博客
步進(jìn)電機常見(jiàn)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)電機的使用仍占著(zhù)相當大的比例，步進(jìn)電機與驅動(dòng)電路組成的開(kāi)環(huán)數控系統，
因其簡(jiǎn)單的結構、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、醫療自動(dòng)化、紡織自動(dòng)化等）廣泛應用。
步進(jìn)電機經(jīng)常被用于精確定位的場(chǎng)合，因而保證電機不發(fā)生失步至關(guān)重要。
如果在調試過(guò)程中會(huì )發(fā)現步進(jìn)電機丟步、堵轉和定位不準現象，遇到這種情況不要著(zhù)急，
更不要因此直接否定所選用步進(jìn)電機，一定要冷靜觀(guān)察分析出現該現象的原因，由此找出解決之道！
步進(jìn)電機的丟步及定位不準，一般由以下幾方面原因引起：
1、 改變方向時(shí)丟脈沖，表現為往任何一個(gè)方向都準，但一改變方向就累計偏差，并且次數越多偏得越多；
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)合軟件補償太多或太少；
4、 步進(jìn)電動(dòng)機本身的工作轉矩不足，沒(méi)有足夠的能力來(lái)驅動(dòng)負載；
5、 控制器受干擾引起誤動(dòng)作；
6、 驅動(dòng)器受干擾引起；
7、 軟件缺陷；
針對以上問(wèn)題分析如下：
1）一般的步進(jìn)驅動(dòng)器對方向和脈沖信號都有一定的要求，如：方向信號在第一個(gè)脈沖上升沿或下降沿（不同的驅動(dòng)器要求不一樣）到來(lái)前數微秒被確定，
否則會(huì )有一個(gè)脈沖所運轉的角度與實(shí)際需要的轉向相反，最后故障現象表現為越走越偏，細分越小越明顯，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)電機特點(diǎn)決定初速度不能太高，尤其帶的負載慣量較大情況下,建議初速度在1r/s以下，
這樣沖擊較小，同樣加速度太大對系統沖擊也大，容易過(guò)沖，導致定位不準;電機正轉和反轉之間應有一定的暫停時(shí)間,若沒(méi)有就會(huì )因反向加速度太大引起過(guò)沖。
3）根據實(shí)際情況調整被償參數值，（因為同步帶彈性形變較大，所以改變方向時(shí)需加一定的補償）。
4）適當地增大馬達電流，提高驅動(dòng)器電壓（注意選配驅動(dòng)器、驅動(dòng)芯片）選扭矩大一些的馬達。
5）系統的干擾引起控制器或驅動(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(jiàn)措施：
①用雙紋屏蔽線(xiàn)代替普通導線(xiàn)，系統中信號線(xiàn)與大電流或大電壓變化導線(xiàn)分開(kāi)布線(xiàn)，降低電磁干擾能力。
②用電源濾波器把來(lái)自電網(wǎng)的干擾波濾掉，在條件許可下各大用電設備的輸入端加電源濾波器，降低系統內各設備之間的干擾。
③設備之間最好用光電隔離器件進(jìn)行信號傳送，在條件許可下，脈沖和方向信號最好用差分方式加光電隔離進(jìn)行信號傳送。
在感性負載（如電磁繼電器、電磁閥）兩端加阻容吸收或快速泄放電路，感性負載在開(kāi)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）軟件做一些容錯處理，把干擾帶來(lái)影響消除。
同時(shí)還可能是以下原因：
原因一：
轉子的加速度慢子步進(jìn)電機的旋轉磁場(chǎng)，即低于換相速度時(shí)，步進(jìn)電機會(huì )產(chǎn)生丟步。
這是因為輸入電機的電能不足，在步進(jìn)電機中產(chǎn)生的同步力矩無(wú)法使轉子速度跟隨定子磁場(chǎng)的旋轉速度，從而引起丟步。
解決方法：
�、偈共竭M(jìn)電機本身產(chǎn)生的電磁轉矩增大。因此可在額定電流范圍內適當加大驅動(dòng)電流;或者在高頻范圍轉矩不足時(shí)，可適當提高驅動(dòng)電路的驅動(dòng)電壓;也可以改用轉矩大的步進(jìn)電機等。
�、谑共竭M(jìn)電機需要克服的轉矩減小，因此可適當降低電動(dòng)機運行頻率，以便提高電機的輸出轉矩。
原因二：
步進(jìn)電機及所帶負載存在慣性，由于步進(jìn)電機自身及所帶負載存在慣性，使得電機在工作過(guò)程中不能立即起動(dòng)和停止，而是在起動(dòng)時(shí)出現丟步，在停止時(shí)發(fā)生越步。
解決方法：
通過(guò)一個(gè)加速和減速過(guò)程，即以較低的速度起動(dòng)，而后逐漸加速到某一速度運行，再逐漸減速直至停止。
原因三：步進(jìn)電動(dòng)機產(chǎn)生共振
共振也是引起丟步的一個(gè)原因。步進(jìn)電機處于連續運行狀態(tài)時(shí)，如果控制脈沖的頻率等于步進(jìn)電機的固有頻率，將產(chǎn)生共振。
解決方法：
一、適當減小步進(jìn)電機的驅動(dòng)電流;
二、采用細分驅動(dòng)方法;
三、采用阻尼方法，包括機械阻尼法。
以上方法都能有效消除電機振蕩，避免丟步現象發(fā)生。
那有沒(méi)有一款步進(jìn)驅動(dòng)芯片可以?xún)炔考伤惴▉?lái)優(yōu)化電機性能，防止丟步呢？
針對步進(jìn)電機丟步的問(wèn)題，Trinamic推出的TMC5160電機驅動(dòng)芯片的DcStep功能可以有效防止電機丟步。
TMC5160的DcStep功能介紹：
DcStep 能讓電機在其負載極限和速度極限附近運行而不失步。如果電機上的機械負載增加到堵轉負載點(diǎn)，電機會(huì )自動(dòng)降低速度，這樣它仍然可以驅動(dòng)負載。
有了這個(gè)功能，電機將不會(huì )堵轉。除了在較低速度下增加扭矩之外，動(dòng)態(tài)慣性將允許電機通過(guò)減速克服機械過(guò)載。
DcStep 直接與斜坡發(fā)生器集成，因此即使電機速度因機械負載增加而需要降低，也能達到目標位置。
DcStep 可以在沒(méi)有任何失步的情況下達到 10 倍或更大的動(dòng)態(tài)范圍。通過(guò)優(yōu)化高負載情況下的運動(dòng)速度，該功能進(jìn)一步提高了整體系統效率。
DcStep 優(yōu)勢:
電機在過(guò)載情況下不會(huì )失步
應用程序可以更快的運行
自動(dòng)實(shí)現最高的加速度
在速度極限下實(shí)現最高的能效
全步驅動(dòng)達到最高電機扭矩
不僅如此，TMC5160還提供了一個(gè)增量式編碼器接口。
TMC5160 為外部增量編碼器提供編碼器接口。編碼器不僅用于失步的判斷，還可實(shí)現運動(dòng)控制器的歸零功能(替代參考開(kāi)關(guān))。
可編程預分頻器寄存器設置了編碼器分辨率以適應電機分辨率。內部包含 32 位編碼器計數器。
如果對位置要求非常高的應用，又怕步進(jìn)電機丟步，那就建議上閉環(huán)步進(jìn)了，
針對步進(jìn)閉環(huán)應用，Trinamic推出了一款帶S型加減速曲線(xiàn)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)修改運動(dòng)參數。 TMC4361A 包含 SPI 接口、Step/Dir 接口及閉環(huán)所需的編碼器接口。
