步進(jìn)電機(jī)常見故障及處理.ppt

一、步進(jìn)電機(jī)的工作原理 步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字脈沖以軸步進(jìn)一個(gè)步距角增量，因此，步進(jìn)電機(jī)能很方便地將電脈沖轉(zhuǎn)換為角位移，具有較好的定位精度，無漂移和無積累定位誤差的優(yōu)點(diǎn)，能跟蹤一定頻率范圍的脈沖列，可作同步電動(dòng)機(jī)使用，廣泛地應(yīng)用于各種小型自動(dòng)化設(shè)備及儀器。 二.步進(jìn)電機(jī)的分類： 按轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理可分為: 1.反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī); 2.永磁式步進(jìn)電機(jī); 3.混合式步進(jìn)電機(jī)； 從電流的極性上可分為: 1.單極性步進(jìn)電機(jī); 2.雙極性步進(jìn)電機(jī),從控制繞組數(shù)量上可分為: 1.二相步進(jìn)電機(jī); 2.三相步進(jìn)電機(jī); 3.四相步進(jìn)電機(jī); 4.五相步進(jìn)電機(jī); 5.六相步進(jìn)電機(jī)； 從運(yùn)動(dòng)的型式上可分為： 1.旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)。 2.直線步進(jìn)電機(jī)。 3.平面步進(jìn)電機(jī)。,三.步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路、控制方式及接線圖 （一）. 驅(qū)動(dòng)電路： 步進(jìn)電機(jī)繞組的驅(qū)動(dòng)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(duì)于三相混合式步進(jìn)電機(jī)則采用三相逆變橋電路,見下圖,（二）.控制方式： 步進(jìn)電機(jī)的控制方式一般可分為開環(huán)控制和反饋補(bǔ)償閉環(huán)控制,見下圖a和下圖b.,步進(jìn)電機(jī)控制方式,方向,脈沖,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,步進(jìn)電機(jī),工作臺(tái),(a) 開環(huán)控制,比較、補(bǔ)償脈沖,脈沖混合器,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,步進(jìn)電機(jī),指令,工作臺(tái),位置測量,(b) 反饋補(bǔ)償閉環(huán)控制,（三）. 步進(jìn)電機(jī)的接線圖,四. 步進(jìn)電機(jī)的主要特性： （一） 步距角和步距誤差： 轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過的空間機(jī)械角度，即步距角為 =360/Z*N 其中 Z-轉(zhuǎn)子齒數(shù)，N-運(yùn)行拍數(shù)。 步進(jìn)電機(jī)每走一步，轉(zhuǎn)子實(shí)際的角位移與設(shè)計(jì)的步距角存在有步距誤差。連續(xù)走若干步時(shí)，上述誤差形成累積值。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一圈后，回至上一轉(zhuǎn)的穩(wěn)定位置，因此步進(jìn)電機(jī)步距的誤差不會(huì)長期積累。步進(jìn)電機(jī)步距的積累誤差，是指一轉(zhuǎn)范圍內(nèi)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。,（二）靜態(tài)矩角特性和最大靜轉(zhuǎn)矩特性： 所謂靜態(tài)是指電機(jī)不改變通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)的工作狀態(tài)?？蛰d時(shí)，步進(jìn)電杌某相通以直流電流時(shí)，該相對(duì)應(yīng)的定、轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊，這時(shí)轉(zhuǎn)子無轉(zhuǎn)矩輸出。如在電機(jī)軸上加一順時(shí)針方向的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子則按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)過一個(gè)小角度，稱為失調(diào)角,這時(shí)轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩T與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等。矩角特性是描述步進(jìn)電機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角之間關(guān)系的曲線，或稱為靜轉(zhuǎn)矩特性。,T,0,圖10 步進(jìn)電機(jī)矩角特性,（三）.步進(jìn)電機(jī)矩頻特性： 矩頻特性是用來描述步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩寫連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系曲線。矩頻特性曲線上每一頻率所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩除了和步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)及材料有關(guān)外，還寫步進(jìn)電機(jī)繞組連接、驅(qū)動(dòng)電路、驅(qū)動(dòng)電壓有密切的關(guān)系。下圖是混合式步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)的典型的矩頻特性曲線。,T,0,Nm,繞組并聯(lián),繞組串聯(lián),f,步進(jìn)電機(jī)矩頻特性,四相混合式步進(jìn)電機(jī)一般由兩相驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)，因此，連接時(shí)可以采用串聯(lián)接法或并聯(lián) 接法將四相電機(jī)接成兩相使用。串聯(lián)接法一般在電機(jī)轉(zhuǎn)速較的場合使用，此時(shí)需要的驅(qū)動(dòng)器輸出電流為電機(jī)相電流的0.7倍，因而電機(jī)發(fā)熱??；并聯(lián)接法一般在電機(jī)轉(zhuǎn)速較高的場合使用（又稱高速接法），所需要的驅(qū)動(dòng)器輸出電流為電機(jī)相電流的1.4倍，因而電機(jī)發(fā)熱較大。,步進(jìn)電機(jī)與控制器連接框圖,-,+,1,2,3,4,5,6,14,7,15,8,1,9,2,10,3,11,4,12,5,13,世紀(jì)星,HNC-21,XS30,A+,A-,B+,B-,Z+,Z-,+5V,+5V,GND,GND,CP+,CP-,DIR+,DIR-,PUL+,PUL-,DIR+,DIR-,P1,P2,步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器,MS535,B,D,A,C,B,D,A,C,光電編碼器,電機(jī),57HS13,混合步進(jìn)電機(jī),A+,A-,B+,B-,AC 30V,世紀(jì)星HNC-21參數(shù)設(shè)置按下表對(duì)步進(jìn)電機(jī)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置坐標(biāo)軸參數(shù),、M535步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置 接驅(qū)動(dòng)器前面板表格將細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置為2,將電機(jī)設(shè)置為57HS13步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的額定電流. 、在線路和電源檢查無誤后,進(jìn)行通電試運(yùn)行,用手動(dòng)或手搖發(fā)送脈沖,控制電機(jī)慢速轉(zhuǎn)動(dòng)和正反轉(zhuǎn),在沒有堵轉(zhuǎn)等異常聲音情況下,逐漸控制電機(jī)快速轉(zhuǎn)動(dòng).,測定步進(jìn)電機(jī)的步距角，用手動(dòng)方式發(fā)送單脈沖,從世紀(jì)星顯示屏上記錄工件實(shí)際坐標(biāo)值,計(jì)算步進(jìn)電機(jī)的步距角 實(shí)際坐標(biāo)值360度 360度 = ， (取最接近數(shù)值- 整數(shù)); 脈沖數(shù)(n)4光電編碼器線數(shù) (n20) 計(jì)算每一步脈沖的實(shí)際坐標(biāo)增量值,換算成實(shí)際步距角 單脈沖實(shí)際坐標(biāo)增量值360度 1= ; 4光電編碼器線數(shù) 由和計(jì)算出步距精度 (1-)/。將記錄和計(jì)算數(shù)據(jù)填入 下表,測定步進(jìn)電機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩特性:,步進(jìn)電機(jī)處于鎖定狀態(tài)(即不發(fā)送脈沖給驅(qū)動(dòng)器),用測力扳手或懸掛砝碼給步進(jìn)電機(jī)施加外加轉(zhuǎn)矩T,并讀取對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子軸偏轉(zhuǎn)角(從記錄工件實(shí)際坐標(biāo)值換算),記錄一組轉(zhuǎn)矩T與偏轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù),直至最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)。計(jì)算步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)剛度 靜態(tài)剛度= 注意:由于在鎖定狀態(tài)時(shí),驅(qū)動(dòng)器電流自動(dòng)地減半,實(shí)際靜態(tài)剛度還可能增大一倍。將記錄和計(jì)算數(shù)據(jù)填入下表：,弧度）,）,（,(,/,/,q,q,D,D,=,Nm,T,d,dT,測定步進(jìn)電機(jī)的空載起動(dòng)頻率:,拆去光電編碼器,讓步進(jìn)電機(jī)空載,在步進(jìn)電機(jī)軸伸處作一標(biāo)記,由世紀(jì)星設(shè)置步進(jìn)電機(jī)整數(shù)轉(zhuǎn)的位移(例如1.轉(zhuǎn)脈沖數(shù)/轉(zhuǎn))和速度,且加減速時(shí)間常數(shù)也設(shè)置為零.步進(jìn)電機(jī)處于鎖定狀態(tài)下,執(zhí)行上述命令,步進(jìn)電機(jī)突然起動(dòng)并突然停止,從軸伸標(biāo)記判斷步進(jìn)電機(jī)是否失步.若起動(dòng)成功,則提高速度參數(shù)再測試,直至某一臨界速度,并由此速度換算為步數(shù)/秒,即為電機(jī)的空載起動(dòng)頻率.,測定步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行矩頻特性:,將步進(jìn)電機(jī)與磁粉制動(dòng)器用聯(lián)軸器相連接.由世紀(jì)星設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的速度(即為步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率),且將加減速時(shí)間常數(shù)設(shè)置為1秒以上.步進(jìn)電機(jī)在鎖定狀態(tài)下,執(zhí)行起動(dòng)命令,電機(jī)將加速至所給定轉(zhuǎn)速,待速度穩(wěn)定后,調(diào)節(jié)磁粉制動(dòng)器的激勵(lì)電流,逐漸加大負(fù)載,直至步進(jìn)電機(jī)失步停轉(zhuǎn),記錄該激勵(lì)電流值.增加步進(jìn)電機(jī)的速度給定值,重復(fù)上述步驟,記錄新轉(zhuǎn)速下,使步進(jìn)電機(jī)失步的激勵(lì)電流值.由磁粉制動(dòng)器特性曲線,獲取對(duì)應(yīng)激勵(lì)電流的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩值(Nm),并由速度指令值換算為頻率值,即可繪出步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行矩頻特性。,將步進(jìn)電機(jī)定子繞改為并聯(lián)接法,如下圖,再按上述步驟測定運(yùn)行矩頻特性。（注：繞組并聯(lián)后,應(yīng)將步進(jìn)電機(jī)的電流設(shè)置增大一倍,才不至于降低了低頻段的輸出轉(zhuǎn)矩。）,A+,A-,B+,B-,A+,A-,C-,C,B+,B-,D-,D,世紀(jì)星HNC-21TF配步進(jìn)電機(jī)時(shí)的參數(shù)設(shè)置 按表1對(duì)步進(jìn)電機(jī)有關(guān)參數(shù)設(shè)置坐標(biāo)軸參數(shù)，按表2設(shè)置硬件參數(shù)。 表1 坐標(biāo)軸參數(shù),表1 坐標(biāo)軸參數(shù),表2 硬件配置參數(shù),2. M535步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置 本驅(qū)動(dòng)器提供2-256細(xì)分，在步進(jìn)電機(jī)步距角不能 滿足使用的條件下，可采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)步進(jìn) 電機(jī)，細(xì)分驅(qū)動(dòng)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(jìn)電 機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的。,可以講細(xì)分驅(qū)動(dòng)器是將脈沖拍數(shù)進(jìn)行細(xì)分或?qū)⑿D(zhuǎn)磁場進(jìn)行數(shù)字化處理。是將磁場進(jìn)行細(xì)分，其控制精度取決于步進(jìn)電機(jī)自身精度的高低。不過也可根據(jù)不同廠家的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行修正，但這不是一般驅(qū)動(dòng)器生產(chǎn)廠家所能做到的。因此細(xì)分驅(qū)動(dòng)器往往用在減少噪音和提高電機(jī)軸輸出的平穩(wěn)性上。,1）按驅(qū)動(dòng)器前面板表格將細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置為16,將電機(jī)設(shè)置為57HS13步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的額定電流.,注意：如果驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)發(fā)生了改變，那么系統(tǒng)軸參數(shù)中的脈沖當(dāng)量分子、分母也要相應(yīng)的發(fā)生改變，其具體的計(jì)算方法如下： 跟據(jù)上面的公式，正確計(jì)算出系統(tǒng)軸參數(shù)中的脈沖當(dāng)量分子、分母的比值，并簡述軸參數(shù)中的脈沖當(dāng)量分子、分母的比值對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響：,2）.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電流選擇，撥碼開關(guān)1、2、3可以選擇驅(qū)動(dòng)器的電流大小，下表不同的撥碼方式對(duì)應(yīng)的電流大小也不同，通過下表可以看出其對(duì)應(yīng)關(guān)系，,3）步進(jìn)電機(jī)由于靜止時(shí)的電流很大，所以，一般驅(qū)動(dòng)器都提供半流功能，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器如果一段時(shí)間內(nèi)沒有接受到脈沖，那么它就會(huì)自動(dòng)將電流減半，用來防止驅(qū)動(dòng)器過熱，M535驅(qū)動(dòng)器也提供本功能，將波碼開關(guān)撥至OFF，半流功能開；將波碼開關(guān)撥至ON，半流功能關(guān)。 （1）.首先將半流功能打開，讓驅(qū)動(dòng)器帶電的情況下靜止30分鐘，測出此時(shí)的電機(jī)溫度，并記錄下來 （2）.待電機(jī)冷卻后，將半流功能關(guān)閉，讓驅(qū)動(dòng)器帶電的情況下靜止30分鐘，測出此時(shí)的電機(jī)溫度，并記錄下來，與上次所測的溫度進(jìn)行比較,3.步進(jìn)電機(jī)繞組的并聯(lián)與串聯(lián)接法實(shí)驗(yàn)： 本實(shí)驗(yàn)臺(tái)所用電機(jī)為兩相電機(jī)，但是具有四個(gè)繞組線圈，這樣我們就可以將線圈兩兩進(jìn)行并聯(lián)或串聯(lián)在一起，（注：繞組并聯(lián)后,應(yīng)將步進(jìn)電機(jī)的電流設(shè)置增大一倍,才不至于降低了低頻段的輸出轉(zhuǎn)矩。）,4. 測定步進(jìn)電機(jī)的空載起動(dòng)頻率: 1）.讓步進(jìn)電機(jī)空載，在步進(jìn)電機(jī)軸伸處作一標(biāo)記,由世紀(jì)星設(shè)置步進(jìn)電機(jī)整數(shù)轉(zhuǎn)的位移(例如1.轉(zhuǎn)脈沖數(shù)/轉(zhuǎn))和速度, 2）.加減速時(shí)間常數(shù)也設(shè)置為零.步進(jìn)電機(jī)處于鎖定狀態(tài)下,執(zhí)行上述命令。 3）步進(jìn)電機(jī)突然起動(dòng)并突然停止,從軸伸標(biāo)記判斷步進(jìn)電機(jī)是否失步. 4）起動(dòng)成功,則提高速度參數(shù)再測試,直至某一臨界速度, 5）由此速度換算為步數(shù)/秒,即為電機(jī)的空載起動(dòng)頻率. 5在工作臺(tái)上增加一定的負(fù)載，按上述步驟測定步進(jìn)電機(jī)的空載起動(dòng)頻率，并進(jìn)行比較兩者的起動(dòng)頻率有什么區(qū)別。,五. 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器裝置的幾種故障設(shè)置的實(shí)驗(yàn),什么是保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）,保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。 它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2N.m的步進(jìn)電機(jī)，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電機(jī)。,什么是DETENT TORQUE,DETENT TORQUE 是指步進(jìn)電機(jī)沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。 DETENT TORQUE 在國內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產(chǎn)生誤解； 由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有DETENT TORQUE。,如何確定步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的直流供電電源,A.電壓的確定 混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的供電電源電壓一般是一個(gè)較寬的范圍（比如IM483的供電電壓為1248VDC），電源電壓通常根據(jù)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速和響應(yīng)要求來選擇。如果電機(jī)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(dòng)器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅(qū)動(dòng)器。 B.電流的確定 供電電源電流一般根據(jù)驅(qū)動(dòng)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1.11.3倍；如果采用開關(guān)電源，電源電流一般可取I 的1.52.0倍。,細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)是否能代表精度?,進(jìn)電機(jī)的細(xì)分技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)（請(qǐng)參考有關(guān)文獻(xiàn)），其主要目的是減弱或消除步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng)，提高電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度只是細(xì)分技術(shù)的一個(gè)附帶功能。比如對(duì)于步進(jìn)角為1.8 的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，如果細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置為4，那么電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)分辨率為每個(gè)脈沖0.45，電機(jī)的精度能否達(dá)到或接近0.45，還取決于細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器精度可能差別很大；細(xì)分?jǐn)?shù)越大精度越難控制。,步,步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制是由驅(qū)動(dòng)器精確控制步進(jìn)電機(jī)的相電流來實(shí)現(xiàn)的，以二相電機(jī)為例，假如電機(jī)的額定相電流為3A，如果使用常規(guī)驅(qū)動(dòng)器（如常用的恒流斬波方式）驅(qū)動(dòng)該電機(jī)，電機(jī)每運(yùn)行一步，其繞組內(nèi)的電流將從0突變?yōu)?A或從3A突變到0，相電流的巨大變化，必然會(huì)引起電機(jī)運(yùn)行的振動(dòng)和噪音。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，在10細(xì)分的狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)該電機(jī)，電機(jī)每運(yùn)行一微步，其繞組內(nèi)的電流變化只有0.3A而不是3A，且電流是以正弦曲線規(guī)律變化，這樣就大大的改善了電機(jī)的振動(dòng)和噪音，因