淺談步進(jìn)電機(jī)的維護(hù)

茹亞東　楊可可

【摘要】步進(jìn)電機(jī)是當(dāng)代工業(yè)一個(gè)重要的組成部分，它的發(fā)展可以帶動很多企業(yè)的發(fā)展。步進(jìn)電機(jī)由于慣量低，定位精度高，無積累誤差，控制簡單等特點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】步進(jìn)電機(jī) 數(shù)控機(jī)床 應(yīng)用 維護(hù)

一、步進(jìn)電機(jī)簡介

步進(jìn)電機(jī)最初構(gòu)想是作為昂貴的位置控制應(yīng)用中伺服電機(jī)的低成本替代產(chǎn)品，而新興的計(jì)算機(jī)工業(yè)迅速將其采用到外設(shè)應(yīng)用當(dāng)中。步進(jìn)電機(jī)的主要優(yōu)勢在于能提供開環(huán)位置控制，而成本只是需要反饋的伺服系統(tǒng)的幾分之一。在過去，步進(jìn)電機(jī)有時(shí)被誤稱為“數(shù)字”電機(jī)，因?yàn)樗鼈兂Ｓ谜环讲?qū)動。但是，對這些電機(jī)的這種狹隘看法常常會在以后的項(xiàng)目開發(fā)過程中導(dǎo)致大難題。正常情況下步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負(fù)載變化的影響。

二、步進(jìn)電機(jī)的工作原理

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個(gè)固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差（精度為100%）的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制系統(tǒng)裝備。

三、步進(jìn)電機(jī)常見故障診斷及簡單的處理

1、溫度過高

診斷及處理方法：觸摸電機(jī)外殼，溫度明顯過（異常）高。要防止溫度過高，工作方式要符合技術(shù)要求，控制環(huán)境溫度，經(jīng)常檢查電路電壓是否穩(wěn)定。

2、步進(jìn)電動機(jī)失步

診斷及處理方法：（1）轉(zhuǎn)子的加速度慢于步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場，也即是低于換相速度而產(chǎn)生的。這是因?yàn)檩斎腚姍C(jī)的電能不足，在步進(jìn)電機(jī)中產(chǎn)生的同步力矩?zé)o法令轉(zhuǎn)子速度跟隨定子磁場的旋轉(zhuǎn)速度，從而引起失步。并且凡是比這時(shí)頻率高的工作頻率都必將失步。這種失步說明了步進(jìn)電機(jī)的拖動能力不夠。一旦減少負(fù)載，或者提高繞組的激磁電流，則有可能克服失步。（2）轉(zhuǎn)子的平均速度高于定子磁場的平均旋轉(zhuǎn)速度。這時(shí)定子通電激磁的時(shí)間較長，大于轉(zhuǎn)子步進(jìn)一步所需的時(shí)間，則轉(zhuǎn)子在步進(jìn)過程中獲得了過多的能量，從而產(chǎn)生前沖和后沖的擺動振蕩。當(dāng)振蕩足夠嚴(yán)重時(shí)就導(dǎo)致失步。

處理此故障，工作方式要按規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，檢查電線是否正確連接，應(yīng)經(jīng)常保持周圍環(huán)境清潔。

3、噪聲和振動較大

診斷及處理方法：電機(jī)工作中聽到聲音明顯異常并伴隨有較大振動。

（1）振蕩是步進(jìn)電機(jī)在工作時(shí)存在的一般現(xiàn)象，從而產(chǎn)生噪聲，但嚴(yán)重的振蕩會引起失步。振蕩的原因有多種，其中主要的原因有步進(jìn)電機(jī)處于低頻單步運(yùn)行；步進(jìn)電機(jī)的換相頻率和轉(zhuǎn)子的特征頻率、倍特征頻率、分?jǐn)?shù)特征頻率相等；步進(jìn)電機(jī)突然停車等情況。

（2）當(dāng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行單步旋轉(zhuǎn)時(shí)，其工作頻率必定處于低頻區(qū)。在開始工作時(shí)，轉(zhuǎn)子在磁場力矩的作用下加速轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到新的平衡點(diǎn)時(shí)其速度仍然相當(dāng)高，從而沖過了平衡穩(wěn)定點(diǎn)產(chǎn)生過沖。排除此類異常，就應(yīng)及時(shí)停止工作，檢查電機(jī)并保持周圍交換的環(huán)境進(jìn)行排除。

四、步進(jìn)電機(jī)的保養(yǎng)與維護(hù)

步進(jìn)電機(jī)作為一種數(shù)字式執(zhí)行元件，在運(yùn)動控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。許多使用者在使用步進(jìn)電機(jī)的時(shí)候，感覺電機(jī)工作時(shí)有較大的發(fā)熱，心存疑慮，不知這種現(xiàn)象是否正常。實(shí)際上發(fā)熱是步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)普遍現(xiàn)象，但怎樣的發(fā)熱程度才算正常，以及如何盡量減小步進(jìn)電機(jī)發(fā)熱呢？

首先，要了解步進(jìn)電機(jī)為什么會發(fā)熱？對于各種步進(jìn)電機(jī)而言，內(nèi)部都是由鐵芯和繞組線圈組成的。繞組有電阻，通電會產(chǎn)生損耗，損耗大小與電阻和電流的平方成正比，這就是我們常說的銅損，如果電流不是標(biāo)準(zhǔn)的直流或正弦波，還會產(chǎn)生諧波損耗；鐵心有磁滯渦流效應(yīng)，在交變磁場中也會產(chǎn)生損耗，其大小與材料，電流，頻率，電壓有關(guān)，這叫鐵損。銅損和鐵損都會以發(fā)熱的形式表現(xiàn)出來，從而影響電機(jī)的效率。步進(jìn)電機(jī)一般追求定位精度和力矩輸出，效率比較低，電流一般比較大，且諧波成分高，電流交變的頻率也隨轉(zhuǎn)速而變化，因而步進(jìn)電機(jī)普遍存在發(fā)熱情況，且情況比一般交流電機(jī)嚴(yán)重。

再者，將步進(jìn)電機(jī)發(fā)熱控制在合理范圍內(nèi)。 電機(jī)發(fā)熱允許到什么程度，主要取決于電機(jī)內(nèi)部絕緣等級。內(nèi)部絕緣性能在高溫下（130度以上）才會被破壞。所以只要內(nèi)部不超過130度，電機(jī)便不會損壞，而這時(shí)表面溫度會在90度以下。所以，步進(jìn)電機(jī)表面溫度在70-80度都是正常的。簡單的溫度測量方法有用點(diǎn)溫計(jì)的，也可以粗略判斷：用手可以觸摸1-2秒以上，不超過60度；用手只能碰一下，大約在70-80度；滴幾滴水迅速氣化，則90度以上了；當(dāng)然也可以用測溫槍來檢測。

第三，步進(jìn)電機(jī)發(fā)熱隨速度變化的情況。采用恒流驅(qū)動技術(shù)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)在靜態(tài)和低速下，電流會維持相對恒定，以保持恒力矩輸出。速度高到一定程度，電機(jī)內(nèi)部反電勢升高，電流將逐步下降，力矩也會下降。因此，因銅損帶來的發(fā)熱情況就與速度相關(guān)了。靜態(tài)和低速時(shí)一般發(fā)熱高，高速時(shí)發(fā)熱低。但是鐵損（雖然占的比例較小）變化的情況卻不盡然，而電機(jī)整個(gè)的發(fā)熱是二者之和，所以上述只是一般情況.

第四，發(fā)熱帶來的影響。 電機(jī)發(fā)熱雖然一般不會影響電機(jī)的壽命，對大多數(shù)客戶來說沒必要理會。但是，嚴(yán)重的發(fā)熱會帶來一些負(fù)面影響。如電機(jī)內(nèi)部各部分熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化和內(nèi)部氣隙的微小變化，會影響電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)，高速會容易失步。因此對電機(jī)的發(fā)熱應(yīng)當(dāng)進(jìn)行必要的控制。

最后，減少電機(jī)的發(fā)熱。 減少發(fā)熱，就是減少銅損和鐵損。 減少銅損有兩個(gè)方向，減少電阻和電流，這就要求在選型時(shí)盡量選擇電阻小和額定電流小的電機(jī)，對兩相電機(jī)，能用串聯(lián)的電機(jī)就不用并聯(lián)電機(jī)。但是這往往與力矩和高速的要求相抵觸。對于已經(jīng)選定的電機(jī)，則應(yīng)充分利用驅(qū)動器的自動半流控制功能和脫機(jī)功能，前者在電機(jī)處于靜態(tài)時(shí)自動減少電流，后者干脆將電流切斷。另外，細(xì)分驅(qū)動器由于電流波形接近正弦，諧波少，電機(jī)發(fā)熱也會較少。 減少鐵損的辦法不多，電壓等級與之有關(guān)，高壓驅(qū)動的電機(jī)雖然會帶來高速特性的提升，但也帶來發(fā)熱的增加。所以應(yīng)當(dāng)選擇合適的驅(qū)動電壓等級，兼顧高速性、平穩(wěn)性、發(fā)熱、噪音等指標(biāo)。

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