步進電機及驅(qū)動常見故障分析與處理第1頁，共25頁。一、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角增量，因此，步進電機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，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。第2頁，共25頁。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；

可變磁阻式步進電機又稱為反應(yīng)式步進電機，它的工作原理是由改變電動機的定子和轉(zhuǎn)子的軟鋼齒之間的電磁引力來改變定子和轉(zhuǎn)子的相對位置，這種電動機結(jié)構(gòu)簡單、步距角小。永磁式步進電機的轉(zhuǎn)子鐵心上裝有多條永久磁鐵，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動與定位是由定、轉(zhuǎn)子之間的電磁引力與磁鐵磁力共同作用的。與反應(yīng)式步進電機相比，相同體積的永磁式步進電動機轉(zhuǎn)矩大，步距角也大?；旌鲜讲竭M電機結(jié)合了反應(yīng)式步進電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(zhuǎn)矩，采用細密的極齒來減小步距角，是目前數(shù)控機床上應(yīng)用最多的步進電動機。第3頁，共25頁。按步進電動機輸出轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩小。功率步進電動機的輸出轉(zhuǎn)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:1.單極性步進電機;2.雙極性步進電機第4頁，共25頁。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5頁，共25頁。三.步進電機的驅(qū)動電路、控制方式及接線圖（一）.驅(qū)動電路：

(a)(b)(c)VDCVDCVDC步進電機繞組的驅(qū)動電路，單極性電流一般采用下圖<a>雙管串聯(lián)電路,雙極性電流一般采用下圖<b>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,<c>第6頁，共25頁。

（二）步進電動機繞組電流控制電路

第7頁，共25頁。（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(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8頁，共25頁。圖9步進電機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步進驅(qū)動器MS535BDACBDAC電機57HS13混合步進電機A+A-B+B-

AC30V（四）.步進電機的接線圖第9頁，共25頁。百格拉公司步進電機WD3-007的面板接線圖第10頁，共25頁?？刂菩盘柖xPULSE：脈沖信號輸入端，每一個脈沖的上升沿使電機轉(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。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(dāng)驅(qū)動器正常工作時繼電器閉合，當(dāng)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(dāng)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11頁，共25頁。（一）步距角和步距誤差：

轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過的空間機械角度，即步距角β為

β=360°/Z*N

其中Z-轉(zhuǎn)子齒數(shù)，N-運行拍數(shù)。步進電機每走一步，轉(zhuǎn)子實際的角位移與設(shè)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一圈后，回至上一轉(zhuǎn)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(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。四.步進電機的主要特性：第12頁，共25頁。（二）靜態(tài)矩角特性和最大靜轉(zhuǎn)矩特性：所謂靜態(tài)是指電機不改變通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)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(yīng)的定、轉(zhuǎn)子齒對齊，這時轉(zhuǎn)子無轉(zhuǎn)矩輸出。如在電機軸上加一順時針方向的負載轉(zhuǎn)矩，步進電機轉(zhuǎn)子則按順時針方向轉(zhuǎn)過一個小角度θ，稱為失調(diào)角,這時轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩T與負載轉(zhuǎn)矩相等。矩角特性是描述步進電機穩(wěn)態(tài)時，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步進電機矩角特性第13頁，共25頁。

（三）啟動慣頻特性在負載轉(zhuǎn)矩ML=0的條件下，步進電動機由靜止?fàn)顟B(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(zhuǎn)動慣量有關(guān)，包括步進電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，加上其它運動部件折算至步進電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量。下圖表示啟動頻率與負載轉(zhuǎn)動慣量之間的關(guān)系。隨著負載慣量的增加，起動頻率下降。若同時存在負載轉(zhuǎn)矩ML；則起動頻率將進一步降低。在實際應(yīng)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。第14頁，共25頁。（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(zhuǎn)矩寫連續(xù)運行頻率之間的關(guān)系曲線。矩頻特性曲線上每一頻率所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動態(tài)轉(zhuǎn)矩。動態(tài)轉(zhuǎn)矩除了和步進電機結(jié)構(gòu)及材料有關(guān)外，還寫步進電機繞組連接、驅(qū)動電路、驅(qū)動電壓有密切的關(guān)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。T0Nm繞組并聯(lián)繞組串聯(lián)f步進電機矩頻特性第15頁，共25頁。（一）.電機不運轉(zhuǎn)：1.驅(qū)動器無直流供電電壓；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.HNC-21軸參數(shù)設(shè)置不當(dāng)；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。

五.步進電機常見故障及分析：第16頁，共25頁。（二）.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.直流電源電壓降低。第17頁，共25頁。（三）.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18頁，共25頁。

（四）.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。（五）.電機定位不準(zhǔn)

1.加減速時間太小；2.存在干擾噪聲；3.系統(tǒng)屏蔽不良。

第19頁，共25頁。（六）.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(dāng)，如電流過大，超過相電流；3.電壓過高。第20頁，共25頁。（七）.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21頁，共25頁。（八）.噪聲大：

1.低頻共振區(qū)；2.純慣性負載、正反轉(zhuǎn)頻繁；第22頁，共25頁。（九）.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，啟動是失步、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