8 步进电机常见故障及处理

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。
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。
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： 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）
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
A C' B B' C' B A'
A
B'
C A'
B'
C
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)。
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。 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。 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。
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。
A B'
4 1 2
C'
B
A相通电，转子1、 3齿与A、A' 对齐。
C
3
A'
A B'
C C' B
A'
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。
步进电机控制方式
4、步进电机的接线图
AC 30V
-
+
世纪星
14
CP+ 7 15 DIR8 1 A+ AB+ BZ+ Z+5V +5V GND GND CPDIR+
P1 PUL+ PULDIR+
P2
HNC-21
1
2
DIRA+ 步进驱动器 MS535 5 6 3 4 A
XS30
9 2 10 3 11 4 12 5 13
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 T 调角θ之间关系的曲线，或称为静转矩特性。
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。 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。
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：
—步距角
360 Zr m
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 A1 B1
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； 状态指示：RDY灯亮表示驱动器正常工作； TEMP灯亮表示驱动器超温； 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； 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；
1)三相单三拍
A B'
4
1
2 3
C' B
C
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 A'
A
C'
B
B' C A'
C' B
同理，B相通电时，转子会转过30角，2、4
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，转子
再转过30角，1、3齿和C´、C磁极轴线对齐。
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
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。
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。
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 i 0 i 0 t
C A
B
t
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： IA A
定子
转子
IC C
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。
AB+ BB BD D
AC C 57HS13 电机 混合步进电机
步进电机与控制器连接框图流
百格拉公司步进电机WD3-007的面板接线
PULSE/CW+ PULSE/CWDIR/CCW+ DIR/CCWRESET+ RESETREADY READY RDY TEMP FLT MOT.CURR STEP1 STEP2 CURR.RED PULSE.SYS DC+ DCU V W PE L N PE
S N
C B4
D
电机绕组 转子 永磁体
D - D剖面 A1 B1
S S
B4
A2
N
N N
N
N
A4
N
S
A2
定子
N
S
S
N
A4
S
B2
S
B3 C D
B2
S
B3
A3
A3
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>.
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。
2、步进电机动态指标及术语：