步进电机常见故障及处理

步进电机常见故障及处理第1页，课件共56页，创作于2023年2月一、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、步进电机的选择主要内容第2页，课件共56页，创作于2023年2月1、步进电机的静态指标术语

产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示

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.一、步进电机常用术语相数：拍数：第3页，课件共56页，创作于2023年2月

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）步距角：定位转矩：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）第4页，课件共56页，创作于2023年2月

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。静转矩：第5页，课件共56页，创作于2023年2月2、步进电机动态指标及术语：

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。

电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。步距角精度：失步：第6页，课件共56页，创作于2023年2月

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。

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。失调角：最大空载起动频率：第7页，课件共56页，创作于2023年2月

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。

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。最大空载的运行频率：运行矩频特性：第8页，课件共56页，创作于2023年2月

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。

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。电机的共振点：电机正反转控制：第9页，课件共56页，创作于2023年2月

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。第10页，课件共56页，创作于2023年2月二、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.双极性步进电机第11页，课件共56页，创作于2023年2月

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；

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。第12页，课件共56页，创作于2023年2月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。三、工作原理第13页，课件共56页，创作于2023年2月1、永磁步进电机的结构原理（励磁式）永磁步进电机的结构原理第14页，课件共56页，创作于2023年2月2、反应式步进电机工作原理

(a)(b)

反应式步进电机结构原理图

第15页，课件共56页，创作于2023年2月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：ABCIAIBIC

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。定子转子第16页，课件共56页，创作于2023年2月1)三相单三拍CA'BB'C'A3412

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。第17页，课件共56页，创作于2023年2月CA'BB'C'A3412

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。1C'342CA'BB'A第18页，课件共56页，创作于2023年2月

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ABCA……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AABBBCC

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。第19页，课件共56页，创作于2023年2月CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412

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。第20页，课件共56页，创作于2023年2月CA'BB'C'A3412

B相通电，转子2、4齿与B、B´对齐,又转过15。3412CA'BB'C'A

B、C相同时通电，C'、C

磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子再转过15。第21页，课件共56页，创作于2023年2月三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：AABBBCC

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。3.三相双三拍按ABBCCA的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电。第22页，课件共56页，创作于2023年2月AB通电CA'BB'C'A3412BC通电3412CA'BB'C'ACA通电CA'BB'C'A3412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)。第23页，课件共56页，创作于2023年2月

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：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，相数m、转子的齿数z、通电方式系数k=拍数/相数第24页，课件共56页，创作于2023年2月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.步进电机控制方式方向脉冲步进电机驱动器步进电机工作台(a)开环控制比较、补偿脉冲脉冲混合器步进电机驱动器步进电机指令工作台位置测量(b)反馈补偿闭环控制第25页，课件共56页，创作于2023年2月4、步进电机的接线图第26页，课件共56页，创作于2023年2月步进电机与控制器连接框图流-+12345614715819210311412513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-

AC30V第27页，课件共56页，创作于2023年2月华中数控百格拉公司步进电机WD3-007的面板接线

第28页，课件共56页，创作于2023年2月控制信号说明：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。第29页，课件共56页，创作于2023年2月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。第30页，课件共56页，创作于2023年2月本驱动器提供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。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。6、M535步进电机驱动器细分设置第31页，课件共56页，创作于2023年2月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.拨码开关细分数

SW5SW6

SW7

SW821111410118110116100132111064101012811002561000第32页，课件共56页，创作于2023年2月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

SW31.31111.60111.91012.20012.51102.90103.21003.5000第33页，课件共56页，创作于2023年2月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、半流功能第34页，课件共56页，创作于2023年2月六、步进电机常见问题

步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1.8°

的两相混合式步进电机，如果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个脉冲0.45°，电机的精度能否达到或接近0.45°，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越难控制。1、细分驱动器的细分数是否能代表精度?第35页，课件共56页，创作于2023年2月

步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一般可采用以下方案来克服：

A.如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动避开共振区；

B.采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简便的方法；

C.换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机；

D.换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高；

E.在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大。

2、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?第36页，课件共56页，创作于2023年2月

1.电机不运转

1）驱动器无供电电压2）驱动器保险丝熔断3）驱动器报警(过电压、欠电压、过电流、过热)4）驱动器与电机连线断线5）系统参数设置不当6）驱动器使能信号被封锁7）接口信号线接触不良8）驱动器电路故障9）电机卡死或者出现故障10）电动机生锈11）指令脉冲太窄、频率过高、脉冲电平太低七、步进电机常见故障及分析：第37页，课件共56页，创作于2023年2月2.电机起动后堵转

1）指令频率太高2）负载转矩太大3）加速时间太短4）负载惯量太大5）电源电压降低第38页，课件共56页，创作于2023年2月

3.电机运转不均匀，有抖动1）指令脉冲不均匀2）指令脉冲太窄3）指令脉冲电平不正确4）指令脉冲电平与驱动器不匹配5）脉冲信号存在噪声6）脉冲频率与机械发生共振第39页，课件共56页，创作于2023年2月

4.电机运转不规则，正反转地摇摆

1）指令脉冲频率与电机发生共振2）外部干扰

5.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

第40页，课件共56页，创作于2023年2月

6.电机过热：1）工作环境过于恶劣，环境温度过高2）参数选择不当，如电流过大，超过相电流3）电压过高

第41页，课件共56页，创作于2023年2月

7.工作过程中停车：1）驱动电源故障2）电动机线圈匝间短路或接地3）绕组烧坏4）脉冲发生电路故障5）杂物卡住第42页，课件共56页，创作于2023年2月

8.噪声大1）电机运行在低频区或共振区2）纯惯性负载、短程序、正反转频繁3）混合式或永磁式转子磁钢退磁后以单步运行或在失步区

第43页，课件共56页，创作于2023年2月9.失步或者多步1）负载过大，超过电动机的承载能力2）负载忽大忽小3）负载的转动惯量过大，启动时失步、停车时过冲4）传动间隙大小不均5）传动间隙产生的零件有弹性变形6）电动机工作在震荡失步区7）电路总清零使用不当8）干扰9）定、转子相檫第44页，课件共56页，创作于2023年2月10.无力或者是出力降低

1）驱动电源故障2）电动机绕组内部发生错误3）电动机绕组碰到机壳，发生相间短路或者线头脱落4）电动机轴断5）电动机定子与转子之间的气隙过大6）电源电压过低第45页，课件共56页，创作于2023年2月

11.不能启动1）工作方式不对2）驱动电路故障3）遥控时，线路压降过大4）安装不正确，或电动机本身轴承、止口等故障使电动机不转5）N、S极接错6）长期在潮湿场所存放，造成电动机部分生锈第46页，课件共56页，创作于2023年2月八、步进电机的选择

步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（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角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。

1、步距角的选择第47页，课件共56页，创作于2023年2月步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）2）静力矩的选择第48页，课件共56页，创作于2023年2月

静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。如果采用线性电源，电源电流一般可取I的1.1～1.3倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取I的1.5～2.0倍。3）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、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：P=Ω·MΩ=2π·n/60P=2πnM/60其P为功率单位为瓦，Ω为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿·米P=2πfM/400(半步工作）其中f为每秒脉冲数（简称PPS)第49页，课件共56页，创作于2023年2月5）电压的确定

混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围（比如IM483的供电电压为12～48VDC），电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值也高，但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。

第50页，课件共56页，创作于2023年2月6）应