動與定 位是由定、轉子之間的電磁引力與磁鐵磁力共同作用的。與反應式 步進電機相比，相同體積的永磁式步進電動機轉矩大，步距角也大。 混合式步進電機結合了反應式步進電

3、機和永磁式步進電機的優(yōu)點， 采用永久磁鐵提高電動機的轉矩，采用細密的極齒來減小步距角， 是目前數(shù)控機床上應用最多的步進電動機。 按步進電動機輸出轉矩的大小可分為： 1.快速步進電動機 2.功率步進電動機 快速步進電動機連續(xù)工作頻率高，而輸出轉矩小。功率步進電動機的 輸出轉矩比較大，數(shù)控機床一般采用功率步進電動機。 從電流的極性上可分為從電流的極性上可分為: : 1. 1.單極性步進電機單極性步進電機; ; 2. 2.雙極性步進電機雙極性步進電機 從控制繞組數(shù)量上可分為從控制繞組數(shù)量上可分為: : 1.1.二相步進電機二相步進電機; ; 2. 2.三相步進電機三相步進電機; ; 3. 3.四相步

4、進電機四相步進電機; ; 4. 4.五相步進電機五相步進電機; ; 5. 5.六相步進電機；六相步進電機； 從運動的型式上可分為：從運動的型式上可分為： 1.1.旋轉步進電機。旋轉步進電機。 2. 2.直線步進電機。直線步進電機。 3. 3.平面步進電機。平面步進電機。 三.步進電機的驅動電路、控制方式及接線圖 （一）. 驅動電路： (a) (b) (c) V DCVDCV DC 步進電機繞組的驅動電路，單極性電流一般采用下圖雙管串聯(lián)電路, 雙極性電流一般采用下圖的H橋電路; 對于三相混合式步進電機則采用三相逆變橋電路, （二）步進電動機繞組電流控制電路 VDC PWMA + = - = 電流

5、檢測 * i （三）.控制方式： 步進電機的控制方式一般可分為開環(huán)控制和反饋補償閉環(huán)控制,見下圖a 和下圖b. 步進電機控制方式 方向 脈沖 步進電機驅動器步進電機驅動器 步進電機步進電機 工作臺工作臺 (a)開環(huán)控制 比較、補償脈沖比較、補償脈沖 脈沖混合器脈沖混合器 步進電機驅步進電機驅 動器動器 步進電機步進電機 指令指令 工作臺工作臺 位置測量位置測量 (b)反饋補償閉環(huán)控制 圖9步進電機與控制器連接框圖流 - + 1 2 3 4 5 6 14 7 15 8 1 9 2 10 3 11 4 12 5 13 世紀星世紀星 HNC-21 XS30 A+ A- B+ B- Z+ Z- +5V

6、 +5V GND GND CP+ CP- DIR+ DIR- PUL+ PUL- DIR+ DIR- P1 P2 步進驅動器 MS535 BD A C B D A C 電機 57HS13 混合步進電機 A+ A- B+ B- AC30V （四）（四）. 步進電機的接線圖步進電機的接線圖 PULSE/CW+ PULSE/CW- DIR/CCW+ DIR/CCW- RESET+ RESET- READY READY RDY TEMP FLT MOT.CURR STEP1 STEP2 CURR.RED PULSE.SYS DC+ DC- U V W PE L N PE WD3-007 信號接口：PU

7、LSE+電機輸入控制脈沖信號； DIR+電機轉動方向控制信號； RESET+復位信號，用于封鎖輸入信號； READY+報警信號； PULSE-、DIR-、RESET-和READY-短接為公共地； 狀態(tài)指示：RDY燈亮表示驅動器正常工作； TEMP燈亮表示驅動器超溫； FLT燈亮表示驅動器故障； 功能選擇：MOT.CURR設置電機相電流； STEP1、STEP2設置電機每轉的步數(shù)； PULSE.SYS可設置成“脈沖和方向”控制方式； 也可設置成“正轉和反轉”控制方式； CURR.RED用于設置半流功能； 功率接口：DC+和DC-接制動電容 （用戶使用時請與代理商聯(lián)系）； U、V、W接電機動力線，

8、PE是地； L、N接供電電源； 百格拉公司步進電機百格拉公司步進電機WD3-007WD3-007的面板接線圖的面板接線圖 控制信號定義控制信號定義 PULSE： 脈沖信號輸入端，每一個脈沖的上升沿使電機轉動一步。 DIR： 方向信號輸入端，如“DIR”為低電平，電機按順時針方向旋轉； “DIR”為高電平電機按逆時針方向旋轉。 CW： 正轉信號，每個脈沖使電機正向轉動一步。 CCW： 反轉信號，每個脈沖使電機反向轉動一步。 RESET：復位信號，如復位信號為低電平時,輸入脈沖信號起作用，如果復 位信號為高電平時就禁止任何有效的脈沖，輸入信號無效，電機無 保持扭矩。 READDY: 輸入報警信號：

9、READY是繼電器開關，當驅動器正常工作時繼電器閉 合，當驅動器工作異常時繼電器斷開。繼電器允許最高輸入電壓和電 流 是：35VDC，10mAI200mA，電阻性負載。如用該繼電器，要把他串 聯(lián) 到CNC的某輸入端。當驅動器正常工作時繼電器閉合，外部24VDC通過 繼 電器輸入到CNC輸入端，否則外部24VDC無法輸入到CNC輸入端。 注意：PULSE+與CW+，PULSE-與CW-，DIR-與CCW-對應同一個接線口，按控制方式不 同給出的兩種定義名稱。 （一） 步距角和步距誤差： 轉子每步轉過的空間機械角度，即步距角轉子每步轉過的空間機械角度，即步距角為為 =360=360/Z/Z* *N

10、 N 其中其中 Z-Z-轉子齒數(shù)，轉子齒數(shù)，N-N-運行拍數(shù)。運行拍數(shù)。 步進電機每走一步，轉子實際的角位移與設計的步距角存在有步距 誤差。連續(xù)走若干步時，上述誤差形成累積值。轉子轉過一圈后，回 至上一轉的穩(wěn)定位置，因此步進電機步距的誤差不會長期積累。步進 電機步距的積累誤差，是指一轉范圍內步距積累誤差的最大值，步距 誤差和積累誤差通常用度、分或者步距角的百分比表示。影響步距誤 差和積累誤差的主要因素有: 齒與磁極的分度精度；鐵心迭壓及裝配 精度；各相矩角特性之間差別的大小；氣隙的不均勻程度等。 四四. . 步進電機的主要特性：步進電機的主要特性： （二）靜態(tài)矩角特性和最大靜轉矩特性：（二）靜

11、態(tài)矩角特性和最大靜轉矩特性： 所謂靜態(tài)是指電機不改變通電狀態(tài)，轉子不動時的工作狀態(tài)。 空載時，步進電杌某相通以直流電流時，該相對應的定、轉子齒 對齊，這時轉子無轉矩輸出。如在電機軸上加一順時針方向的負 載轉矩，步進電機轉子則按順時針方向轉過一個小角度，稱為 失調角,這時轉子電磁轉矩T與負載轉矩相等。矩角特性是描述步 進電機穩(wěn)態(tài)時，電磁轉矩與失調角之間關系的曲線，或稱為靜 轉矩特性。 T 0 圖10步進電機矩角特性 （三）啟動慣頻特性啟動慣頻特性 圖 起 動 慣 頻 特 性 f（ H z） JL0 在負載轉矩ML=0的條件下，步進電動機由靜止狀態(tài)突然啟動，不丟步地進入正常 運行狀態(tài)所允許的最高啟

12、動頻率，稱為啟動頻率或突跳頻率，超過此值就不能正 常啟動。啟動頻率與機械系統(tǒng)的轉動慣量有關，包括步進電動機轉子的轉動慣量， 加上其它運動部件折算至步進電動機軸上的轉動慣量。下圖表示啟動頻率與負載 轉動慣量之間的關系。隨著負載慣量的增加，起動頻率下降。若同時存在負載轉 矩ML；則起動頻率將進一步降低。在實際應用中，由于ML的存在，可采用的啟動 頻率要比慣頻特性還要低。 （四）步進電機矩頻特性：（四）步進電機矩頻特性： 矩頻特性是用來描述步進電機連續(xù)穩(wěn)定運行時輸出轉矩寫連續(xù)運行頻率之 間的關系曲線。矩頻特性曲線上每一頻率所對應的轉矩稱為動態(tài)轉矩。動 態(tài)轉矩除了和步進電機結構及材料有關外，還寫步進電

13、機繞組連接、驅動 電路、驅動電壓有密切的關系。下圖是混合式步進電機連續(xù)運行時的典型 的矩頻特性曲線。 T 0 Nm 繞組并聯(lián)繞組并聯(lián) 繞組串聯(lián)繞組串聯(lián) f 步進電機矩頻特性 （一）.電機不運轉 ： 1. 驅動器無直流供電電壓；驅動器無直流供電電壓； 2. 驅動器保險絲熔斷；驅動器保險絲熔斷； 3. 驅動器報警驅動器報警(過電壓、欠電壓、過電流、過熱過電壓、欠電壓、過電流、過熱)； 4. 驅動器與電機連線斷線；驅動器與電機連線斷線； 5. HNC-21 軸參數(shù)設置不當；軸參數(shù)設置不當； 6. 驅動器使能信號被封鎖；驅動器使能信號被封鎖； 7. 接口信號線接觸不良；接口信號線接觸不良； 8. 驅動

14、器電路故障驅動器電路故障 9. 電機卡死或者出現(xiàn)故障電機卡死或者出現(xiàn)故障 10. 電動機生銹，電動機生銹， 11. 指令脈沖太窄、頻率過高、脈沖電平太低。指令脈沖太窄、頻率過高、脈沖電平太低。 五五. 步進電機常見故障及分析：步進電機常見故障及分析： （二）.電機起動后堵轉 1. 1. 指令頻率太高；指令頻率太高； 2. 2. 負載轉矩太大；負載轉矩太大； 3. 3. 加速時間太短；加速時間太短； 4. 4. 負載慣量太大；負載慣量太大； 5. 5. 直流電源電壓降低。直流電源電壓降低。 （三）（三）. .電機運轉不均勻，有抖動電機運轉不均勻，有抖動 1. 1. 指令脈沖不均勻；指令脈沖不均勻

15、； 2. 2. 指令脈沖太窄；指令脈沖太窄； 3. 3. 指令脈沖電平不正確；指令脈沖電平不正確； 4. 4. 指令脈沖電平與驅動器不匹配；指令脈沖電平與驅動器不匹配； 5. 5. 脈沖信號存在噪聲；脈沖信號存在噪聲； 6. 6. 脈沖頻率與機械發(fā)生共振。脈沖頻率與機械發(fā)生共振。 （四）.電機運轉不規(guī)則，正反轉地搖擺 1. 指令脈沖頻率與電機發(fā)生共振；指令脈沖頻率與電機發(fā)生共振； 2. 外部干擾。外部干擾。 （五）.電機定位不準 1. 1. 加減速時間太?。患訙p速時間太??； 2. 2. 存在干擾噪聲；存在干擾噪聲； 3. 系統(tǒng)屏蔽不良。系統(tǒng)屏蔽不良。 （六） . 電機過熱： 1. 工作環(huán)境過于

16、惡劣，環(huán)境溫度過高；工作環(huán)境過于惡劣，環(huán)境溫度過高； 2. 參數(shù)選擇不當，如電流過大，超過相電流；參數(shù)選擇不當，如電流過大，超過相電流； 3. 電壓過高。電壓過高。 （七）. 工作過程中停車： 1. 驅動電源故障；驅動電源故障； 2. 電動機線圈匝間短路或接地；電動機線圈匝間短路或接地； 3. 繞組燒壞；繞組燒壞； 4. 脈沖發(fā)生電路故障；脈沖發(fā)生電路故障； 5. 雜物卡住。雜物卡住。 （八）. 噪聲大： 1. 低頻共振區(qū)；低頻共振區(qū)； 2. 純慣性負載、正反轉頻繁；純慣性負載、正反轉頻繁； （九）. 失步或者多步： 1. 負載過大，超過電動機的承載能力；負載過大，超過電動機的承載能力； 2. 負載忽大忽小；負載忽大忽??； 3. 負載的轉動慣量過大，啟動是失步、停車時過沖；負載的轉動慣量過大，啟動是失步、停車時過沖； 4. 傳動間隙大小不均；傳動間隙大小不均； 5. 傳動間隙產(chǎn)生的零件有彈性變形；傳動間隙產(chǎn)生的零件