雷赛步进电机失步的原因 浅谈雷赛步进电机性能特点

　　本文主要是关于雷赛步进电机的相关介绍，并着重对雷赛步进电机失步的原因及性能特点进行了详尽的阐述。

　　步进电机

　　步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，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，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以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。

　　步进电机又称为脉冲电机，基于最基本的电磁铁原理，它是一种可以自由回转的电磁铁，其动作原理是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。其原始模型是起源于年至年间。年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氢弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电机。二十世纪初，在电话自动交换机中广泛使用了步进电机。由于西方资本主义列强争夺殖民地，步进电机在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中得到了广泛的使用。二十世纪五十年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。到了八十年代后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电机的控制方式更加灵活多样。 ［1］

　　步进电机相对于其它控制用途电机的最大区别是，它接收数字控制信号电脉冲信号并转化成与之相对应的角位移或直线位移，它本身就是一个完成数字模式转化的执行元件。而且它可开环位置控制，输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量，这样的所谓增量位置控制系统与传统的直流控制系统相比，其成本明显减低，几乎不必进行系统调整。步进电机的角位移量与输入的脉冲个数严格成正比，而且在时间上与脉冲同步。因而只要控制脉冲的数量、频率和电机绕组的相序，即可获得所需的转角、速度和方向。 ［1］

　　我国的步进电机在二十世纪七十年代初开始起步，七十年代中期至八十年代中期为成品发展阶段，新品种和高性能电机不断开发，目前，随着科学技术的发展，特别是永磁材料、半导体技术、计算机技术的发展，使步进电机在众多领域得到了广泛应用。

　　

　　步进电机控制技术及发展概况

　　作为一种控制用的特种电机，步进电机无法直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的驱动电源步进电机驱动器。在微电子技术，特别计算机技术发展以前，控制器脉冲信号发生器完全由硬件实现，控制系统采用单独的元件或者集成电路组成控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路。这就使得需要针对不同的电机开发不同的驱动器，开发难度和开发成本都很高，控制难度较大，限制了步进电机的推广。 ［1］

　　由于步进电机是一个把电脉冲转换成离散的机械运动的装置，具有很好的数据控制特性，因此，计算机成为步进电机的理想驱动源，随着微电子和计算机技术的发展，软硬件结合的控制方式成为了主流，即通过程序产生控制脉冲，驱动硬件电路。单片机通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出了电机的潜力。因此，用单片机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代趋。 ［1］

　　主要分类编辑

　　步进电机从其结构形式上可分为反应式步进电机（Variable Reluctance，VR）、永磁式步进电机Permanent Magnet，PM）、混合式步进电机（Hybrid Stepping，HS）、单相步进电机、平面步进电机等多种类型，在我国所采用的步进电机中以反应式步进电机为主。步进电机的运行性能与控制方式有密切的关系，步进电机控制系统从其控制方式来看，可以分为以下三类：开环控制系统、闭环控制系统、半闭环控制系统。半闭环控制系统在实际应用中一般归类于开环或闭环系统中。 ［1］

　　反应式：定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角小，可达1.2°、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。

　　永磁式：永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大（一般为7.5°或15°）。

　　混合式：混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。

　　按定子上绕组来分，共有二相、三相和五相等系列。最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占97%以上的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。该种电机的基本步距角为1.8°/步，配上半步驱动器后，步距角减少为0.9°，配上细分驱动器后其步距角可细分达256倍（0.007°/微步）。由于摩擦力和制造精度等原因，实际控制精度略低。同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果。

　　选择方法

　　步进电机和驱动器的选择方法：

　　判断需多大力矩：静扭矩是选择步

　　进电机的主要参数之一。负载大时，需采用大力矩电机。力矩指标大时，电机外形也大。

　　判断电机运转速度：转速要求高时，应选相电流较大、电感较小的电机，以增加功率输入。且在选择驱动器时采用较高供电电压。

　　选择电机的安装规格：如57、86、110等，主要与力矩要求有关。

　　确定定位精度和振动方面的要求情况：判断是否需细分，需多少细分。

　　根据电机的电流、细分和供电电压选择驱动器。

　　基本原理

　　工作原理

　　通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

　　发热原理

　　通常见到的各类电机，内部都是有铁芯和绕组线圈的。绕组有电阻，通电会产生损耗，损耗大小与电阻和电流的平方成正比，这就是我们常说的铜损，如果电流不是标准的直流或正弦波，还会产生谐波损耗；铁心有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产生损耗，其大小与材料，电流，频率，电压有关，这叫铁损。铜损和铁损都会以发热的形式表现出来，从而影响电机的效率。步进电机一般追求定位精度和力矩输出，效率比较低，电流一般比较大，且谐波成分高，电流交变的频率也随转速而变化，因而步进电机普遍存在发热情况，且情况比一般交流电机严重。

　　主要构造

　　步进电机也叫步进器，它利用电磁学原理，将电能转换为机械能，

　　人们早在20世纪20年代就开始使用这种电机。随着嵌入式系统（例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、震动寻呼机、机械手臂和录像机等）的日益流行，步进电机的使用也开始暴增。不论在工业、军事、医疗、汽车还是娱乐业中，只要需要把某件物体从一个位置移动到另一个位置，步进电机就一定能派上用场。步进电机有许多种形状和尺寸，但不论形状和尺寸如何，它们都可以归为两类：可变磁阻步进电机和永磁步进电机。

　　步进电机是由一组缠绕在电机固定部件--定子齿槽上的线圈驱动的。通常情况下，一根绕成圈状的金属丝叫做螺线管，而在电机中，绕在齿上的金属丝则叫做绕组、线圈、或相。

　　步进电机加减速过程控制技术

　　正因为步进电机的广泛应用，对步进电机的控制的研究也越来越多，在启动或加速时如果步进脉冲变化太快，转子由于惯性而跟随不上电信号的变化，产生堵转或失步在停止或减速时由于同样原因则可能产生超步。为防止堵转、失步和超步，提高工作频率，要对步进电机进行升降速控制。

　　步进电机的转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数。其角速度与脉冲频率成正比，而且在时间上与脉冲同步。因而在转子齿数和运行拍数一定的情况下，只要控制脉冲频率即可获得所需速度。由于步进电机是借助它的同步力矩而启动的，为了不发生失步，启动频率是不高的。特别是随着功率的增加，转子直径增大，惯量增大，启动频率和最高运行频率可能相差十倍之多。 ［1］

　　步进电机的起动频率特性使步进电机启动时不能直接达到运行频率，而要有一个启动过程，即从一个低的转速逐渐升速到运行转速。停止时运行频率不能立即降为零，而要有一个高速逐渐降速到零的过程。

　　步进电机的输出力矩随着脉冲频率的上升而下降，启动频率越高，启动力矩就越小，带动负载的能力越差，启动时会造成失步，而在停止时又会发生过冲。要使步进电机快速的达到所要求的速度又不失步或过冲，其关键在于使加速过程中，加速度所要求的力矩既能充分利用各个运行频率下步进电机所提供的力矩，又不能超过这个力矩。因此，步进电机的运行一般要经过加速、匀速、减速三个阶段，要求加减速过程时间尽量的短，恒速时间尽量长。特别是在要求快速响应的工作中，从起点到终点运行的时间要求最短，这就必须要求加速、减速的过程最短，而恒速时的速度最高。 ［1］

　　国内外的科技工作者对步进电机的速度控制技术进行了大量的研究，建立了多种加减速控制数学模型，如指数模型、线性模型等，并在此基础上设计开发了多种控制电路，改善了步进电机的运动特性，推广了步进电机的应用范围指数加减速考虑了步进电机固有的矩频特性，既能保证步进电机在运动中不失步，又充分发挥了电机的固有特性，缩短了升降速时间，但因电机负载的变化，很难实现而线性加减速仅考虑电机在负载能力范围的角速度与脉冲成正比这一关系，不因电源电压、负载环境的波动而变化的特性，这种升速方法的加速度是恒定的，其缺点是未充分考虑步进电机输出力矩随速度变化的特性，步进电机在高速时会发生失步。 ［1］

　　步进电机的细分驱动控制

　　步进电机由于受到自身制造工艺的限制，如步距角的大小由转子齿数和运行拍数决定，但转子齿数和运行拍数是有限的，因此步进电机的步距角一般较大并且是固定的，步进的分辨率低、缺乏灵活性、在低频运行时振动，噪音比其他微电机都高，使物理装置容易疲劳或损坏。这些缺点使步进电机只能应用在一些要求较低的场合，对要求较高的场合，只能采取闭环控制，增加了系统的复杂性，这些缺点严重限制了步进电机作为优良的开环控制组件的有效利用。细分驱动技术在一定程度上有效地克服了这些缺点。 ［1］

　　步进电机细分驱动技术是年代中期发展起来的一种可以显著改善步进电机综合使用性能的驱动技术。年美国学者、首次在美国增量运动控制系统及器件年会上提出步进电机步距角细分的控制方法。在其后的二十多年里，步进电机细分驱动得到了很大的发展。逐步发展到上世纪九十年代完全成熟的。我国对细分驱动技术的研究，起步时间与国外相差无几。 ［1］

　　在九十年代中期的到了较大的发展。主要应用在工业、航天、机器人、精密测量等领域，如跟踪卫星用光电经纬仪、军用仪器、通讯和雷达等设备，细分驱动技术的广泛应用，使得电机的相数不受步距角的限制，为产品设计带来了方便。目前在步进电机的细分驱动技术上，采用斩波恒流驱动，仪脉冲宽度调制驱动、电流矢量恒幅均匀旋转驱动控制止，，几大大提高步进电机运行运转精度，使步进电机在中、小功率应用领域向高速且精密化的方向发展。 ［1］

　　最初，对步进电机相电流的控制是由硬件来实现的，通常采用两种方法，采用多路功率开关电流供电，在绕组上进行电流叠加，这种方法使功率管损耗少，但由于路数多，所以器件多，体积大。

　　先对脉冲信号叠加，再经功率管线性放大，获得阶梯形电流，优点是所用器件少，但功率管功耗大，系统功率低，如果管子工作在非线性区会引起失真、由于本身不可克服的缺点，因此目前已很少采用这两类方法。

　　雷赛步进电机失步的原因

　　零序电流由三相不平衡时（故障状态）感应或者产生。一般都是穿过电缆的三条主线。零序电压是开口三角形，平时无电压（或者很小），故障状态（接地的情况下）产生的。在继电保护装置中设置一定的数值，超过设定数值（电压、电流、时间），就是过压，过流。

　　1、零序一般指的是三相系统中的不平衡分量，零序电流由三相不平衡时感应或者产生。一般都是穿过电缆的三条主线。零序电压是开口三角形，平时无电压或者很小，故障状态产生。在继电保护装置中设置一定的数值，超过设定数值就是过压，零序过流是三相不平衡电流超过设定上限；零序过压就是三相不平衡电压超过设定上限。

　　2、零序是一种接地故障检测方法，它使用一个传感器（CT）来把所有相导体和中性导体连接在一起，传感器会按照线路中接地故障电流的不平衡程度等比例地产生输出，再由一台继电器来测量这一输出并断开断路器或释放接地故障警报。系统发生不对称故障时可采用将三相电流转换为零序、负序和正序的对称计算，简化故障分析。零序指三相系统中的不平衡分量且相互之间相位相同。

　　3、在大短路电流接地系统中发生接地故障后就有零序电流、零序电压和零序功率出现，利用这些电气量构成保护接地短路的继电保护装置统称为零序保护。

　　4、三相电流平衡时没有零序电流，不平衡时产生零序电流，零序保护就是用零序互感器采集零序电流，当零序电流超过一定值（综合保护中设定），综和保护接触器吸合，断开电路。

　　5、零序电流互感器内穿过三根相线矢量。正常情况下三根线的向量和为零，零序电流互感器无零序电流。当人体触电或者其他漏电情况下：三根线的向量和不为零，零序电流互感器有零序电流，一旦达到设定值则保护动作跳闸。

　　变压器电压低的原因

　　造成变压输出电压低的主要原因有：

　　1、次级负载是否过重，电流超过额定电流；

　　2、变压器有故障，次级有匝间短路存在；

　　3、如果是自制的变压器，有可能是变比（初、次级的匝数比）不对，或使用线径过细等引起的，

　　4、初级电压低。

　　电压过低的根本原因是供电质量不高：

　　1、变压器容量过小，负载超过变压器容量过多，引起电压下降；

　　2、电线截面积过小，负载超过电线额定的电流过多，温度高引起电压下降；

　　3、导线太长，截面积不够，电压损失过多引起电压下降；

　　4、三相电流不平衡、电线、开关、接点连接不好等。

　　我的手机 2018-8-10 16:50:28

　　为了防止总零线断开后对家用电器造成损坏，现在民用建筑电气设计规范要求在公共电表箱的电表下口安装过欠压保护器，可以有效防止断总零线的危害；

　　如果是老式楼房或者是自建房，没有安装过欠压保护器的，我们可以在自己家里的配电箱里自己安装一个过欠压保护器，也可以有效防止断总零线的危害。

　　居民用电都基本上是采用TN-S系统的三相五线制，三根火线分别是L1L2L3，一根零线N，一根地线PE；

　　电力引入电缆入楼以后进去总配电箱，然后从总配电箱分出去五根线，三根火线一根零线和一根地线，而入户都是从总零线上T接一根零线，从一根火线上T接一根火线；

　　1.jpg

　　火线的分配原则是一层是L1相，二层是L2相，三层是L3相，然后依次类推，来保证三相平衡；

　　当总零线断开以后，电流走向如图，电流就是从火线L2然后经过电器，然后从电器流向零线N，从零线N再流向公共零线N，再从公共零线N另一户的零线N，这是从L2火线过来的，这样L2与L1之间就形成了380V电压；

　　总零线断开，电压漂移，谁家里电器少，电压就会向谁家漂移，从而烧坏家里的电器。

　　步进电动机正常工作时，每接收一个控制脉冲就移动一个步距角，即前进一步。若连续地输入控制脉冲，电动机就相应地连续转动。

　　步进电动机失步包括丢步和越步。丢步时，转子前进的步数小于脉冲数；越步时，转子前进的步数多于脉冲数。一次丢步和越步的步距数等于运行拍数的整数倍。丢步严重时，将使转子停留在一个位置上或围绕一个位置振动，越步严重时，机床将发生过冲。步进电动机是开环进给系统中的一个重要环节，其性能直接影响着数控系统的性能。电动机失步会影响数控系统的稳定性和控制精度，造成数控机床加工精度下降。 

　　1、转子的加速度慢子步进电动机的旋转磁场

　　转子的力n速度慢于步进电动机的旋转磁场，即低于换相速度时，步进电动机会产生失步。这是因为输入电动机的电能不足，在步进电动机中产生的同步力矩无法使转子速度跟随定子磁场的旋转速度，从而引起失步。由于步进电动机的动态输出转矩随着连续运行频率的上升而降低，因而，凡是比该频率高的工作频率都将产生丢步。这种失步说明步进电动机的转矩不足，拖动能力不够。

　　解决方法：

　　1、使步进电动机本身产生的电磁转矩增大。为此可在额定电流范围内适当加大驱动电流；在高频范围转矩不足时，可适当提高驱动电路的驱动电压；改用转矩大的步进电动机等。

　　2、使步进电动机需要克服的转矩减小。为此可适当降低电动机运行频率，以便提高电动机的输出转矩；设定较长的加速时间，以便转子获得足够的能量。 

　　2、转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度

　　转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度，这时定子通电励磁的时间较长，大于转子步进一步所需的时间，则转子在步进过程中获得了过多的能量，使得步进电动机产生的输出转矩增大，从而使电动机越步。当用步进电动机驱动那些使负载上、下动作的机构时，更易产生越步现象，这是因为负载向下运动时，电动机所需的转矩减小。

　　解决方法：

　　减小步进电动机的驱动电流，以便降低步进电动机的输出转矩。

　　3、步进电动机及所带负载存在惯性

　　由于步进电动机自身及所带负载存在惯性，使得电动机在工作过程中不能立即起动和停止，而是在起动时出现丢步，在停止时发生越步。

　　解决方法：

　　通过一个加速和减速过程，即以较低的速度起动，而后逐渐加速到某一速度运行，再逐渐减速直至停止。进行合理、平滑的加减速控制是保证步进驱动系统可靠、高效、精确运行的关键。

　　4、步进电动机产生共振

　　共振也是引起失步的一个原因。步进电动机处于连续运行状态时，如果控制脉冲的频率等于步进电动机的固有频率，将产生共振。在一个控制脉冲周期内，振动得不到充分衰减，下一个脉冲就来到，因而在共振频率附近动态误差最大并会导致步进电动机失步。

　　解决方法：

　　适当减小步进电动机的驱动电流；采用细分驱动方法；采用阻尼方法，包括机械阻尼法。以上方法都能有效消除电动机振荡，避免失步现象发生。

　　浅谈雷赛步进电机性能特点

　　1、雷赛步进电机可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。

　　2、雷赛步进电机无刷，电动机本体部件少，可靠性高。

　　3、易于起动，停止，正反转及速度响应性好。

　　4、停止时可有自锁能力。

　　5、带惯性负载能力较差。

　　6、由于存在失步和共振，步进电机的加减速方法根据利用状态的不同而复杂化。

　　7、需要专用的步进电机控制器控制，不能直接使用普通的交直流电源驱动。

　　8、雷赛步进电机步距角可在大范围内选择，在小步距情况下，通常可以在超低转速下高转距稳定运行，通常可以不经减速器直接驱动负载。

　　9、位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高精度的组成闭环控制系统。

　　10、雷赛步进电机速度可在相当宽范围内平滑调节，同时用一台步进电机控制器控制几台步进电机可使它们完全同步运行。

　　雷赛步进电机驱动器的故障分析

　　1、故障现象：为一旦启动，驱动器外接保险丝即烧毁，设备不能运行。

　　2、故障分析：维修人员在检查时，发现一功率管已损坏，但由于没有资料，弄不清该管的作用，以为是功率驱动的前置推动，换上一功率管，通电后，保险再度被烧，换上的管子亦损坏。 经专业维修人员检查，初始分析是对的，即保险一再熔断，驱动器肯定存在某一不正常的大电流，并检查出一功率管损坏。但对该管的作用没有弄清楚。实际上该管为步进电机电源驱动管，步进电机为高压起动，因而要承受高压大电流。 静态检查，发觉脉冲环形分配器的线路中，其电源到地端的阻值很小，但也没有短路。根据线路中的元器件数量及其功耗分析电源到地端的阻值不应如此之小，因此怀疑线路中已有元器件损坏。 通电检查，发现一芯片异常发热。断电后将该芯片的电源引脚切断，静态检查，电源到地的阻置增大应属正常。测该芯片的电源到地的阻值很小。 查该芯片的型号，为一非标型号，众多手册中没有查到。经线路分析，确认其为该板中的主要元件：环形脉冲分配器。 为进一步确认该芯片的问题，首先换耐压电流功率相当的步进电机电源驱动管，恢复该芯片的电源引脚，用发光二级管电路替代步进电机各绕组作模拟负载。通电后，发光二级管皆亮，即各绕组皆通电，这是不符合线路要求的，输入步进脉冲无反应，进口泵

　　3、故障排除：因此确认该芯片已损坏。 但是该芯片市场上没有，在驱动器壳体内空间允许的情况下，采用了组合线路即用手头上已有的D触发器和与非门的组合设计了一个环形脉冲发生器，制作在一个小印制板上，拆除原芯片将小印制板通过引脚装在原芯片的焊盘上。仍用发光二极管作模拟负载，通电后加人步进脉冲按相序依次发光。 拆除模拟负载，接入主机，通电，设备运行正常。 本例说明，维修人员不仅要能分析现象（过流），找出比较明显的原因（功率管损坏），还要能步步深人地分析故障初因（脉冲发生器损坏），并且能运用手头上现有的元器件组合替代难于解决的器件问题。

　　结语

　　关于雷赛步进电机的相关介绍就到这了，如有不足之处欢迎指正。

相关阅读推荐：步进电机及驱动器连接

相关阅读推荐：单片机控制步进电机的原理