步進(jìn)拖動(dòng)系統(tǒng)失步的維修

  摘 要：分析步進(jìn)電機(jī)失步的原因，如機(jī)械故障、整流電源、功放電路、變頻電路、電機(jī)方面進(jìn)行了逐個(gè)分析并提出解決方法和步驟。 
        關(guān)鍵詞：步進(jìn)拖動(dòng)系統(tǒng) 失步 維修 

        步進(jìn)拖動(dòng)系統(tǒng)的維護(hù)和修理不僅是電機(jī)的維修，也包括對(duì)控制線路和驅(qū)動(dòng)線路的維修。其中失步是步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)常見(jiàn)的故障，原因也很多，在此就線切割機(jī)床DK7740 X軸電機(jī)失步進(jìn)行分析和探討。 
        一、失步原因 
        某機(jī)床加工時(shí)，X軸手輪時(shí)斷時(shí)續(xù)出現(xiàn)跳動(dòng)，電機(jī)丟步。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)控制原理，電機(jī)失步可能有以下原因：機(jī)械故障，如負(fù)載不當(dāng)或傳動(dòng)間隙引起電機(jī)失步；電源故障，如步進(jìn)電機(jī)的電源模塊功率不夠，電源輸出電壓濾波電容失效等；變頻單元穩(wěn)壓管損壞，使輸出頻率變高；功放電路故障，如場(chǎng)效應(yīng)大功率晶體管D、S、G極或電容擊穿，致使驅(qū)動(dòng)電路的某一相恒導(dǎo)通；電機(jī)自身故障，如繞組斷線、短路等，都能使步進(jìn)電機(jī)失步。 
        二、故障分析 
        1．機(jī)械部分 
        如果負(fù)載不當(dāng)或傳動(dòng)間隙過(guò)大，或加工過(guò)程中工件與機(jī)床的靜止部位嚴(yán)重摩擦，都會(huì)造成X軸機(jī)械丟步。負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量過(guò)大，則在啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)失步；而在停車時(shí)過(guò)沖停不住，減小負(fù)載故障依舊。緊固電機(jī)、絲杠、螺母連接處，消除它們間的傳動(dòng)間隙，故障依舊。電機(jī)與機(jī)械脫開(kāi)后空載運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)不均勻，出現(xiàn)跳動(dòng)，因此排除外部機(jī)械故障。 
        2. 整流電源 
        步進(jìn)電機(jī)的8V DC是三相5V AC電源通過(guò)三相橋堆整流而得。用萬(wàn)用表長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)該電壓發(fā)現(xiàn)：如果只啟動(dòng)機(jī)床而X軸不動(dòng)時(shí)，該整流電壓保持8V不變，一當(dāng)X軸運(yùn)動(dòng)，則該驅(qū)動(dòng)輸出電壓下降，有時(shí)低于4V。當(dāng)電壓低于6V時(shí)，X軸手輪就會(huì)出現(xiàn)跳動(dòng)。因此，懷疑整流模塊的二極管是否有動(dòng)態(tài)軟擊穿，致使電壓模塊帶負(fù)載的能力不夠，使步進(jìn)電機(jī)失步（這一原因待后面的檢修再排除）。或者是輸出電壓的濾波電容C1失效引起，致使供電電壓下降，電機(jī)得到的驅(qū)動(dòng)電流太小，造成失步。該電容為2200μF，檢查其電容無(wú)擊穿、無(wú)斷路，也無(wú)容量不足，因此排除濾波電容失效引起的故障。 
        3．功放電路 
        如果步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的某一相恒導(dǎo)通，也會(huì)使電機(jī)失步。功率放大電路的原理圖如圖1。圖中，2L和2M之間為8V的直流電源，K04為VMOS場(chǎng)效應(yīng)大功率晶體管的觸發(fā)控制端，K808直接輸出到電機(jī)五相繞組中的一相。該功放電路是由VMOS場(chǎng)效應(yīng)大功率晶體管V18和恒流源電路構(gòu)成，恒流源由9013管V24和線繞組R30 RX21-4-0.330構(gòu)成。由該功放電路的原理可知：如果VMOS場(chǎng)效應(yīng)管的D、S、G極或C2擊穿，那就會(huì)造成該相恒導(dǎo)通。但用萬(wàn)用表測(cè)量VMOS場(chǎng)效應(yīng)管的D、S、G極無(wú)任何短路，C2也沒(méi)擊穿。并且把X軸的驅(qū)動(dòng)板與Y軸交換，也依舊，可排除功放電路。

圖1功率放大電路

        4．變頻電路 
        變頻的輸入是間隙電壓信號(hào)，當(dāng)加工間隙電壓很高時(shí)，變頻輸出頻率很高，即進(jìn)給速度很高，由于步進(jìn)電機(jī)的頻率響應(yīng)有限，旋轉(zhuǎn)速度過(guò)高會(huì)失步，因此用兩只串聯(lián)穩(wěn)壓二極管V3、V4對(duì)輸入電壓加以限制。如果這兩只穩(wěn)壓二極管擊穿，則對(duì)輸入電壓不能加以限制。用萬(wàn)用表測(cè)量穩(wěn)壓管V3、V4是好的，因此排除變頻電路的故障。 
        5．電機(jī)方面 
        由前面的檢查可知，步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)電源都沒(méi)有問(wèn)題，所以只能懷疑電機(jī)。如果電機(jī)定轉(zhuǎn)子局部相擦，而電機(jī)正好在定轉(zhuǎn)子相擦處啟動(dòng)，就可能造成失步。由于步進(jìn)電機(jī)的氣隙較小，如在定轉(zhuǎn)子間有灰塵、鐵屑、銹斑或安裝不良等原因，均可能造成定轉(zhuǎn)子間相碰擦。拆卸電機(jī)觀察定轉(zhuǎn)子無(wú)摩擦、無(wú)銹斑，重裝后故障依舊。用萬(wàn)用表測(cè)量電機(jī)五相繞組的電阻均為1.2Ω，兩相之間的電阻為2.0Ω，故排除繞組斷線或短路的可能。懷疑是電機(jī)的啟動(dòng)矩頻特性發(fā)生了變化，致使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)。步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率是步進(jìn)電機(jī)不失步啟動(dòng)的最高頻率。如果啟動(dòng)頻率過(guò)高，轉(zhuǎn)子在最初的脈沖作用下，未能轉(zhuǎn)完一個(gè)完整的步距角，亦即轉(zhuǎn)子要落后于穩(wěn)定平衡位置一個(gè)角度，當(dāng)這個(gè)角度超出穩(wěn)定區(qū)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)失步或振蕩，電機(jī)就不能正常啟動(dòng)。如圖2所示為步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)矩頻特性曲線。從電機(jī)的啟動(dòng)矩頻特性曲線可以了解步進(jìn)電機(jī)工作的好壞。一般，較好的步進(jìn)電機(jī)，其特性曲線在低頻時(shí)轉(zhuǎn)矩較大，隨著頻率逐漸增高而轉(zhuǎn)矩逐漸下降，但下降的速度較慢，曲線平滑。反之，如果曲線出現(xiàn)凹點(diǎn)，則表示在該點(diǎn)處有震蕩，此時(shí)電機(jī)雖有部分轉(zhuǎn)矩輸出，但因不穩(wěn)定，因此同失步現(xiàn)象一樣，是不允許的。但要準(zhǔn)確測(cè)定這條曲線不容易，它受到工具和測(cè)試方法的限定。所以直接更換步進(jìn)電機(jī)，更換以后，X軸運(yùn)行非常良好。再次測(cè)量整流模塊電壓，8V電壓始終無(wú)變化。因此可確定故障的原因是電機(jī)的啟動(dòng)矩頻特性發(fā)生了變化，使輸出轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)，現(xiàn)象表現(xiàn)為X軸手輪跳動(dòng)。由此也可排除整流模塊二極管動(dòng)態(tài)軟擊穿故障。 
        三、結(jié)束語(yǔ) 
        步進(jìn)電機(jī)失步的原因很多，修理也比較復(fù)雜。根據(jù)上述故障查找可知檢修故障要有合理的思路，發(fā)現(xiàn)故障之后，首先應(yīng)判別屬于哪一種故障類型，然后進(jìn)一步分析故障的具體原因，這樣才可能有的放矢地解決問(wèn)題。

圖2啟動(dòng)矩頻特性