步進電機常見故障及處理

步進電機常見故障及處理第一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日一、步進電機常用術(shù)語二、步進電機的分類三、工作原理四、步進電機的驅(qū)動電路、控制方式及接線五、步進電機的主要特性：六、步進電機常見問題七、步進電機常見故障及分析：八、步進電機的選擇主要內(nèi)容第二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日1、步進電機的靜態(tài)指標術(shù)語

產(chǎn)生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示

完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.一、步進電機常用術(shù)語相數(shù)：拍數(shù)：第三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

電機在不通電狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）步距角：定位轉(zhuǎn)矩：對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。θ=360度/（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機為例：

四拍運行時步距角為：

θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步）八拍運行時步距角：

θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）第四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉(zhuǎn)運動時，電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。靜轉(zhuǎn)矩：第五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日2、步進電機動態(tài)指標及術(shù)語：

步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：

誤差/步距角*100%。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運行時應(yīng)在15%以內(nèi)。

電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。步距角精度：失步：第六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅(qū)動是不能解決的。

電機電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。失調(diào)角：最大空載起動頻率：第七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

電機在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉(zhuǎn)速頻率。

電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù)。最大空載的運行頻率：運行矩頻特性：第八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

步進電機均有固定的共振區(qū)域

電機驅(qū)動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然。為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。

當電機繞組通電時序為AB-BC-CD-DA或()時為正轉(zhuǎn)，通電時序為DA-CA-BC-AB或()時為反轉(zhuǎn)。電機的共振點：電機正反轉(zhuǎn)控制：第九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等

電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然，電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。其中，曲線3電流最大、或電壓最高;曲線1電流最小、或電壓最低，曲線與負載的交點為負載的最大速度點。要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動電壓，使采用小電感大電流的電機。第十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日二、步進電機的分類：按轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理可分為:

1.反應(yīng)式步進電機;2.永磁式步進電機;3.混合式步進電機；從電流的極性上可分為:

1.單極性步進電機;2.雙極性步進電機第十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

從控制繞組數(shù)量上可分為:

1.二相步進電機;2.三相步進電機;3.四相步進電機;4.五相步進電機;5.六相步進電機；

從運動的型式上可分為：

1.旋轉(zhuǎn)步進電機。2.直線步進電機。3.平面步進電機。第十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的電磁機械裝置。

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，

可作同步電動機使用，廣泛地應(yīng)用于各種小型自動化設(shè)備及儀器。三、工作原理第十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日1、永磁步進電機的結(jié)構(gòu)原理（勵磁式）永磁步進電機的結(jié)構(gòu)原理第十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日2、反應(yīng)式步進電機工作原理

(a)(b)

反應(yīng)式步進電機結(jié)構(gòu)原理圖

第十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日下面以反應(yīng)式步進電機為例說明步進電機的結(jié)構(gòu)和工作原理。三相反應(yīng)式步進電動機的原理結(jié)構(gòu)圖如下：ABCIAIBIC

定子內(nèi)圓周均勻分布著六個磁極，磁極上有勵磁繞組，每兩個相對的繞組組成一相。轉(zhuǎn)子有四個齒。定子轉(zhuǎn)子第十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日1)三相單三拍CA'BB'C'A3412

A相繞組通電，B、C相不通電。由于在磁場作用下，轉(zhuǎn)子總是力圖旋轉(zhuǎn)到磁阻最小的位置，故在這種情況下，轉(zhuǎn)子必然轉(zhuǎn)到左圖所示位置：1、3齒與A、A′極對齊。第十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日CA'BB'C'A3412

同理，B相通電時，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過30角，2、4齒和B、B′

磁極軸線對齊；當C相通電時，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過30角，1、3齒和C′、C磁極軸線對齊。1C'342CA'BB'A第十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為一個循環(huán)周期，一個循環(huán)周期包括三個工作脈沖，所以稱為三相單三拍工作方式。

按ABCA……的順序給三相繞組輪流通電，轉(zhuǎn)子便一步一步轉(zhuǎn)動起來。每一拍轉(zhuǎn)過30°(步距角)，每個通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)過90°(一個齒距角)。2)三相六拍按AABBBCC

CA的順序給三相繞組輪流通電。這種方式可以獲得更精確的控制特性。第十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412

A相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒與A、A'對齊。

A、B相同時通電，A、A'磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15，到達左圖所示位置。第二十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日CA'BB'C'A3412

B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒與B、B′對齊,又轉(zhuǎn)過15。3412CA'BB'C'A

B、C相同時通電，C'、C

磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過15。第二十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日三相反應(yīng)式步進電動機的一個通電循環(huán)周期如下：AABBBCC

CA，每個循環(huán)周期分為六拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15（步距角），一個通電循環(huán)周期(6拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90(齒距角)。與單三拍相比，六拍驅(qū)動方式的步進角更小，更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。3.三相雙三拍按ABBCCA的順序給三相繞組輪流通電。每拍有兩相繞組同時通電。第二十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日AB通電CA'BB'C'A3412BC通電3412CA'BB'C'ACA通電CA'BB'C'A3412與單三拍方式相似，雙三拍驅(qū)動時每個通電循環(huán)周期也分為三拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30(步距角)，一個通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90(齒距角)。第二十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

從以上對步進電機三種驅(qū)動方式的分析可得步距角計算公式：實用步進電機的步距角多為3和1.5

。為了獲得小步距角，電機的定子、轉(zhuǎn)子都做成多齒的，相數(shù)m、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)z、通電方式系數(shù)k=拍數(shù)/相數(shù)第二十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日3、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(qū)動器步進電機工作臺(a)開環(huán)控制比較、補償脈沖脈沖混合器步進電機驅(qū)動器步進電機指令工作臺位置測量(b)反饋補償閉環(huán)控制第二十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日4、步進電機的接線圖第二十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日步進電機與控制器連接框圖流-+12345614715819210311412513世紀星HNC-21XS30A+A-B+B-Z+Z-+5V+5VGNDGNDCP+CP-DIR+DIR-PUL+PUL-DIR+DIR-P1P2步進驅(qū)動器MS535BDACBDAC電機57HS13混合步進電機A+A-B+B-

AC30V第二十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日華中數(shù)控百格拉公司步進電機WD3-007的面板接線

第二十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日控制信號說明：PULSE：脈沖信號輸入端，每一個脈沖的上升沿使電動機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)；“DIR”為高電平電機按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。CW：

正轉(zhuǎn)信號，每個脈沖使電機正向轉(zhuǎn)動一步。CCW：反轉(zhuǎn)信號，每個脈沖使電機反向轉(zhuǎn)動一步。第二十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日RESET：復(fù)位信號，如復(fù)位信號為低電平時,輸入脈沖信號起作用，如果復(fù)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：READY是繼電器開關(guān)，當驅(qū)動器正常工作時繼電器閉合，當驅(qū)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，10mA≤I≤200mA，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(qū)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(yīng)同一個接線口，按控制方式不同給出的兩種定義名稱。第三十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日本驅(qū)動器提供2-256細分，在步進電機步距角不能滿足使用的條件下，可采用細分驅(qū)動器來驅(qū)動步進電機，細分驅(qū)動器的原理是通過改變相鄰（A，B）電流的大小，以改變合成磁場的夾角來控制步進電機運轉(zhuǎn)的。

可以講細分驅(qū)動器是將脈沖拍數(shù)進行細分或?qū)⑿D(zhuǎn)磁場進行數(shù)字化處理。是將磁場進行細分，其控制精度取決于步進電機自身精度的高低。不過也可根據(jù)不同廠家的步進電機進行修正，但這不是一般驅(qū)動器生產(chǎn)廠家所能做到的。因此細分驅(qū)動器往往用在減少噪音和提高電機軸輸出的平穩(wěn)性上。6、M535步進電機驅(qū)動器細分設(shè)置第三十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日1）按驅(qū)動器前面板表格將細分數(shù)設(shè)置為16,將電機設(shè)置為57HS13步進電動機的額定電流.撥碼開關(guān)細分數(shù)

SW5SW6

SW7

SW821111410118110116100132111064101012811002561000第三十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日2）.步進電機驅(qū)動器的電流選擇，撥碼開關(guān)1、2、3可以選擇驅(qū)動器的電流大小，下表不同的撥碼方式對應(yīng)的電流大小也不同，通過下表可以看出其對應(yīng)關(guān)系，撥碼開關(guān)電流

SW1

SW2

SW31.31111.60111.91012.20012.51102.90103.21003.5000第三十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日步進電機由于靜止時的電流很大，所以一般驅(qū)動器都提供半流功能，

（1）.首先將半流功能打開，讓驅(qū)動器帶電的情況下靜止30分鐘，測出此時的電機溫度，并記錄下來

（2）.待電機冷卻后，將半流功能關(guān)閉，讓驅(qū)動器帶電的情況下靜止30分鐘，測出此時的電機溫度，并記錄下來，與上次所測的溫度進行比較7、半流功能第三十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日六、步進電機常見問題

步進電機的細分技術(shù)實質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)（請參考有關(guān)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°

的兩相混合式步進電機，如果細分驅(qū)動器的細分數(shù)設(shè)置為4，那么電機的運轉(zhuǎn)分辨率為每個脈沖0.45°，電機的精度能否達到或接近0.45°，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。1、細分驅(qū)動器的細分數(shù)是否能代表精度?第三十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

步進電機低速轉(zhuǎn)動時振動和噪聲大是其固有的缺點，一般可采用以下方案來克服：

A.如步進電機正好工作在共振區(qū)，可通過改變減速比等機械傳動避開共振區(qū)；

B.采用帶有細分功能的驅(qū)動器，這是最常用的、最簡便的方法；

C.換成步距角更小的步進電機，如三相或五相步進電機；

D.換成交流伺服電機，幾乎可以完全克服震動和噪聲，但成本較高；

E.在電機軸上加磁性阻尼器，市場上已有這種產(chǎn)品，但機械結(jié)構(gòu)改變較大。

2、如何克服兩相混合式步進電機在低速運轉(zhuǎn)時的振動和噪聲?第三十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

1.電機不運轉(zhuǎn)

1）驅(qū)動器無供電電壓2）驅(qū)動器保險絲熔斷3）驅(qū)動器報警(過電壓、欠電壓、過電流、過熱)4）驅(qū)動器與電機連線斷線5）系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置不當6）驅(qū)動器使能信號被封鎖7）接口信號線接觸不良8）驅(qū)動器電路故障9）電機卡死或者出現(xiàn)故障10）電動機生銹11）指令脈沖太窄、頻率過高、脈沖電平太低七、步進電機常見故障及分析：第三十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日2.電機起動后堵轉(zhuǎn)

1）指令頻率太高2）負載轉(zhuǎn)矩太大3）加速時間太短4）負載慣量太大5）電源電壓降低第三十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

3.電機運轉(zhuǎn)不均勻，有抖動1）指令脈沖不均勻2）指令脈沖太窄3）指令脈沖電平不正確4）指令脈沖電平與驅(qū)動器不匹配5）脈沖信號存在噪聲6）脈沖頻率與機械發(fā)生共振第三十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

4.電機運轉(zhuǎn)不規(guī)則，正反轉(zhuǎn)地搖擺

1）指令脈沖頻率與電機發(fā)生共振2）外部干擾

5.電機定位不準

1）加減速時間太小2）存在干擾噪聲3）系統(tǒng)屏蔽不良

第四十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

6.電機過熱：1）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3）電壓過高

第四十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

7.工作過程中停車：1）驅(qū)動電源故障2）電動機線圈匝間短路或接地3）繞組燒壞4）脈沖發(fā)生電路故障5）雜物卡住第四十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

8.噪聲大1）電機運行在低頻區(qū)或共振區(qū)2）純慣性負載、短程序、正反轉(zhuǎn)頻繁3）混合式或永磁式轉(zhuǎn)子磁鋼退磁后以單步運行或在失步區(qū)

第四十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日9.失步或者多步1）負載過大，超過電動機的承載能力2）負載忽大忽小3）負載的轉(zhuǎn)動慣量過大，啟動時失步、停車時過沖4）傳動間隙大小不均5）傳動間隙產(chǎn)生的零件有彈性變形6）電動機工作在震蕩失步區(qū)7）電路總清零使用不當8）干擾9）定、轉(zhuǎn)子相檫第四十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日10.無力或者是出力降低

1）驅(qū)動電源故障2）電動機繞組內(nèi)部發(fā)生錯誤3）電動機繞組碰到機殼，發(fā)生相間短路或者線頭脫落4）電動機軸斷5）電動機定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙過大6）電源電壓過低第四十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

11.不能啟動1）工作方式不對2）驅(qū)動電路故障3）遙控時，線路壓降過大4）安裝不正確，或電動機本身軸承、止口等故障使電動機不轉(zhuǎn)5）N、S極接錯6）長期在潮濕場所存放，造成電動機部分生銹第四十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日八、步進電機的選擇

步進電機有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）、1.5度/3度（三相電機）等。

1、步距角的選擇第四十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日步進電機的動態(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。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（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(yīng)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）2）靜力矩的選擇第四十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

靜力矩一樣的電機，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅(qū)動電源、及驅(qū)動電壓）供電電源電流一般根據(jù)驅(qū)動器的輸出相電流I來確定。如果采用線性電源，電源電流一般可取I的1.1～1.3倍；如果采用開關(guān)電源，電源電流一般可取I的1.5～2.0倍。3）電流的選擇4）力矩與功率換算

步進電機一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：P=Ω·MΩ=2π·n/60P=2πnM/60其P為功率單位為瓦，Ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，M為力矩單位為牛頓·米P=2πfM/400(半步工作）其中f為每秒脈沖數(shù)（簡稱PPS)第四十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日5）電壓的確定

混合式步進電機驅(qū)動器的供電電源電壓一般是一個較寬的范圍（比如IM483的供電電壓為12～48VDC），電源電壓通常根據(jù)電機的工作轉(zhuǎn)速和響應(yīng)要求來選擇。如果電機工作轉(zhuǎn)速較高或響應(yīng)要求較快，那么電壓取值也高，但注意電源電壓的紋波不能超過驅(qū)動器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅(qū)動器。

第五十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日6）應(yīng)用中的