步進電機的失步原因及解決方法

來源 https://blog.csdn.net/mao_hui_fei/article/details/78715530

參考 http://www.szvictor.com.cn/fwzc_detail/newsId=203.html

 

步進電機可以根據脈沖數和脈沖頻率來對電機實現開環控制位置和速度，是一種便宜、簡單好用的控制類電機，在自動化控制領域得到越來越廣泛的應用。但由於步進電機不是閉環控制，選型或者使用不當，也會容易出現步進電機失步，也叫步進電機丟步，也就是步進電機沒有按照指令到達應該到達的位置，讓工程師們很是苦惱。那么，步進電機失步的原因是什么？可以采取哪些對策來避免失步呢？

步進電機失步的原因有很多，在實際應用過程中，需要采取排除法一一分析，才能夠找出失步的真正原因，一般導致步進電機失步的原因是下面幾種：
1.步進電機本身工作力矩不夠，沒有足夠能力帶動負載；
2.步進電機起停的加減速過程不充分，步進電機在加減速過程中失步；
3.步進電機的電源功率不夠導致步進電機的輸入功率不夠引起失步；
4.步進電機的驅動電壓不夠或者驅動電流設定過低；
5.驅動器或者控制器收到信號干擾；
6.步進電機系統共振引起步進電機帶負載能力下降而導致失步；
7.驅動器和控制器的信號不匹配；
8.同步輪或者減速箱的背隙或者來回轉到的間隙誤差沒有在程序上補償或者補償值不對；
9.控制程序本身有問題。

針對上面各問題原因，可以分別采取下面對策來改善步進電機失步問題：
1）核算負載的力矩，參考步進電機距頻圖看看在對應速度下步進電機是不是有足夠扭矩能力帶動負載，可以換個在對應工作速度下扭矩大的步進電機來對比測試。
2）步進電機的啟動階段就像開手動波的汽車，需要逐步上檔而提速，加減速不充分，會導致失步。一般建議負載的轉動慣量不要大於步進電機轉動慣量的10倍，不然加減速過程會比較漫長。
3）步進電機啟動瞬間我們會測試到額定電流1.6倍左右的電流，如果電源功率不夠，會讓電機里面的有效電流過低，從而帶不動負載。建議一般電源留30%以上余量。
4）步進電機需要快速啟動或者高速運行，需要驅動電壓比較高，工作電流設定值足夠大，否則也容易失步。
5）換個型號的驅動器對比看看是不是信號收到干擾，或者看看控制A電機運動，是不是B電機有動作，看看電機是不是收到信號干擾。
6）共振的時候，步進電機及其系統有明顯的噪聲和震動，速度上升或者下降一定范圍，有關現象會明顯減輕或者消失，基本可以判斷是共振問題。選擇合適參數的步進電機，改善驅動器性能或者用減震墊等 物理方式來減振。
7）如果是步進電機驅動器和控制器的信號不匹配，現象是隨着時間的推移，位置的偏移量會很均勻地增加。更改驅動器或者控制器的信號識別方式，讓兩者匹配一致就好了。
8）同步輪或者減速箱由於精度問題，會有一定誤差累計，需要在控制程序中做出合理補償。
9）控制程序導致失步也不少見，需要檢查控制程序是不是有問題。
一時找不到問題原因，也有工程師會讓步進電機運行一段時間就重新找原點歸位，這樣會影響設備的工作效率，是沒有辦法的辦法。近年來，閉環步進電機開始流行起來，通過閉環控制來對於實現對於步進電機的完全控制，也是一種解決問題的方案，但成本會高一些。現在一些步進電機驅動芯片可以根據步進電機失步瞬間電流的異常變化來輸出步進電機失步的信號。

 

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來源 https://zhuanlan.zhihu.com/p/39685584

 

步進電動機與驅動電路組成的開環數控系統，因其簡單的結構，可靠的性能，在經濟型數控機床中得到了廣泛應用，在我國機床行業的數控化進程中占有重要的地位。步進電動機經常被用於精確定位的場合，因而保證電動機不發生失步至關重要。

失步及其危害

　　步進電動機正常工作時，每接收一個控制脈沖就移動一個步距角，即前進一步。若連續地輸入控制脈沖，電動機就相應地連續轉動。步進電動機失步包括丟步和越步。丟步時，轉子前進的步數小於脈沖數；越步時，轉子前進的步數多於脈沖數。一次丟步和越步的步距數等於運行拍數的整數倍。丟步嚴重時，將使轉子停留在一個位置上或圍繞一個位置振動，越步嚴重時，機床將發生過沖。步進電動機是開環進給系統中的一個重要環節，其性能直接影響着數控系統的性能。電動機失步會影響數控系統的穩定性和控制精度，造成數控機床加工精度下降。

失步原因及解決方法

1．轉子的加速度慢子步進電動機的旋轉磁場

　　轉子的力n速度慢於步進電動機的旋轉磁場，即低於換相速度時，步進電動機會產生失步。這是因為輸入電動機的電能不足，在步進電動機中產生的同步力矩無法使轉子速度跟隨定子磁場的旋轉速度，從而引起失步。由於步進電動機的動態輸出轉矩隨着連續運行頻率的上升而降低，因而，凡是比該頻率高的工作頻率都將產生丟步。這種失步說明步進電動機的轉矩不足，拖動能力不夠。解決方法：①使步進電動機本身產生的電磁轉矩增大。為此可在額定電流范圍內適當加大驅動電流；在高頻范圍轉矩不足時，可適當提高驅動電路的驅動電壓；改用轉矩大的步進電動機等。②使步進電動機需要克服的轉矩減小。為此可適當降低電動機運行頻率，以便提高電動機的輸出轉矩；設定較長的加速時間，以便轉子獲得足夠的能量。

2．轉子的平均速度高於定子磁場的平均旋轉速度

　　轉子的平均速度高於定子磁場的平均旋轉速度，這時定子通電勵磁的時間較長，大於轉子步進一步所需的時間，則轉子在步進過程中獲得了過多的能量，使得步進電動機產生的輸出轉矩增大，從而使電動機越步。當用步進電動機驅動那些使負載上、下動作的機構時，更易產生越步現象，這是因為負載向下運動時，電動機所需的轉矩減小。解決方法：減小步進電動機的驅動電流，以便降低步進電動機的輸出轉矩。

3．步進電動機及所帶負載存在慣性

　　由於步進電動機自身及所帶負載存在慣性，使得電動機在工作過程中不能立即起動和停止，而是在起動時出現丟步，在停止時發生越步。解決方法：通過一個加速和減速過程，即以較低的速度起動，而后逐漸加速到某一速度運行，再逐漸減速直至停止。進行合理、平滑的加減速控制是保證步進驅動系統可靠、高效、精確運行的關鍵。

4．步進電動機產生共振

　　共振也是引起失步的一個原因。步進電動機處於連續運行狀態時，如果控制脈沖的頻率等於步進電動機的固有頻率，將產生共振。在一個控制脈沖周期內，振動得不到充分衰減，下一個脈沖就來到，因而在共振頻率附近動態誤差最大並會導致步進電動機失步。解決方法：適當減小步進電動機的驅動電流；采用細分驅動方法；采用阻尼方法，包括機械阻尼法。以上方法都能有效消除電動機振盪，避免失步現象發生。​​​​

 

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