步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理

常見(jiàn)故障

分析及處理編輯課件一、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(wú)漂移和無(wú)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。編輯課件二.步進(jìn)電機(jī)的分類：按轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理可分為:1.反響式步進(jìn)電機(jī);2.永磁式步進(jìn)電機(jī);3.混合式步進(jìn)電機(jī)；

可變磁阻式步進(jìn)電機(jī)又稱為反響式步進(jìn)電機(jī)，它的工作原理是由改變電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子的軟鋼齒之間的電磁引力來(lái)改變定子和轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置，這種電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、步距角小。永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵心上裝有多條永久磁鐵，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)與定位是由定、轉(zhuǎn)子之間的電磁引力與磁鐵磁力共同作用的。與反響式步進(jìn)電機(jī)相比，相同體積的永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩大，步距角也大。混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)合了反響式步進(jìn)電機(jī)和永磁式步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，采用永久磁鐵提高電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，采用細(xì)密的極齒來(lái)減小步距角，是目前數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用最多的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。編輯課件按步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的大小可分為：1.快速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)2.功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)快速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)工作頻率高，而輸出轉(zhuǎn)矩小。功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩比較大，數(shù)控機(jī)床一般采用功率步進(jìn)電動(dòng)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)編輯課件從控制繞組數(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)。編輯課件三.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：

(a)(b)(c)VDCVDCVDC步進(jìn)電機(jī)繞組的驅(qū)動(dòng)電路，單極性電流一般采用以下圖<a>雙管串聯(lián)電路,雙極性電流一般采用以下圖<b>的H橋電路;對(duì)于三相混合式步進(jìn)電機(jī)那么采用三相逆變橋電路,<c>編輯課件〔二〕步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組電流控制電路編輯課件〔三〕.控制方式：步進(jìn)電機(jī)的控制方式一般可分為開(kāi)環(huán)控制和反響補(bǔ)償閉環(huán)控制,見(jiàn)以下圖a和以下圖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(kāi)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(cè)量(b)反響補(bǔ)償閉環(huán)控制編輯課件圖9步進(jìn)電機(jī)與控制器連接框圖流-+12345614715819210311412513世紀(jì)星HNC-21XS30A+A-B+B-Z+Z-+5V+5VGNDGNDCP+CP-DIR+DIR-PUL+PUL-DIR+DIR-P1P2步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器MS535BDACBDAC電機(jī)57HS13混合步進(jìn)電機(jī)A+A-B+B-

AC30V〔四〕.步進(jìn)電機(jī)的接線圖編輯課件百格拉公司步進(jìn)電機(jī)WD3-007的面板接線圖編輯課件控制信號(hào)定義PULSE：脈沖信號(hào)輸入端，每一個(gè)脈沖的上升沿使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步。DIR：方向信號(hào)輸入端，如“DIR〞為低電平，電機(jī)按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；“DIR〞為高電平電機(jī)按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。CW：正轉(zhuǎn)信號(hào)，每個(gè)脈沖使電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)一步。CCW：反轉(zhuǎn)信號(hào)，每個(gè)脈沖使電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)一步。RESET：復(fù)位信號(hào)，如復(fù)位信號(hào)為低電平時(shí),輸入脈沖信號(hào)起作用，如果復(fù)位信號(hào)為高電平時(shí)就禁止任何有效的脈沖，輸入信號(hào)無(wú)效，電機(jī)無(wú)保持扭矩。READDY:輸入報(bào)警信號(hào)：READY是繼電器開(kāi)關(guān)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器正常工作時(shí)繼電器閉合，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器工作異常時(shí)繼電器斷開(kāi)。繼電器允許最高輸入電壓和電流是：35VDC，10mA≤I≤200mA，電阻性負(fù)載。如用該繼電器，要把他串聯(lián)到CNC的某輸入端。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器正常工作時(shí)繼電器閉合，外部24VDC通過(guò)繼電器輸入到CNC輸入端，否那么外部24VDC無(wú)法輸入到CNC輸入端。

注意：PULSE+與CW+，PULSE-與CW-，DIR-與CCW-對(duì)應(yīng)同一個(gè)接線口，按控制方式不同給出的兩種定義名稱。編輯課件〔一〕步距角和步距誤差：轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過(guò)的空間機(jī)械角度，即步距角β為β=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)走假設(shè)干步時(shí)，上述誤差形成累積值。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)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(zhǎng)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異的大??；氣隙的不均勻程度等。四.步進(jìn)電機(jī)的主要特性：編輯課件〔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(wú)轉(zhuǎn)矩輸出。如在電機(jī)軸上加一順時(shí)針?lè)较虻呢?fù)載轉(zhuǎn)矩，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子那么按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)一個(gè)小角度θ，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θ之間關(guān)系的曲線，或稱為靜轉(zhuǎn)矩特性。T0圖10步進(jìn)電機(jī)矩角特性編輯課件

〔三〕啟動(dòng)慣頻特性在負(fù)載轉(zhuǎn)矩ML=0的條件下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然啟動(dòng)，不丟步地進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)所允許的最高啟動(dòng)頻率，稱為啟動(dòng)頻率或突跳頻率，超過(guò)此值就不能正常啟動(dòng)。啟動(dòng)頻率與機(jī)械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有關(guān)，包括步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，加上其它運(yùn)動(dòng)部件折算至步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。以下圖表示啟動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之間的關(guān)系。隨著負(fù)載慣量的增加，起動(dòng)頻率下降。假設(shè)同時(shí)存在負(fù)載轉(zhuǎn)矩ML；那么起動(dòng)頻率將進(jìn)一步降低。在實(shí)際應(yīng)用中，由于ML的存在，可采用的啟動(dòng)頻率要比慣頻特性還要低。編輯課件〔四〕步進(jìn)電機(jī)矩頻特性：矩頻特性是用來(lái)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。以下圖是混合式步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)的典型的矩頻特性曲線。T0Nm繞組并聯(lián)繞組串聯(lián)f步進(jìn)電機(jī)矩頻特性編輯課件〔一〕.電機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)：1.驅(qū)動(dòng)器無(wú)直流供電電壓；2.驅(qū)動(dòng)器保險(xiǎn)絲熔斷；3.驅(qū)動(dòng)器報(bào)警(過(guò)電壓、欠電壓、過(guò)電流、過(guò)熱)；4.驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)連線斷線；5.HNC-21軸參數(shù)設(shè)置不當(dāng)；6.驅(qū)動(dòng)器使能信號(hào)被封鎖；7.接口信號(hào)線接觸不良；8.驅(qū)動(dòng)器電路故障9.電機(jī)卡死或者出現(xiàn)故障10.電動(dòng)機(jī)生銹，11.指令脈沖太窄、頻率過(guò)高、脈沖電平太低。五.步進(jìn)電機(jī)常見(jiàn)故障及分析：編輯課件〔二〕.電機(jī)起動(dòng)后堵轉(zhuǎn)

1.指令頻率太高；2.負(fù)載轉(zhuǎn)矩太大；3.加速時(shí)間太短；4.負(fù)載慣量太大；5.直流電源電壓降低。編輯課件〔三〕.電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻，有抖動(dòng)

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(dòng)器不匹配；5.脈沖信號(hào)存在噪聲；6.脈沖頻率與機(jī)械發(fā)生共振。編輯課件

〔四〕.電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不規(guī)那么，正反轉(zhuǎn)地?fù)u擺

1.指令脈沖頻率與電機(jī)發(fā)生共振；2.外部干擾?！参濉?電機(jī)定位不準(zhǔn)

1.加減速時(shí)間太??；2.存在干擾噪聲；3.系統(tǒng)屏蔽不良。

編輯課件〔六〕.電機(jī)過(guò)熱：1.工作環(huán)境過(guò)于惡劣，環(huán)境溫度過(guò)高；2.參數(shù)選擇不當(dāng)，如電流過(guò)大，超過(guò)相電流；3.電壓過(guò)高。編輯課件〔七〕.工作過(guò)程中停車：1.驅(qū)動(dòng)電源故障；2.電動(dòng)機(jī)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。編輯課件〔八〕.噪聲大：1.低頻共振區(qū)；2.純慣性負(fù)載、正反轉(zhuǎn)頻繁；編輯課件〔九〕.失步或者多步：

1.負(fù)載過(guò)大，超過(guò)電動(dòng)機(jī)的承載能力；2.負(fù)載忽大忽??；3.負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量過(guò)大，啟動(dòng)是失步、停車時(shí)過(guò)沖；4.傳動(dòng)間隙大小不均；5.傳動(dòng)間隙產(chǎn)生的零件有彈性變形；6.電動(dòng)機(jī)工作在震蕩失步區(qū)；7.