8_步进电机常见故障及处理

B
D
BD
AC C 57HS13
电机 混合步进电机
步进电机与控制器连接框图流
PULSE/CW+ PULSE/CWDIR/CCW+ DIR/CCWRESET+
RESETREADY READY
百格拉公司步进电机WD3-007的面板接线
信号接口：PULSE+—电机输入控制脉冲信号；
DIR+——电机转动方向控制信号； RESET+—复位信号，用于封锁输入信号； READY+—报警信号； PULSE-、DIR-、RESET-和READY-短接为公共地；
1)三相单三拍
A B' 1 C'
42
C 3B A'
A相绕组通电，B、C相 不通电。由于在磁场作用下， 转子总是力图旋转到磁阻最 小的位置，故在这种情况下， 转子必然转到左图所示位置： 1、3齿与A、A′极对齐。
A
B'
C'
C
B
A'
A
B'
C'
C
B
A'
同理，B相通电时，转子会转过30角，2、4
齿和B、B´ 磁极轴线对齐；当C相通电时，转子 再转过30角，1、3齿和C´、C磁极轴线对齐。
RDY
状态指示：RDY灯亮表示驱动器正常工作；
TEMP
FLT
TEMP灯亮表示驱动器超温；
MOT.CURR
STEP1 STEP2 CURR.RED PULSE.SYS
DC+ DCU V W PE L N PE
WD3-007
FLT灯亮表示驱动器故障； 功能选择：MOT.CURR—设置电机相电流；
STEP1、STEP2—设置电机每转的步数； PULSE.SYS—可设置成“脉冲和方向”控制方式；
电机的共振点：
步进电机均有固定的共振区域
电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻， 电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然。
为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音 降低，一般工作点均应偏移共振区较多。
电机正反转控制： 当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA或()
时为正转，通电时序为DA-CA-BC-AB或() 时为反转。
其它特性还有惯频特性、起动频率特性等
电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力 矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的 平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电 机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。
其中，曲线3电流最大、或电压最高;曲线1电流 最小、或电压最低，曲线与负载的交点为负载的 最大速度点。
3. 三相双三拍 按AB BC CA的顺序给三相绕组轮流通
电。每拍有两相绕组同时通电。
A
B'
C'
C
B
A'
A
B'
C'
C
B
A'
A
B'
C'
C
B
A'
AB通电
BC通电
CA通电
与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循 环周期也分为三拍。每拍转子转过30 (步距角)， 一个通电循环周期(3拍)转子转过90(齿距角)。
永磁步进电机的结构原理
2、反应式步进电机工作原理
i A
B
C
0
t
i

C
B
0 i
t
A
0
t
(a)
(b)
反应式步进电机结构原理图
下面以反应式步进电机为例说明步进电机的 结构和工作原理。
三相反应式步进电动机的原理结构图如下：
转子
IA
A
IC C
定子 IB B
定子内圆周 均匀分布着六个 磁极，磁极上有 励磁绕组，每两 个相对的绕组组 成一相。转子有 四个齿。
按顺时针方向旋转； “DIR”为高电平电机按 逆时针方向旋转。 CW： 正转信号，每个脉冲使电机正向转动一步。 CCW：反转信号，每个脉冲使电机反向转动一步。
RESET：复位信号，如复位信号为低电平时,输入脉冲信号起作 用，如果复位信号为高电平时就禁止任何有效的脉冲， 输入信号无效，电机无保持扭矩。
0 步进电机矩角特性
3、步进电机矩频特性：
矩频特性是用来描述步进电机连续稳定运行时输出转 矩写连续运行频率之间的关系曲线。矩频特性曲线上每一频 率所对应的转矩称为动态转矩。动态转矩除了和步进电机结 构及材料有关外，还写步进电机绕组连接、驱动电路、驱动 电压有密切的关系。下图是混合式步进电机连续运行时的典 型的矩频特性曲线。T
从运动的型式上可分为：
1.旋转步进电机。 2.直线步进电机。 3.平面步进电机。
三、工作原理
步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机 械角位移的电磁机械装置。
具有较好的定位精度， 无漂移和无积累定位误差的优点， 能跟踪一定频率范围的脉冲列，
可作同步电动机使用，广泛地应用于各种小型自 动化设备及仪器。
1、永磁步进电机的结构原理（励磁式）
A
B' 1 C'
42
C 3B A'
A
B'
C'
C
B
A'
A相通电，转子1、
3齿与A、A' 对齐。
A、B相同时通电，
A、A' 磁极拉住1、3齿， B、B' 磁极拉住2、4齿，
转子转过15，到达左图 所示位置。
A
B'
C'
C
B
A'
A
B'
C'
C
B
A'
B 相通电，转子2、 4齿与B、B´ 对齐,又转
过15。
B、C相同时通电，
θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步） 八拍运行时步距角：
θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）
定位转矩：
电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由 磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）
静转矩：
电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时， 电机转轴的锁定力矩。
虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转 子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁 安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的 发热及机械噪音。
从以上对步进电机三种驱动方式的分析可 得步距角计算公式：
360
Zrm
—步距角
Zr —转子齿数 m —每个通电循环周期的拍数
实用步进电机的步距角多为3和1.5 。为了 获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的，
结构：
3、混合式步进电机原理：
二相混合式步进电机结构原理图
C - C剖面
C
A1
2、步进电机动态指标及术语：
步距角精度：
步进电机每转过一个步距角的实际值与理论 值的误差。用百分比表示：
误差/步距角*100%。 不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5% 之内，八拍运行时应在15%以内。
失步：
电机运转时运转的步数，不等于理论上的步
数。称之为失步。
失调角：
转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运 转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细 分驱动是不能解决的。
这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为 一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲， 所以称为三相单三拍工作方式。
按AB C A ……的顺序给三相绕组 轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转
过30°(步距角)，每个通电循环周期(3拍)转过
90°(一个齿距角)。 2) 三相六拍
按AAB B BC C CA的顺序给三相 绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制 特性。
最大空载起动频率：
电机电压及额定电流下，在不加负载的情况下， 能够直接起动的最大频率。
最大空载的运行频率：
电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电 机不带负载的最高转速频率。
运行矩频特性：
电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与 频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸 多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依 据。
工作台
4、步进电机的接线图
世纪星 HNC-21
XS30
AC 30V
CP+ 14
CP7
DIR+ 15
DIR8
A+ 1
9
A-
2
B+
10 B-
3
Z+
11 Z-
4
+5V
12 +5V
5
GND
13 GND
P1 PUL+ PULDIR+ DIR-
步进驱动器
MS535
P2
1 2
A+ 3 4 A5 B+
B6
-+
A
注意：PULSE+与CW+，PULSE-与CW-，DIR-与CCW-对应 同一 个接线口，按控制方式不同给出的两种定义名称。
五、 步进电机的主要特性：
1、 步距角和步距误差：
转子每步转过的空间机械角度，即步距角β为 β=360°/Z*N
其中 Z-转子齿数，N-运行拍数。
步进电机每走一步，转子实际的角位移与设计的步距角存在有步距 误差。连续走若干步时，上述误差形成累积值。转子转过一圈后，回 至上一转的稳定位置，因此步进电机步距的误差不会长期积累。
步进电机步距的积累误差，是指一转范围内步距积累误差的最大值， 步距误差和积累误差通常用度、分或者步距角的百分比表示。影响步 距误差和积累误差的主要因素有: 齿与磁极的分度精度；铁心迭压及 装配精度；各相矩角特性之间差别的大小；气隙的不均匀程度等。
2、静态矩角特性和最大静转矩特性
所谓静态是指电机不改变通电状态，转子不动时的 工作状态。空载时，步进电杌某相通以直流电流时，该相对 应的定、转子齿对齐，这时转子无转矩输出。如在电机轴上 加一顺时针方向的负载转矩，步进电机转子则按顺时针方向 转过一个小角度θ，称为失调角,这时转子电磁转矩T与负载 转矩相等。矩角特性是描述步进电机稳态时，电磁转矩与失 调角θ之间关系的曲线，或称T 为静转矩特性。
要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采 用小电感大电流的电机。
二、步进电机的分类：
按转矩产生的原理可分为:
1.反应式步进电机; 2.永磁式步进电机; 3.混合式步进电机；
从电流的极性上可分为:
1.单极性步进电机; 2.双极性步进电机
从控制绕组数量上可分为:
1.二相步进电机; 2.三相步进电机; 3.四相步进电机; 4.五相步进电机; 5.六相步进电机；
也可设置成“正转和反转”控制方式； CURR.RED—用于设置半流功能； 功率接口：DC+和DC-接制动电容（用户使用时请与代理商联系）； U、V、W接电机动力线，PE是地； L、N接供电电源；
华中数控
控制信号说明： PULSE：脉冲信号输入端，每一个脉冲的上升沿使
电动机转动一步。 DIR：方向信号输入端，如“DIR”为低电平，电机
步进电机
孙海亮
主要内容
一、步进电机常用术语 二、步进电机的分类 三、工作原理 四、步进电机的驱动电路、控制方式及接线 五、 步进电机的主要特性： 六、步进电机常见问题 七、步进电机常见故障及分析： 八、步进电机的选择
一、步进电机常用术语
1、步进电机的静态指标术语
相数：
产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示
READDY: 输入报警信号：READY是继电器开关，当驱动器正 常工作时继电器闭合，当驱动器工作异常时继电器 断开。继电器允许最高输入电压和电流是：35VDC， 10mA≤I≤200mA，电阻性负载。如用该继电器，要 把他串联到CNC的某输入端。当驱动器正常工作时 继电器闭合，外部24VDC通过继电器输入到CNC输入 端，否则外部24VDC无法输入到CNC输入端。
Nm 绕组并联
绕组串联
0
f
步进电机矩频特性
4、测定步进电机的空载起动频率:
拆去光电编码器,让步进电机空载,在步进电 机轴伸处作一标记,由世纪星设置步进电机整数转 的位移(例如1...转×脉冲数/转)和速度,且加减 速时间常数也设置为零.步进电机处于锁定状态下, 执行上述命令,步进电机突然起动并突然停止,从 轴伸标记判断步进电机是否失步.若起动成功,则 提高速度参数再测试,直至某一临界速度,并由此 速度换算为步数/秒,即为电机的空载起动频率.
B1
S
B4
A2 N N
N
N N A4
N
B2
S
B3
A3 C
NS
D
电机绕组
D - D剖面 A1
转子
B1
S
B4
S
永磁体
A2 N S
SN
A4
定子
S
B2
S
B3
A3 D
四、步进电机的驱动电路、控制方式及接线
1、驱动电路：
步进电机绕组的驱动电路: 单极性电流一般采用下图<a>双管串联电路; 双极性电流一般采用下图<b>的H桥电路; 三相混合式步进电机则采用三相逆变桥电路,见下图<c>.
拍数：
完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表 示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机 为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四 相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.
步距角：
对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用 θ表示。θ=360度/（转子齿数J*运行拍数）， 以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例： 四拍运行时步距角为：
2、进电动机绕组电流控制电路
VDC
A
i* +
=
-
=
PWM
电流检测
3、控制方式：
步进电机的控制方式一般可分为开环控制和反馈补偿闭环控制,见下图a 和下图b.
方向 脉冲 步进电机驱动器
步进电机
工作台
(a) 开环控制
指令
脉冲混合器
步进电机驱 动器
步进电机
比较、补偿脉冲
位置测量
(b) 反馈补偿闭环控制
步进电机控制方式
C' 、C 磁极拉住1、3 齿，B、B' 磁极拉住
2、4齿，转子再转过 15。
三相反应式步进电动机的一个通电循环周 期如下：AAB B BC C CA，每个循 环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角）， 一个通电循环周期(6拍)转子转过90 (齿距角)。
与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更 小，更适用于需要精确定位的控制系统中。