步进电机的故障诊断与分析处理

步进电机的故障诊断与分析处理

摘要:步进电机属于特殊的电动机种类，控制其转速的因素主要有转子齿数、脉冲频率和拍数，而与负载、电压、温度等因素是没有关系的。步进电机工作时转速和步数不受负载变化和电压波动的影响，也不受环境条件(温度、冲击、和振动等)变化的影响，只与控制脉冲同步，但它仍有转子和定子构成，而转子和定子是由铁心和绕组构成。所以在转动过程会出现各种故障。

关键词：步进电机；故障；分析

1、步进电机及常见故障

步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的多相时序控制器。

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 步进电动机的最大缺点在于其容易失步。特别是在大负载和速度较高的情况下,失步容易发生,同时功率也不太大。目前,步进电动机主要应用于经济型数控机床的进给驱动,一般采用开环的控制结构。也有的采用步进电动机驱动的数控机床同时采用了位置检测元件。构成了反馈补偿型的驱动控制结构。在数控系统中,虽然其种类及规格有多种,结构有所不同,但在运行中常发生起动及运行速度慢、失步现象严重、控制绕组接线错误及运行中常出现绕组短路、开路或击穿等故障。故障出现后影响了数控系统不能正常工作。

2、常见故障原因

1) 驱动步进电机的脉冲频率太高，使步进电动机不能响应，发生失步或堵

转。

2) 驱动电源不佳而造成步进电机失步。

3) 步进电机控制及驱动电路常见的故障有停转、摆动和不能紧锁。

4) 工作台负载过重能造成步进电机失步甚至停转。

5) 步进电机本身问题或绕组烧坏造成失步或停转。

3、常用检修方法

1) 直观检查法:(目测法)就是用眼睛和其它感觉器官发现故障部位的方法,

通过观察便能及时排除许多故障。

2) 万用表法:就是用万用表测量步进电动机绕组的电阻,工作电压,工作电

流,与正常值相比较从而确定故障原因的方法。

3) 摇表法:(兆欧表法)就是用摇表测量步进电动机的各项绝缘指标,与正常

值相比较来确定故障原因的方法。

4) 波形图法:用示波器观测各主要电路的波形,通过对波形分析来判断故障

的方法。

4、典型故障分析与处理

4.1 起动和运行速度慢,影响系统同步

(1)步进电动机检修时,常要将定子各相控制绕组中串联的小电阻摘下,进行绕组检测和修理,检修后未再接入串联电阻,有时小电阻损坏或失效未更换,造成难起动,运行速度减慢。小电阻失效或未接入,则回路时间常数加大,使脉冲电流上升沿和下降沿由陡变为平坦,恶化了频率特性,也即恶化了步进电动机运行特性。所以,当步进电动机修完后,一定要接入小电阻;检修过程也必须用万用表检测小电阻有无断路、短路或击穿故障,如有则应同时更换合格的同规格小电阻,不要使之失效仍接入线路,不然影响抑制绕组中电感,使系统不同步,又为查找故障增加麻烦。

(2)定转子气隙不均,使定转子相擦,造成起动困难或运行速度减慢。由于气隙不均造成定转子相擦,加大了步进电动机静态力矩,阻力加大使动态特性变坏,导致起动和运行速度减慢。当发生此类故障时,应仔细检查定转子相擦的原因。根据造成的具体原因,采取有效措施,排除故障,使气隙均匀。

①检查中如发现因轴承损坏或端盖止口与定子外壳不同心所至,应更换新的合格轴承,及新配端盖,新端盖止口车削要按外壳止口公差尺寸配车。

②如检查出属转轴变弯,可采取调直方法调直弯曲端或更换新轴。

③测量转子外径如发现椭圆度超差,将转子进行精车一刀或磨削加工,消除不圆度。应注意车削或磨削加工时,加工量不宜过大,仅需将椭圆大直径车去或磨去,否则气隙加大,会导致电机其它性能变坏。

4.2 步进电动机运行中失步

当步进电动机改变负载运行时,如带大惯量负载则产生振荡,造成电机在某一运行频率下,起动丢步或停转滑步。造成步进电动机运行中失步。为了消除大惯性负载引起失步,可以采用机械阻尼的方法,用以消除或吸收振荡能量;也可以通过加大负载的摩擦力矩的方法,从而改善运行特性,消除失步。因为步进电动机受控于电脉冲而产生步进运动,采取如上措施能使电脉冲正常,不受干扰,从而消除电机运行中失步。

另一种失步可能是原采用双电源供电的而改为单电源供电,又未采取相应补救措施,使起动频率和运行频率降低,矩频特性恶化而失步。当是此种原因所至,应重新恢复双电源供电。有些使用单位或部门,为简化电路采用单电源供电造成电动机运行失步,这种做法不当,要知道采用双电源是为了提高起动和运行两种频率,改善矩频特性,从而改善了输入步进电动机绕组中脉冲电流的上升沿和下降沿。用单电源供电,脉冲稳定电流得不到维持,步进电动机功率相应减小,所以在驱动中相当于容量减小而过载,效率降低而失步。采用双电源,用高低两套电路,即在步进电动机绕组脉冲电流通入瞬间,对其施以高压,强迫电流上升加速;池电流达到一定值后,再改施以低压,使电机正常运行。这种措施不仅使驱动电源容量大大减小,同时也提高了运行效率,改善运行特性,电动机不会失步运行。

4.3 控制绕组一相反绕,影响正常运行 当步进电动机不能正常运行时,除上述两种原因影响速度或失步外,可能是定了控制绕组有一相反接。当一相绕组反接,相当于通电电流方向相反,电流相互抵消,电动机在此相内无脉冲电流,运行失常或根本不能运行。在通电情况下,检测三相电流就能发现。检测出反接相后,将该相绕组首末引出线对调,按

正确接法接好,再通电运行进行电流的检测。

4.4 开路故障

定子控制绕组开路故障,表现为一种是引线接头处断或焊接处全脱焊,或从某一匝中导线折断;另一种情况是导线将断未断,如假焊、虚焊,或有裂纹。 此故障可采用检测普通三相电动机断路方法来检测,较方便的是用万用表电阻档来检测,当指针不动或电阻很大,说明所检测一相绕组为开路。

修理方法是找到故障处,将断开两头漆皮刮掉后拧紧再焊牢,包上绝缘。

4.5 短路故障

步进电动机定子控制绕组一般为单根导线绕制的多匝绕组,短路也是匝间短路。检测方法主要分以下两步:

① 目测法:凡短路的绕组因短路电流大而过热,绕组导线绝缘层有发黑

变脆的糊焦状,凡有此种情况的为故障相;

② 用在通电运行状况下,测量各相电流,凡电流大的相为故障相。

故障相找到后,如果短路在端部外层,采用加热绕组后,轻轻撬起短路匝,用薄绝缘纸垫好,再压实,线圈局部加热,再刷上1032号绝缘漆后烘于即可;如短路严重不能局部修理,只有重绕线圈换上。

4.6 击穿故障 击穿故障的绕组可目测出,也可用兆欧表摇测其绝缘电阻,一般击穿后绕组将接地,检测相绝缘电阻为零者,说明即击穿又接地。

4.7 电源装置故障使步进电动机不能运行 功率放大失灵,门电路中电子开关损坏及计数器失灵是常发生的。可采用万用表及示波器等仪表,对照线路逐段检测。如测出放大程序逻辑部分无信号或信号弱,说明功率驱动器有毛病,对其应进一步检测和排除故障至有正常信号;当电子开关未在起动位置,门电路就开通,说明起动开关已经损坏,只有更换合格的开关;如反馈信号没有,即反馈没有电压值,说明反馈环节有故障,应检测脉冲数选器及整形反相环节等,找出毛病调整至有正常反馈电压为止。门

电路不关闭,步进电动机不停机,说明计数器有故障,应检测计数器,找出毛病,调整和修理使齿轮灵活,计数准确,达到计数器在规定的脉冲数后电动机就停转,即达到了当输入脉冲数刚好为所选定的数字门电路就关闭,电机停转。当发现电动机通电顺序不对,不符合设定顺序,说明环形分配器失灵,因它的级数应等于电动机的相数,在此情况下,它才按规定逻辑给电动机各相绕组依次通电,使之顺序转或逆转。总之,对电源装置应经常检测和调试,防止故障出现,影响电动机正常运行。

4.8 机械方面故障使电动机过热

4.8.1 步进电机发热原因分析

对于所有的电机而言，其内部都是由绕组和铁心组成的，绕组存在电阻，一般会产生一定的损耗，损耗的大小由电流的大小决定，也就是常说的铜损，如果通过的电流不是标准的正弦波或电流，还会产生谐波损耗；铁心有磁滞涡流效应，交变磁场中依然会产生一定的损耗，其大小主要跟电流、频率、材料及电压等因素相关，成为铁损。不管是铁损或者是铜损，其表现的形式都是发热，发热都会影响电机的效率。步进电机一般追求的是力矩输出和精确定位，要求的电流较大，效率相对较低，并且有谐波损耗，电流交变的频率随着转速而变化，产生一定的损耗，因此，步进电机存在一个普遍的问题就是发热现象，而且比普通的电机发热现象更为严重。 4.8.2 步进电机发热的合理范围

电机发热允许到什么程度，主要取决电机内部绝缘等级。内部绝缘性能在高温下(130℃以上)才会被破坏。所以只要内部不超过130~C，电机便不会损坏，而这时表面温度会在90~C以下。所以步进电机表面温度在70~C～80~C都是正常的。简单的温度测量方法有用温度计的，也可以粗略判断：用手可以触摸1 2S以上，不超过6O℃：用手只能碰一下，大约在70℃～8O℃；滴几滴水迅速气化，则90~C以上了。

4.8.3 速度对步进电机发热的影响 在对步进电机采用恒流驱动技术时，在低速或静态时，步进电机的电流维持在恒定状态，输出的力矩也保持恒定，当速度提高到一定程度，电机反电动势逐渐升高，电流逐渐降低。所以，由于铜损导致的发热现象和速度就有关系了。低速和静态时，发热率较高，高速时，发热率低。但是铁损对发热情况的影响不大，但是发热现象是由二者共同作用的，所以上述情况属于常见情况。

4.8.4 发热带来的影响

发热一般会对电机造成一定的使用寿命影响，对于一般而言，不需要在意，因为电机的设计使用寿命在理论范围内。但是由于发热会出现一些负面的影响。例如，电机内部由于发热会导致内部元件膨胀系数的变化，直接影响电机的动态效应，速度一旦提高，容易出现失步故障。

4.8.5 如何减少电机的发热 如果要降低电机的发热，就必须减少铁损和铜损。减少铜损，就需要降低电流和电阻，因此在选型时，要尽量的选择电流小和电阻小的电机，对于两相的电机而言，本办法串联的就不能并联，但是这往往与力矩和高速的要求相抵触。对于已经选定电机，则应充分利用驱动器的自动半流控制功能和脱机功能，前者在电机处于静态时自动减少电流，后者干脆将电流切断，另外细分驱动器由于电流波形接近正弦波，谐波少，电机发热也会较少。减少铁损的办法不变，电压等级与之有关，高压驱动的电机虽然会带来高速特性的提升，但也会带来发热的增加。所以应当选择合适的驱动电压等级，兼顾平稳性、高速性和噪声、发热等指标。

五、结语

本文针对步进电机使用中出现的问题，分析了原因，并找出了对策。综上，针对步进电机的使用，应注意以下问题：

1)步进电机尽量应用于低速转动场合。

2)应用于较高转速的场合时，应适当设定电机的匀加速过程和匀减速过程参数，充分利用步进电机低速时的大输出力矩，顺利启动。避免高速启停，以免烧毁步进电机组件。

参考文献

[1] 王毅，何朕，苏宝库．摩擦模型的Simulink仿真[J]电机与控制学报，2004，

8(1)：60--92．

[2] 焦竹青，屈百达，徐保国．遗传算法在直流伺服系统摩擦补偿中的应用[J]

西安交通大学学报，2007，41(8)：944—948．

[3] Canudas de Wit C，Olsson H，Astrom K J，et a1．A New Mod．el for Control

of Systems“tll Friction[J]．Automatic Control，IEEETransactions on，1995，40(3)：419—425．14j Rusu C．Model Based Design Controller for the Stepper MotorlC J／／IEEE International Conference on Automation，Quality

[4] and Testing，Robotics，2008．AQTR 2008．2008，2：175—179．

[5] 坂本正文．步进电机应用技术[M]．王自强，译．北京：科学出版社，2010．

[6] 王益全，张炳义．电机测试技术[M]．北京：科学出版社，2008．

[7] 武建文，李德成．电机现代测试技术[M]．北京：机械工业出版社．2006．

[8] 周黎，杨世洪，高晓东．步进电机控制系统建模及运行曲线仿真[J]．电机

与控制学报，2011，15(1)：20—25．

[9] 陈林. 对步进电动机步距角的分析和计算.《新余高专学报》,2003年02期.

[10] 李炳成.电火花切割机进步电机失步等故障的检修.《电加工与磨具》,

2006年第6期.

[11] 黄兆斌,黄云龙,余世明.几种步进电机加减速方法的对比研究及其应用.

《机电工程》, 2011年08期.

[12] 刘希璐,李世良.步进电机常见故障的分析和排查.《黑龙江科技信息》,

2012年21期.