步进电机常见故障及处理PPT课件

1、 步进电机步进电机华中数控孙海亮孙海亮华中数控主要内容主要内容华中数控华中数控一、步进电机常用术语相数：相数：拍数：拍数： 对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用用表示。表示。=360=360度度/ /（转子齿数（转子齿数J J* *运行拍数），运行拍数），以常规二、四相，转子齿为以常规二、四相，转子齿为5050齿电机为例：齿电机为例： 四拍运行时步距角为：四拍运行时步距角为： =360=360度度/ /（5050* *4 4）=1.8=1.8度（俗称整步）度（俗称整步） 八拍运行时步距角：八拍运行时步距角： =360=360度度/ /（5050* *8

2、 8）=0.9=0.9度（俗称半步）度（俗称半步）华中数控步距角：步距角：定位转矩：定位转矩：华中数控华中数控静转矩：静转矩：华中数控步距角精度：步距角精度：失步：失步：失调角：失调角：最大空载起动频率：最大空载起动频率：华中数控最大空载的运行频率：最大空载的运行频率：运行矩频特性：运行矩频特性：华中数控电机的共振点：电机的共振点：电机正反转控制：电机正反转控制：华中数控华中数控华中数控华中数控华中数控华中数控1、永磁步进电机的结构原理（、永磁步进电机的结构原理（励磁式励磁式）FFNSSRA+B-A-B+iitt00AB(a)(b)图 1 永 磁 步 进 电 机 结 构 原 理永磁步进电机的结

3、构原理华中数控2 2、反应式步进电机工作原理、反应式步进电机工作原理CABBACii00tt0it (a) (b) 反应式步进电机结构原理图 华中数控 下面以反应式步进电机为例说明步进电机的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。结构和工作原理。如下：如下：ABCIAIBIC 定子内圆周定子内圆周均匀分布着六个均匀分布着六个磁极，磁极上有磁极，磁极上有励磁绕组，每两励磁绕组，每两个相对的绕组组个相对的绕组组成一相。转子有成一相。转子有四个齿。四个齿。定子定子转子转子CABBCA3412 A相绕组通电，相绕组通电，B、C相相不通电。由于在磁场作用下，不通电。由于在磁场作用下，转子总

4、是力图旋转到磁阻最转子总是力图旋转到磁阻最小的位置，故在这种情况下，小的位置，故在这种情况下，转子必然转到左图所示位置：转子必然转到左图所示位置：1、3齿与齿与A、A极对齐。极对齐。CABBCA3412同理，同理，B相通电时，转子会转过相通电时，转子会转过30 角，角，2、4齿和齿和B、B 磁极轴线对齐；当磁极轴线对齐；当C相通电时，转子相通电时，转子再转过再转过30 角，角，1、3齿和齿和C 、C磁极轴线对齐。磁极轴线对齐。1C342CABBA这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为这种工作方式下，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，一个循环周期，一个循环周期包括

5、三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。所以称为三相单三拍工作方式。 按按AB C A 的顺序给三相绕组的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过过30( (步距角步距角) )，每个通电循环周期，每个通电循环周期( (3拍拍) )转过转过90( (一个齿距角一个齿距角) )。 按按AAB B BC C CA的顺序给三相的顺序给三相绕组轮流通电。绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制这种方式可以获得更精确的控制特性。特性。CABBCA3412CABBCA3412 A相通电，相通电，转子转子1 1、3 3齿与齿与A、A 对齐。对齐。

6、 A、B相同时通电，相同时通电，A、A 磁极拉住磁极拉住1、3齿，齿，B、B 磁极拉住磁极拉住2、4齿，齿，转子转转子转过过15 ，到达左图到达左图所示位置。所示位置。CABBCA3412 B B 相通电，相通电，转子转子2、4齿与齿与B、B 对齐对齐, ,又转又转过过15 。3412CABBCA B、C相同时通电，相同时通电，C 、C 磁极拉住磁极拉住1、3齿，齿，B、B 磁极拉住磁极拉住2、4齿，转子再转齿，转子再转过过15 。 三相反应式步进电动机的一个通电循环周三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：期如下：AAB B BC C CA，每个循每个循环周期分为六拍。每拍转子转过环周期

7、分为六拍。每拍转子转过15 （步距角），（步距角），一一个通电循环周期个通电循环周期( (6拍拍) )转子转过转子转过90 ( (齿距角齿距角) )。 与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更与单三拍相比，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。小，更适用于需要精确定位的控制系统中。 按按AB BC CA的顺序给三相绕组轮流通的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电电。每拍有两相绕组同时通电。AB通电通电CABBCA3412BC通电通电3412CABBCACA通电通电CABBCA3412 与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循循环

8、周期也分为三拍。每拍转子转过环周期也分为三拍。每拍转子转过30 ( (步距角步距角) )，一一个通电循环周期个通电循环周期( (3拍拍) )转子转过转子转过90 ( (齿距角齿距角) )。 从以上对步进电机三种驱动方式的分析可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：得步距角计算公式：mZr360 步距角步距角Zr 转子齿数转子齿数m 每个通电循环周期的拍数每个通电循环周期的拍数 实用步进电机的步距角多为实用步进电机的步距角多为3 和和1.5 。为了。为了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的，获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的，结构：结构： 华中数控BBB2A2NNS

9、A3NNNC - C剖面B1NSA1SSC34ANDS定子BB2A2NSA3SN34A电机绕组C4D转子永磁体BD - D剖面B1SSA14 华中数控华中数控 VDC PWM A + = - = 电流检测 *i 华中数控 步进电机控制方式方向脉冲步进电机驱动器步进电机驱动器步进电机步进电机工作台工作台(a) 开环控制 比较、补偿脉冲比较、补偿脉冲脉冲混合器脉冲混合器步进电机驱步进电机驱动器动器步进电机步进电机指令指令工作台工作台位置测量位置测量(b) 反馈补偿闭环控制华中数控4 4、步进电机的接线图、步进电机的接线图华中数控华中数控步进电机与控制器连接框图流-+1234561471581921

10、0311412513世纪星世纪星HNC-21XS30A+A-B+B-Z+Z-+5V+5VGNDGNDCP+CP-DIR+DIR-PUL+PUL-DIR+DIR-P1P2步进驱动器MS535BDACBDAC电机57HS13混合步进电机A+A-B+B- AC 30V华中数控华中数控华中数控PULSE/CW+PULSE/CW-DIR/CCW+DIR/CCW-RESET+RESET-READYREADYRDYTEMPFLTMOT.CURRSTEP1STEP2CURR.REDPULSE.SYSDC+DC-UVWPELNPEWD3-007信号接口：PULSE+电机输入控制脉冲信号；DIR+电机转动方向控制

11、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；百格拉公司步进电机百格拉公司步进电机WD3-007WD

12、3-007的面板接线的面板接线 华中数控华中数控华中数控华中数控五、五、 步进电机的主要特性：步进电机的主要特性：1 1、 步距角和步距误差：步距角和步距误差：T0步进电机矩角特性华中数控2 2、静态矩角特性和最大静转矩特性、静态矩角特性和最大静转矩特性T0Nm绕组并联绕组并联绕组串联绕组串联f 步进电机矩频特性华中数控3 3、步进电机矩频特性：、步进电机矩频特性：华中数控5、启动惯频特性启动惯频特性 起 动 惯 频 特 性 f（ H z） JL 0 在负载转矩ML=0的条件下，步进电动机由静止状态突然启动，不丢步地进入正常运行状态所允许的最高启动频率，称为启动频率或突跳频率，超过此值就不能正

13、常启动。启动频率与机械系统的转动惯量有关，包括步进电动机转子的转动惯量，加上其它运动部件折算至步进电动机轴上的转动惯量。下图表示启动频率与负载转动惯量之间的关系。随着负载惯量的增加，起动频率下降。若同时存在负载转矩ML；则起动频率将进一步降低。在实际应用中，由于ML的存在，可采用的启动频率要比惯频特性还要低。华中数控本驱动器提供2-256细分，在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。 可以讲细分驱动器是将脉冲拍数进行细分或将旋转磁场进行数字化处理。可以讲细分驱动器是将脉冲

14、拍数进行细分或将旋转磁场进行数字化处理。是将磁场进行细分，其控制精度取决于步进电机自身精度的高低。不过也可根据是将磁场进行细分，其控制精度取决于步进电机自身精度的高低。不过也可根据不同厂家的步进电机进行修正，但这不是一般驱动器生产厂家所能做到的。因此不同厂家的步进电机进行修正，但这不是一般驱动器生产厂家所能做到的。因此细分驱动器往往用在减少噪音和提高电机轴输出的平稳性上。细分驱动器往往用在减少噪音和提高电机轴输出的平稳性上。华中数控6 6、 M535M535步进电机驱动器细分设置步进电机驱动器细分设置1）按驱动器前面板表格将细分数设置为16,将电机设置为57HS13步进电动机的额定电流.拨码开

15、关细分数 SW5SW6 SW7 SW8 2 1 1 1 1 1 1 1 1 4 1 1 0 0 1 1 1 1 8 1 1 1 1 0 0 1 1 16 1 1 0 0 0 0 1 1 32 1 1 1 1 1 1 0 0 64 1 1 0 0 1 1 0 0 128 1 1 1 1 0 0 0 0 256 1 1 0 0 0 0 0 0华中数控2）.步进电机驱动器的电流选择，拨码开关1、2、3可以选择驱动器的电流大小，下表不同的拨码方式对应的电流大小也不同，通过下表可以看出其对应关系，拨码开关 电流 SW1 SW2 SW3 1.3 1 1 1 1.6 0 1 1 1.9 1 0 1 2.2

16、0 0 1 2.5 1 1 0 2.9 0 1 0 3.2 1 0 0 3.5 0 0 0华中数控 步进电机由于静止时的电流很大，所以一般驱动器都提供半流功能， （ 1）.首先将半流功能打开，让驱动器带电的情况下静止30分 钟，测出此时的电机温度，并记录下来 （ 2）.待电机冷却后，将半流功能关闭，让驱动器带电的情况 下静止30分钟，测出此时的电机温度，并记录下来，与 上次所测的温度进行比较7、半流功能华中数控 步步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术（请进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术（请参考有关文献），其主要目的是减弱或消除步进电机的低参考有关文献），其主要目的是减弱或消除步进

17、电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。比如对于步进角为能。比如对于步进角为1.8 的两相混合式步进电机，如果的两相混合式步进电机，如果细分驱动器的细分数设置为细分驱动器的细分数设置为4，那么电机的运转分辨率为每，那么电机的运转分辨率为每个脉冲个脉冲0.45，电机的精度能否达到或接近，电机的精度能否达到或接近0.45，还取决，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越难控的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度

18、越难控制。制。1 1、细分驱动器的细分数是否能代表精度、细分驱动器的细分数是否能代表精度? ?2 2、如何克服两相混合式步进电机在低速运转、如何克服两相混合式步进电机在低速运转 时的振动和噪声时的振动和噪声? ?华中数控华中数控 3 3、二、二/ /四相混合式步进电机的使用四相混合式步进电机的使用A+A-B+B-A+A-C-CB+B-D-D华中数控华中数控华中数控2）步进电机发热的合理范围：）步进电机发热的合理范围：华中数控4）发热带来的影响：）发热带来的影响： 华中数控华中数控七、步进电机常见故障及分析：华中数控华中数控 4. 4. 电机运转不规则，正反转地摇摆电机运转不规则，正反转地摇摆

19、1） 指令脉冲频率与电机发生共振 2） 外部干扰 5. 5. 电机定位不准电机定位不准 1） 加减速时间太小 2） 存在干扰噪声 3）系统屏蔽不良 华中数控华中数控华中数控华中数控华中数控华中数控华中数控 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的 最最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.360.36度度/0.72/0.

20、72度（五相电机）、度（五相电机）、0.90.9度度/1.8/1.8度（二、四相电机）、度（二、四相电机）、1.51.5度度/3/3度度 （三相电机）等。（三相电机）等。 1 1、步距角的选择、步距角的选择华中数控华中数控2 2）静力矩的选择）静力矩的选择华中数控3 3）电流的选择）电流的选择4）力矩与功率换算 步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下： P= M =2n/60 P=2nM/60 P= M =2n/60 P=2nM/60 其其P P为功率单位

21、为功率单位为瓦，为瓦，为每秒角速度，单位为弧度，为每秒角速度，单位为弧度，n n为每分钟转速，为每分钟转速，M M为力矩单位为牛顿为力矩单位为牛顿米米 P=2fM/400(P=2fM/400(半步工作）半步工作） 其其中中f f为每秒脉冲数（简称为每秒脉冲数（简称PPS) PPS) 华中数控华中数控华中数控（1 1）步进电机应用于低速场合）步进电机应用于低速场合-每分钟转速不超每分钟转速不超 过过10001000转，（转，（0.90.9度时度时66666666PPS)PPS)，最好在最好在1000-1000- 3000 3000PPS(0.9PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其度）间使用，可通过减速装置使其 在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。 华中数控（4 4）转动惯量大的负载应选择大机座号电机。）转动惯量大的负载应选择大机座号电机。 华中数控（5 5）电机在较高速或大惯量负载时，一般不在）电机在较高速或大惯量负载时，一般不在 工作速度起动，而采用逐渐升频提速：工作速度起动，而采用逐渐升频提速： 一电机不失步，一电机不失步， 二可以减少噪音