測試和調試步進(jìn)電機的提示和技巧

這個(gè)由兩部分組成的系列文章的第一部分重點(diǎn)介紹了有刷直流電機系統的調試?，F在，第二部分將分享一些關(guān)于步進(jìn)電機系統的技巧，并根據作者的個(gè)人經(jīng)驗提供一般的臺架測試建議。

讓我們從設置用于步進(jìn)測試的工作臺開(kāi)始。

1.用于步進(jìn)測試的設置工作臺

本系列文章的第一部分建議在為有刷直流電機設置臺架測試設備時(shí)采取兩種操作。同樣的建議也適用于步進(jìn)電機。

• 獲取電流探頭。正如我們將在本文后面討論的那樣，使用電流探頭可以幫助調試步進(jìn)電機中的可聽(tīng)噪聲源。切記消磁并將探頭歸零，以確保正確的電流測量。
• 使用可以提供足夠電流的臺式電源。當試圖驅動(dòng)大電機電流時(shí)，工作臺電源上的電流限制可能會(huì )箝位供電軌電壓。確保選擇電源，并將電流限制設置為足夠高的受測電機。

2.在沒(méi)有數字萬(wàn)用表的情況下識別步進(jìn)相位

這個(gè)提示來(lái)自我們現在已經(jīng)退休的同事里克·鄧肯。他是調試電機驅動(dòng)器的天才，他在本文中教了我們許多概念。

在雙極步進(jìn)驅動(dòng)器上運行快速測試時(shí)，假設您在實(shí)驗室中發(fā)現了一個(gè)隨機步進(jìn)電機。電機數據表可能不可用，并且電機引線(xiàn)可能未標記。使用數字萬(wàn)用表（DMM）測量電阻或檢查連續性是識別哪些端子屬于同一相位繞組的一種方法。

然而，使用鄧肯的捷徑，短線(xiàn)屬于同相位繞組的兩個(gè)步進(jìn)引線(xiàn)將使轉子難以用手旋轉。在圖1中，合著(zhù)者Lockridge用左手短路紅色和藍色電線(xiàn)，同時(shí)用右手旋轉步進(jìn)電機的轉子。如果屬于不同相位繞組的兩根引線(xiàn)短接在一起，則當引線(xiàn)不短路時(shí)，電機將同樣容易旋轉。

圖1.步進(jìn)電機用于相位繞組識別

表1總結了每個(gè)電機引線(xiàn)短路組合的此過(guò)程的結果

表1.測試矩陣比較了鄧肯使用DMM測量的技巧

通過(guò)檢查哪些短路導線(xiàn)的組合使電機難以旋轉，您可以在沒(méi)有DMM的情況下識別相位繞組。在這種情況下，紅色和藍色導線(xiàn)屬于一個(gè)相，綠色和黑色導線(xiàn)屬于另一個(gè)相位。

這個(gè)技巧也很好地演示了兩個(gè)有趣的概念：楞次定律和止動(dòng)扭矩。當相位繞組的端子短路時(shí)，楞次定律會(huì )在轉子旋轉時(shí)在相位繞組中產(chǎn)生電流，從而導致背電動(dòng)勢（EMF）引起的制動(dòng)力矩。當相位不短路時(shí)，當轉子轉動(dòng)時(shí)，電機止動(dòng)扭矩感覺(jué)像光脈沖。止動(dòng)扭矩是由永磁體產(chǎn)生的吸引力，它將轉子上的齒吸引到定子齒上（圖2）。

圖2.步進(jìn)電機的剖析突出了轉子和定子齒

3.熟悉正確的步進(jìn)電機電流曲線(xiàn)

圖3顯示了使用八分之一微步進(jìn)時(shí)混合雙極步進(jìn)電機單相繞組中電流的典型波形。大多數步進(jìn)驅動(dòng)器使用電流調節方案來(lái)實(shí)現微步進(jìn)，從而在驅動(dòng)步進(jìn)電機時(shí)獲得更高的精度和更低的噪聲。微步進(jìn)方案通過(guò)在離散步進(jìn)電平調節電流來(lái)近似于正弦波。

圖3.步進(jìn)電機的一相中所示的電流示波器射影

步進(jìn)電機在電機啟動(dòng)時(shí)不會(huì )遇到浪涌電流，在失速條件下，電流也不會(huì )像有刷直流電機那樣增加。這是因為步進(jìn)電機不包含像有刷直流電機那樣的機械換向器，并且由于電機的結構，反電動(dòng)勢是正弦的。相反，步進(jìn)電機需要通過(guò)用相位角相差90度的周期性電流波形為兩相繞組通電來(lái)?yè)Q向電。

使用全步進(jìn)時(shí)，相電流類(lèi)似于方波。微步進(jìn)時(shí)，相電流類(lèi)似于正弦波，如圖3所示。大多數集成式步進(jìn)驅動(dòng)器使用電流調節方案來(lái)實(shí)現全步進(jìn)和微步進(jìn)。

4.步進(jìn)電機中的電流調節方案

查找電流波形中的失真是調試步進(jìn)電機的第一步。很多時(shí)候，改變衰減模式或其他設置可以減少可聽(tīng)噪聲，提高電流波形的質(zhì)量。與圖3相比，圖4、圖5和圖6顯示了失真的步進(jìn)電流波形。

圖4.電流調節方案中過(guò)多的快速衰減百分比會(huì )導致較大的紋波電流

圖5.當電流減小時(shí)，顯著(zhù)的反電動(dòng)勢會(huì )使波形失真，僅使用慢衰減

圖6.慢衰減的消隱時(shí)間太長(cháng)，因此電機線(xiàn)圈的充電速度比驅動(dòng)器調節電流的速度快

許多因素都會(huì )在步進(jìn)電機中引起可聽(tīng)見(jiàn)的噪聲。有時(shí)，步進(jìn)速率可能處于機械系統的諧振頻率，這使得噪聲更差。其他因素可能是由當前的調節方案（也稱(chēng)為衰減模式）和微步尺寸引起的，因為越小越安靜。

圖7是一個(gè)思維導圖，可幫助您可視化這些因素如何結合在一起在步進(jìn)電機中產(chǎn)生聲學(xué)噪聲。一份題為“如何降低步進(jìn)電機中的可聽(tīng)噪聲”的應用報告更詳細地討論了可聽(tīng)噪聲。

圖7.思維導圖可幫助工程師在調試步進(jìn)電機中的可聽(tīng)噪聲時(shí)可視化主要因素

5.電機驅動(dòng)器故障報告

欠壓鎖定、過(guò)流保護和過(guò)熱關(guān)斷是有刷直流和步進(jìn)電機驅動(dòng)器的常見(jiàn)電機驅動(dòng)器保護功能。調試電機系統時(shí)，這些功能可能有助于指示特定問(wèn)題的原因。

當電機驅動(dòng)器電源軌電壓從電源或布線(xiàn)中的串聯(lián)阻抗下降、去耦或大容量電容不足、臺式電源鉗位或電源電路設計不良時(shí)，可能會(huì )觸發(fā)欠壓鎖定。
如果電機驅動(dòng)器輸出之間或其中一個(gè)輸出與電源或地之間的短路，則可能會(huì )觸發(fā)過(guò)流保護。
如果環(huán)境溫度過(guò)高或電機驅動(dòng)器長(cháng)時(shí)間驅動(dòng)大電流，則可能觸發(fā)過(guò)熱保護。
許多電機驅動(dòng)器都有一個(gè)故障報告引腳，用于在發(fā)生故障時(shí)發(fā)出信號。調試時(shí)，可以探測此引腳以觸發(fā)示波器上的屏幕截圖。如果電機驅動(dòng)器沒(méi)有故障報告引腳，請使用示波器檢查驅動(dòng)器的電源和輸出引腳。要確定故障類(lèi)型，請將示波器的行為與電機驅動(dòng)器對其保護功能的數據表描述進(jìn)行比較。如第一部分所述，請務(wù)必檢查電壓和電流。

某些驅動(dòng)器可能具有額外的保護功能，例如過(guò)壓保護和開(kāi)路負載檢測。驅動(dòng)程序數據表將描述這些功能的行為。

6.阿梅特臺架測試技巧

以下是合著(zhù)者Armet關(guān)于在工作臺上旋轉有刷直流或步進(jìn)電機時(shí)該做什么和不該做什么的一些一般建議。

當電機快速加速或脫加速時(shí)，未安裝在任何東西上的電機可能會(huì )劇烈振動(dòng)并“抖動(dòng)”。這是牛頓第三定律的一個(gè)例子。當轉子在一個(gè)方向上加速時(shí)，定子將經(jīng)歷一個(gè)相等且相反的反作用力矩，使其向相反的方向加速。將電機放在泡沫墊或任何其他軟質(zhì)材料的頂部，以盡量減少電機在堅硬表面上振動(dòng)的噪音。要消除任何抖動(dòng)，請用膠帶、夾具或虎鉗約束電機。
如果電機上沒(méi)有其他負載，則在電機軸上添加膠帶，以便輕松確定電機的旋轉方向。
驅動(dòng)大功率電機時(shí)，將電機放在吸熱材料（如散熱器）上，這些材料在長(cháng)時(shí)間連續使用后會(huì )變得非常熱。
當電機驅動(dòng)器輸出使能時(shí)，避免將電機與電路板連接器連接或斷開(kāi)。這樣做可能會(huì )導致可見(jiàn)的火花，并可能損壞電路板和電機。你甚至可能會(huì )得到一個(gè)燒傷的手指（從個(gè)人的，痛苦的經(jīng)歷中說(shuō)話(huà)）。
避免在電機連接到無(wú)動(dòng)力電機驅動(dòng)器時(shí)旋轉電機軸。電機將充當發(fā)電機，可能會(huì )損壞具有高電流或電壓的電機驅動(dòng)器或電源。

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