步进拖动系统失步的维修
摘 要：分析步进电机失步的原因，如机械故障、整流电源、功放电路、变频电路、电机方面进行了逐个分析并提出解决方法和步骤。
关键词：步进拖动系统 失步 维修
步进拖动系统的维护和修理不仅是电机的维修，也包括对控制线路和驱动线路的维修。其中失步是步进驱动系统常见的故障，原因也很多，在此就线切割机床DK7740 X轴电机失步进行分析和探讨。
一、失步原因
某机床加工时，X轴手轮时断时续出现跳动，电机丢步。根据步进电机控制原理，电机失步可能有以下原因：机械故障，如负载不当或传动间隙引起电机失步；电源故障，如步进电机的电源模块功率不够，电源输出电压滤波电容失效等；变频单元稳压管损坏，使输出频率变高；功放电路故障，如场效应大功率晶体管D、S、G极或电容击穿，致使驱动电路的某一相恒导通；电机自身故障，如绕组断线、短路等，都能使步进电机失步。
二、故障分析
1．机械部分
如果负载不当或传动间隙过大，或加工过程中工件与机床的静止部位严重摩擦，都会造成X轴机械丢步。负载的转动惯量过大，则在启动时出现失步；而在停车时过冲停不住，减小负载故障依旧。紧固电机、丝杠、螺母连接处，消除它们间的传动间隙，故障依旧。电机与机械脱开后空载运行，发现电机转动不均匀，出现跳动，因此排除外部机械故障。
2. 整流电源
步进电机的8V DC是三相5V AC电源通过三相桥堆整流而得。用万用表长时间监测该电压发现：如果只启动机床而X轴不动时，该整流电压保持8V不变，一当X轴运动，则该驱动输出电压下降，有时低于4V。当电压低于6V时，X轴手轮就会出现跳动。因此，怀疑整流模块的二极管是否有动态软击穿，致使电压模块带负载的能力不够，使步进电机失步（这一原因待后面的检修再排除）。或者是输出电压的滤波电容C1失效引起，致使供电电压下降，电机得到的驱动电流太小，造成失步。该电容为2200μF，检查其电容无击穿、无断路，也无容量不足，因此排除滤波电容失效引起的故障。
3．功放电路
如果步进电机驱动电路的某一相恒导通，也会使电机失步。功率放大电路的原理图如图1。图中，2L和2M之间为8V的直流电源，K04为VMOS场效应大功率晶体管的触发控制端，K808直接输出到电机五相绕组中的一相。该功放电路是由VMOS场效应大功率晶体管V18和恒流源电路构成，恒流源由9013管V24和线绕组R30 RX21-4-0.330构成。由该功放电路的原理可知：如果VMOS场效应管的D、S、G极或C2击穿，那就会造成该相恒导通。但用万用表测量VMOS场效应管的D、S、G极无任何短路，C2也没击穿。并且把X轴的驱动板与Y轴交换，也依旧，可排除功放电路。
图1功率放大电路
4．变频电路
变频的输入是间隙电压信号，当加工间隙电压很高时，变频输出频率很高，即进给速度很高，由于步进电机的频率响应有限，旋转速度过高会失步，因此用两只串联稳压二极管V3、V4对输入电压加以限制。如果这两只稳压二极管击穿，则对输入电压不能加以限制。用万用表测量稳压管V3、V4是好的，因此排除变频电路的故障。
5．电机方面
由前面的检查可知，步进电机的控制和驱动电源都没有问题，所以只能怀疑电机。如果电机定转子局部相擦，而电机正好在定转子相擦处启动，就可能造成失步。由于步进电机的气隙较小，如在定转子间有灰尘、铁屑、锈斑或安装不良等原因，均可能造成定转子间相碰擦。拆卸电机观察定转子无摩擦、无锈斑，重装后故障依旧。用万用表测量电机五相绕组的电阻均为1.2Ω，两相之间的电阻为2.0Ω，故排除绕组断线或短路的可能。怀疑是电机的启动矩频特性发生了变化，致使电机输出转矩不稳。步进电机的启动频率是步进电机不失步启动的最高频率。如果启动频率过高，转子在最初的脉冲作用下，未能转完一个完整的步距角，亦即转子要落后于稳定平衡位置一个角度，当这个角度超出稳定区时，步进电机就会失步或振荡，电机就不能正常启动。如图2所示为步进电机的启动矩频特性曲线。从电机的启动矩频特性曲线可以了解步进电机工作的好坏。一般，较好的步进电机，其特性曲线在低频时转矩较大，随着频率逐渐增高而转矩逐渐下降，但下降的速度较慢，曲线平滑。反之，如果曲线出现凹点，则表示在该点处有震荡，此时电机虽有部分转矩输出，但因不稳定，因此同失步现象一样，是不允许的。但要准确测定这条曲线不容易，它受到工具和测试方法的限定。所以直接更换步进电机，更换以后，X轴运行非常良好。再次测量整流模块电压，8V电压始终无变化。因此可确定故障的原因是电机的启动矩频特性发生了变化，使输出转矩不稳，现象表现为X轴手轮跳动。由此也可排除整流模块二极管动态软击穿故障。
三、结束语
步进电机失步的原因很多，修理也比较复杂。根据上述故障查找可知检修故障要有合理的思路，发现故障之后，首先应判别属于哪一种故障类型，然后进一步分析故障的具体原因，这样才可能有的放矢地解决问题。
图2启动矩频特性