步進拖動系統失步的維修
摘 要：分析步進電機失步的原因，如機械故障、整流電源、功放電路、變頻電路、電機方面進行了逐個分析并提出解決方法和步驟。
關鍵詞：步進拖動系統 失步 維修
步進拖動系統的維護和修理不僅是電機的維修，也包括對控制線路和驅動線路的維修。其中失步是步進驅動系統常見的故障，原因也很多，在此就線切割機床DK7740 X軸電機失步進行分析和探討。
一、失步原因
某機床加工時，X軸手輪時斷時續出現跳動，電機丟步。根據步進電機控制原理，電機失步可能有以下原因：機械故障，如負載不當或傳動間隙引起電機失步；電源故障，如步進電機的電源模塊功率不夠，電源輸出電壓濾波電容失效等；變頻單元穩壓管損壞，使輸出頻率變高；功放電路故障，如場效應大功率晶體管D、S、G極或電容擊穿，致使驅動電路的某一相恒導通；電機自身故障，如繞組斷線、短路等，都能使步進電機失步。
二、故障分析
1．機械部分
如果負載不當或傳動間隙過大，或加工過程中工件與機床的靜止部位嚴重摩擦，都會造成X軸機械丟步。負載的轉動慣量過大，則在啟動時出現失步；而在停車時過沖停不住，減小負載故障依舊。緊固電機、絲杠、螺母連接處，消除它們間的傳動間隙，故障依舊。電機與機械脫開后空載運行，發現電機轉動不均勻，出現跳動，因此排除外部機械故障。
2. 整流電源
步進電機的8V DC是三相5V AC電源通過三相橋堆整流而得。用萬用表長時間監測該電壓發現：如果只啟動機床而X軸不動時，該整流電壓保持8V不變，一當X軸運動，則該驅動輸出電壓下降，有時低于4V。當電壓低于6V時，X軸手輪就會出現跳動。因此，懷疑整流模塊的二極管是否有動態軟擊穿，致使電壓模塊帶負載的能力不夠，使步進電機失步（這一原因待后面的檢修再排除）?；蛘呤禽敵鲭妷旱臑V波電容C1失效引起，致使供電電壓下降，電機得到的驅動電流太小，造成失步。該電容為2200μF，檢查其電容無擊穿、無斷路，也無容量不足，因此排除濾波電容失效引起的故障。
3．功放電路
如果步進電機驅動電路的某一相恒導通，也會使電機失步。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場效應大功率晶體管的觸發控制端，K808直接輸出到電機五相繞組中的一相。該功放電路是由VMOS場效應大功率晶體管V18和恒流源電路構成，恒流源由9013管V24和線繞組R30 RX21-4-0.330構成。由該功放電路的原理可知：如果VMOS場效應管的D、S、G極或C2擊穿，那就會造成該相恒導通。但用萬用表測量VMOS場效應管的D、S、G極無任何短路，C2也沒擊穿。并且把X軸的驅動板與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，當加工間隙電壓很高時，變頻輸出頻率很高，即進給速度很高，由于步進電機的頻率響應有限，旋轉速度過高會失步，因此用兩只串聯穩壓二極管V3、V4對輸入電壓加以限制。如果這兩只穩壓二極管擊穿，則對輸入電壓不能加以限制。用萬用表測量穩壓管V3、V4是好的，因此排除變頻電路的故障。
5．電機方面
由前面的檢查可知，步進電機的控制和驅動電源都沒有問題，所以只能懷疑電機。如果電機定轉子局部相擦，而電機正好在定轉子相擦處啟動，就可能造成失步。由于步進電機的氣隙較小，如在定轉子間有灰塵、鐵屑、銹斑或安裝不良等原因，均可能造成定轉子間相碰擦。拆卸電機觀察定轉子無摩擦、無銹斑，重裝后故障依舊。用萬用表測量電機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。懷疑是電機的啟動矩頻特性發生了變化，致使電機輸出轉矩不穩。步進電機的啟動頻率是步進電機不失步啟動的最高頻率。如果啟動頻率過高，轉子在最初的脈沖作用下，未能轉完一個完整的步距角，亦即轉子要落后于穩定平衡位置一個角度，當這個角度超出穩定區時，步進電機就會失步或振蕩，電機就不能正常啟動。如圖2所示為步進電機的啟動矩頻特性曲線。從電機的啟動矩頻特性曲線可以了解步進電機工作的好壞。一般，較好的步進電機，其特性曲線在低頻時轉矩較大，隨著頻率逐漸增高而轉矩逐漸下降，但下降的速度較慢，曲線平滑。反之，如果曲線出現凹點，則表示在該點處有震蕩，此時電機雖有部分轉矩輸出，但因不穩定，因此同失步現象一樣，是不允許的。但要準確測定這條曲線不容易，它受到工具和測試方法的限定。所以直接更換步進電機，更換以后，X軸運行非常良好。再次測量整流模塊電壓，8V電壓始終無變化。因此可確定故障的原因是電機的啟動矩頻特性發生了變化，使輸出轉矩不穩，現象表現為X軸手輪跳動。由此也可排除整流模塊二極管動態軟擊穿故障。
三、結束語
步進電機失步的原因很多，修理也比較復雜。根據上述故障查找可知檢修故障要有合理的思路，發現故障之后，首先應判別屬于哪一種故障類型，然后進一步分析故障的具體原因，這樣才可能有的放矢地解決問題。
圖2啟動矩頻特性