步进电机正常工作时,每接收到一个控制脉冲,就移动一个步距角,即前进一步。如果连续输入控制脉冲,电机将继续相应地旋转。步进电机失步包括丢步和超步。丢步时,转子前进的步数小于脉冲数;当超过一步时,转子前进的步数大于脉冲数。失步或越步的步数等于跑步节拍数的整数倍。当失步严重时,转子会停留在一个位置或围绕一个位置振动。当失步严重时,机床会出现超调。
缺失步骤的原因及对策
(1)转子的加速度比步进电机的旋转磁场慢
说明:当转子的加速度慢于步进电机的旋转磁场时,即低于换向速度时,步进电机就会失步。这是因为输入电机的电能不足,步进电机中产生的同步扭矩无法使转子转速跟随定子磁场的转速,从而造成失步。由于步进电机的动态输出扭矩随着连续工作频率的增加而减小,任何高于该频率的工作频率都会导致丢步。这种失步表明步进电机扭矩不足,拖动能力不足。
解决方法:A.增大步进电机本身产生的电磁扭矩。为此,可在额定电流范围内适当增大驱动电流;当高频范围扭矩不足时,可适当提高驱动电路的驱动电压。也可采用大扭矩步进电机代替。 b.减小步进电机需要克服的扭矩。为此,可适当降低电机的工作频率,以增大电机的输出扭矩;可以设置较长的加速时间,使转子获得足够的能量。
(2)转子平均转速高于定子磁场平均转速
解释:转子的平均转速高于定子磁场的平均转速。此时定子通电励磁的时间较长,大于转子前进所需的时间。那么转子在步进过程中获得过多的能量,导致步进失败。电机产生的输出扭矩增大,导致电机超步。当步进电机用于驱动上下移动负载的机构时,更容易发生越步。这是因为当负载向下移动时,电机所需的扭矩减小。
解决办法:减小步进电机的驱动电流,以减小步进电机的输出扭矩。
(3)步进电机及其所承载的负载存在惯性。
说明:由于步进电机本身的惯性以及所承载的负载,电机在运行过程中无法立即启动和停止。相反,它在开始时会失去步数,在停止时会越步。
解决方案:通过一个加减速过程,即以较低速度开始,然后逐渐加速到一定速度,然后逐渐减速直至停止。合理、平稳的加减速控制是保证步进驱动系统可靠、高效、准确运行的关键。
(4)步进电机发生共振。解释:共振也是失步的一个原因。当步进电机连续工作时,如果控制脉冲的频率等于步进电机的固有频率,就会发生共振。在一个控制脉冲周期内,在下一个脉冲到达之前振动无法完全衰减。因此,动态误差在谐振频率附近最大,会导致步进电机失去同步。
解决办法:适当减小步进电机的驱动电流;采用细分驱动方式;采用阻尼方法,包括机械阻尼方法。上述方法可以有效消除电机振荡,避免失步现象。
(5) 改变方向时失去脉冲
解释:在任何方向上表现都是准确的,但方向一改变偏差就会累积,而且次数越多偏差越大。
解决方案:一般步进驱动器对方向和脉冲信号都有一定的要求。例如,在第一个脉冲的上升沿或下降沿之前几微秒确定方向信号(不同的驱动器有不同的要求),否则将会有一个脉冲以与实际所需方向相反的角度运行。最终,断层会随着距离越来越远而出现,而且细分越小,断层就越明显。解决方案是使用软件改变脉冲的逻辑或添加延迟。
(6)软件缺陷
解释:控制程序引起失同步的情况并不少见。需要检查控制程序是否有问题。
解决办法:如果一时找不到问题原因,有的工程师会让步进电机运行一段时间,然后再找原点。