步進(jìn)電機(jī)常見丟步原因分析及解決方法---TMC5160/TMC4361

在一些自動(dòng)控制領(lǐng)域中，步進(jìn)電機(jī)的使用仍占著相當(dāng)大的比例，步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，

因其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、低廉的價(jià)格和可靠的性能，目前已在很多行業(yè)中（工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療自動(dòng)化、紡織自動(dòng)化等）廣泛應(yīng)用。

步進(jìn)電機(jī)經(jīng)常被用于精確定位的場(chǎng)合，因而保證電機(jī)不發(fā)生失步至關(guān)重要。

 

如果在調(diào)試過程中會(huì)發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)丟步、堵轉(zhuǎn)和定位不準(zhǔn)現(xiàn)象，遇到這種情況不要著急，

更不要因此直接否定所選用步進(jìn)電機(jī)，一定要冷靜觀察分析出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因，由此找出解決之道！

 

1、 改變方向時(shí)丟脈沖，表現(xiàn)為往任何一個(gè)方向都準(zhǔn)，但一改變方向就累計(jì)偏差，并且次數(shù)越多偏得越多；

2、 啟動(dòng)速度太高，加速度太大，引起丟步；

3、 在用同步帶的場(chǎng)合軟件補(bǔ)償太多或太少；

4、 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本身的工作轉(zhuǎn)矩不足，沒有足夠的能力來驅(qū)動(dòng)負(fù)載；

5、 控制器受干擾引起誤動(dòng)作；

6、 驅(qū)動(dòng)器受干擾引起；

7、 軟件缺陷；

 

1）一般的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器對(duì)方向和脈沖信號(hào)都有一定的要求，如：方向信號(hào)在第一個(gè)脈沖上升沿或下降沿（不同的驅(qū)動(dòng)器要求不一樣）到來前數(shù)微秒被確定，

否則會(huì)有一個(gè)脈沖所運(yùn)轉(zhuǎn)的角度與實(shí)際需要的轉(zhuǎn)向相反，最后故障現(xiàn)象表現(xiàn)為越走越偏，細(xì)分越小越明顯，解決辦法主要用軟件改變發(fā)脈沖的邏輯或加延時(shí)。

2）由于步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)決定初速度不能太高，尤其帶的負(fù)載慣量較大情況下,建議初速度在1r/s以下，

這樣沖擊較小，同樣加速度太大對(duì)系統(tǒng)沖擊也大，容易過沖，導(dǎo)致定位不準(zhǔn);電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之間應(yīng)有一定的暫停時(shí)間,若沒有就會(huì)因反向加速度太大引起過沖。

3）根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整被償參數(shù)值，（因?yàn)橥綆椥孕巫冚^大，所以改變方向時(shí)需加一定的補(bǔ)償）。

4）適當(dāng)?shù)卦龃篑R達(dá)電流，提高驅(qū)動(dòng)器電壓（注意選配驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)芯片）選扭矩大一些的馬達(dá)。

5）系統(tǒng)的干擾引起控制器或驅(qū)動(dòng)器的誤動(dòng)作，我們只能想辦法找出干擾源，

降低其干擾能力（如屏蔽，加大間隔距離等），切斷傳播途徑，提高自身的抗干擾能力，

常見措施：

①用雙紋屏蔽線代替普通導(dǎo)線，系統(tǒng)中信號(hào)線與大電流或大電壓變化導(dǎo)線分開布線，降低電磁干擾能力。

②用電源濾波器把來自電網(wǎng)的干擾波濾掉，在條件許可下各大用電設(shè)備的輸入端加電源濾波器，降低系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備之間的干擾。

③設(shè)備之間最好用光電隔離器件進(jìn)行信號(hào)傳送，在條件許可下，脈沖和方向信號(hào)最好用差分方式加光電隔離進(jìn)行信號(hào)傳送。

在感性負(fù)載（如電磁繼電器、電磁閥）兩端加阻容吸收或快速泄放電路，感性負(fù)載在開頭瞬間能產(chǎn)生10~100倍的尖峰電壓，如果工作頻率在20KHZ以上。

6）軟件做一些容錯(cuò)處理，把干擾帶來影響消除。

原因一：

轉(zhuǎn)子的加速度慢子步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，即低于換相速度時(shí)，步進(jìn)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生丟步。

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法使轉(zhuǎn)子速度跟隨定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度，從而引起丟步。

解決方法：

　　①使步進(jìn)電機(jī)本身產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩增大。因此可在額定電流范圍內(nèi)適當(dāng)加大驅(qū)動(dòng)電流;或者在高頻范圍轉(zhuǎn)矩不足時(shí)，可適當(dāng)提高驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電壓;也可以改用轉(zhuǎn)矩大的步進(jìn)電機(jī)等。

　?、谑共竭M(jìn)電機(jī)需要克服的轉(zhuǎn)矩減小，因此可適當(dāng)降低電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率，以便提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。

原因二：

步進(jìn)電機(jī)及所帶負(fù)載存在慣性，由于步進(jìn)電機(jī)自身及所帶負(fù)載存在慣性，使得電機(jī)在工作過程中不能立即起動(dòng)和停止，而是在起動(dòng)時(shí)出現(xiàn)丟步，在停止時(shí)發(fā)生越步。

解決方法：

　　通過一個(gè)加速和減速過程，即以較低的速度起動(dòng)，而后逐漸加速到某一速度運(yùn)行，再逐漸減速直至停止。

原因三：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生共振

共振也是引起丟步的一個(gè)原因。步進(jìn)電機(jī)處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，如果控制脈沖的頻率等于步進(jìn)電機(jī)的固有頻率，將產(chǎn)生共振。

　　解決方法：

　　一、適當(dāng)減小步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流;

　　二、采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法;

　　三、采用阻尼方法，包括機(jī)械阻尼法。

　　以上方法都能有效消除電機(jī)振蕩，避免丟步現(xiàn)象發(fā)生。

 

那有沒有一款步進(jìn)驅(qū)動(dòng)芯片可以內(nèi)部集成算法來優(yōu)化電機(jī)性能，防止丟步呢？

針對(duì)步進(jìn)電機(jī)丟步的問題，Trinamic推出的TMC5160電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的DcStep功能可以有效防止電機(jī)丟步。

DcStep 能讓電機(jī)在其負(fù)載極限和速度極限附近運(yùn)行而不失步。如果電機(jī)上的機(jī)械負(fù)載增加到堵轉(zhuǎn)負(fù)載點(diǎn)，電機(jī)會(huì)自動(dòng)降低速度，這樣它仍然可以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

有了這個(gè)功能，電機(jī)將不會(huì)堵轉(zhuǎn)。除了在較低速度下增加扭矩之外，動(dòng)態(tài)慣性將允許電機(jī)通過減速克服機(jī)械過載。

DcStep 直接與斜坡發(fā)生器集成，因此即使電機(jī)速度因機(jī)械負(fù)載增加而需要降低，也能達(dá)到目標(biāo)位置。

DcStep 可以在沒有任何失步的情況下達(dá)到 10 倍或更大的動(dòng)態(tài)范圍。通過優(yōu)化高負(fù)載情況下的運(yùn)動(dòng)速度，該功能進(jìn)一步提高了整體系統(tǒng)效率。

DcStep 優(yōu)勢(shì):

電機(jī)在過載情況下不會(huì)失步

應(yīng)用程序可以更快的運(yùn)行

自動(dòng)實(shí)現(xiàn)最高的加速度

在速度極限下實(shí)現(xiàn)最高的能效

全步驅(qū)動(dòng)達(dá)到最高電機(jī)扭矩

不僅如此，TMC5160還提供了一個(gè)增量式編碼器接口。

如果對(duì)位置要求非常高的應(yīng)用，又怕步進(jìn)電機(jī)丟步，那就建議上閉環(huán)步進(jìn)了，

針對(duì)步進(jìn)閉環(huán)應(yīng)用，Trinamic推出了一款帶S型加減速曲線的控制芯片---TMC4361，

并支持 sixPoint 六點(diǎn)式斜坡，進(jìn)行了高速優(yōu)化，支持動(dòng)態(tài)修改運(yùn)動(dòng)參數(shù)。 TMC4361A 包含 SPI 接口、Step/Dir 接口及閉環(huán)所需的編碼器接口。