淺談步進電機的維護

茹亞東　楊可可

【摘要】步進電機是當代工業一個重要的組成部分，它的發展可以帶動很多企業的發展。步進電機由于慣量低，定位精度高，無積累誤差，控制簡單等特點，在工業領域中廣泛應用。隨著微電子和計算機技術的發展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。

【關鍵詞】步進電機 數控機床 應用 維護

一、步進電機簡介

步進電機最初構想是作為昂貴的位置控制應用中伺服電機的低成本替代產品，而新興的計算機工業迅速將其采用到外設應用當中。步進電機的主要優勢在于能提供開環位置控制，而成本只是需要反饋的伺服系統的幾分之一。在過去，步進電機有時被誤稱為“數字”電機，因為它們常用正交方波驅動。但是，對這些電機的這種狹隘看法常常會在以后的項目開發過程中導致大難題。正常情況下步進電機轉過的總角度和輸入的脈沖的頻率保持嚴格的對應關系，不受電壓波動和負載變化的影響。

二、步進電機的工作原理

步進電機是一種將電脈沖信號轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差（精度為100%）的特點，廣泛應用于各種開環控制系統裝備。

三、步進電機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要求，控制環境溫度，經常檢查電路電壓是否穩定。

2、步進電動機失步

診斷及處理方法：（1）轉子的加速度慢于步進電機的旋轉磁場，也即是低于換相速度而產生的。這是因為輸入電機的電能不足，在步進電機中產生的同步力矩無法令轉子速度跟隨定子磁場的旋轉速度，從而引起失步。并且凡是比這時頻率高的工作頻率都必將失步。這種失步說明了步進電機的拖動能力不夠。一旦減少負載，或者提高繞組的激磁電流，則有可能克服失步。（2）轉子的平均速度高于定子磁場的平均旋轉速度。這時定子通電激磁的時間較長，大于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，從而產生前沖和后沖的擺動振蕩。當振蕩足夠嚴重時就導致失步。

處理此故障，工作方式要按規定標準，檢查電線是否正確連接，應經常保持周圍環境清潔。

3、噪聲和振動較大

診斷及處理方法：電機工作中聽到聲音明顯異常并伴隨有較大振動。

（1）振蕩是步進電機在工作時存在的一般現象，從而產生噪聲，但嚴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電機處于低頻單步運行；步進電機的換相頻率和轉子的特征頻率、倍特征頻率、分數特征頻率相等；步進電機突然停車等情況。

（2）當步進電機進行單步旋轉時，其工作頻率必定處于低頻區。在開始工作時，轉子在磁場力矩的作用下加速轉動，當轉子轉到新的平衡點時其速度仍然相當高，從而沖過了平衡穩定點產生過沖。排除此類異常，就應及時停止工作，檢查電機并保持周圍交換的環境進行排除。

四、步進電機的保養與維護

步進電機作為一種數字式執行元件，在運動控制系統中得到廣泛的應用。許多使用者在使用步進電機的時候，感覺電機工作時有較大的發熱，心存疑慮，不知這種現象是否正常。實際上發熱是步進電機的一個普遍現象，但怎樣的發熱程度才算正常，以及如何盡量減小步進電機發熱呢？

首先，要了解步進電機為什么會發熱？對于各種步進電機而言，內部都是由鐵芯和繞組線圈組成的。繞組有電阻，通電會產生損耗，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，如果電流不是標準的直流或正弦波，還會產生諧波損耗；鐵心有磁滯渦流效應，在交變磁場中也會產生損耗，其大小與材料，電流，頻率，電壓有關，這叫鐵損。銅損和鐵損都會以發熱的形式表現出來，從而影響電機的效率。步進電機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速而變化，因而步進電機普遍存在發熱情況，且情況比一般交流電機嚴重。

再者，將步進電機發熱控制在合理范圍內。 電機發熱允許到什么程度，主要取決于電機內部絕緣等級。內部絕緣性能在高溫下（130度以上）才會被破壞。所以只要內部不超過130度，電機便不會損壞，而這時表面溫度會在90度以下。所以，步進電機表面溫度在70-80度都是正常的。簡單的溫度測量方法有用點溫計的，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；當然也可以用測溫槍來檢測。

第三，步進電機發熱隨速度變化的情況。采用恒流驅動技術時，步進電機在靜態和低速下，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，電機內部反電勢升高，電流將逐步下降，力矩也會下降。因此，因銅損帶來的發熱情況就與速度相關了。靜態和低速時一般發熱高，高速時發熱低。但是鐵損（雖然占的比例較小）變化的情況卻不盡然，而電機整個的發熱是二者之和，所以上述只是一般情況.

第四，發熱帶來的影響。 電機發熱雖然一般不會影響電機的壽命，對大多數客戶來說沒必要理會。但是，嚴重的發熱會帶來一些負面影響。如電機內部各部分熱膨脹系數不同導致結構應力的變化和內部氣隙的微小變化，會影響電機的動態響應，高速會容易失步。因此對電機的發熱應當進行必要的控制。

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

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