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

Trinamic-TMC曹

在一些自動控制領(lǐng)域中，步進(jìn)電機的使用仍占著相當(dāng)大的比例，步進(jìn)電機與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，
因其簡單的結(jié)構(gòu)、低廉的價格和可靠的性能，目前已在很多行業(yè)中（工業(yè)自動化、醫(yī)療自動化、紡織自動化等）廣泛應(yīng)用。
步進(jìn)電機經(jīng)常被用于精確定位的場合，因而保證電機不發(fā)生失步至關(guān)重要。


如果在調(diào)試過程中會發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機丟步、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，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！


步進(jìn)電機的丟步及定位不準(zhǔn)，一般由以下幾方面原因引起：
1、 改變方向時丟脈沖，表現(xiàn)為往任何一個方向都準(zhǔn)，但一改變方向就累計偏差，并且次數(shù)越多偏得越多；

2、 啟動速度太高，加速度太大，引起丟步；

3、 在用同步帶的場合軟件補償太多或太少；

4、 步進(jìn)電動機本身的工作轉(zhuǎn)矩不足，沒有足夠的能力來驅(qū)動負(fù)載；

5、 控制器受干擾引起誤動作；

6、 驅(qū)動器受干擾引起；

7、 軟件缺陷；


針對以上問題分析如下：
1）一般的步進(jìn)驅(qū)動器對方向和脈沖信號都有一定的要求，如：方向信號在第一個脈沖上升沿或下降沿（不同的驅(qū)動器要求不一樣）到來前數(shù)微秒被確定，
否則會有一個脈沖所運轉(zhuǎn)的角度與實際需要的轉(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。

2）由于步進(jìn)電機特點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，同樣加速度太大對系統(tǒng)沖擊也大，容易過沖，導(dǎo)致定位不準(zhǔn);電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之間應(yīng)有一定的暫停時間,若沒有就會因反向加速度太大引起過沖。

3）根據(jù)實際情況調(diào)整被償參數(shù)值，（因為同步帶彈性形變較大，所以改變方向時需加一定的補償）。

4）適當(dāng)?shù)卦龃篑R達(dá)電流，提高驅(qū)動器電壓（注意選配驅(qū)動器、驅(qū)動芯片）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)動器的誤動作，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(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）軟件做一些容錯處理，把干擾帶來影響消除。

同時還可能是以下原因：
原因一：

轉(zhuǎn)子的加速度慢子步進(jìn)電機的旋轉(zhuǎn)磁場，即低于換相速度時，步進(jìn)電機會產(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?zé)o法使轉(zhuǎn)子速度跟隨定子磁場的旋轉(zhuǎn)速度，從而引起丟步。

解決方法：

　　①使步進(jìn)電機本身產(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)動電流;或者在高頻范圍轉(zhuǎn)矩不足時，可適當(dāng)提高驅(qū)動電路的驅(qū)動電壓;也可以改用轉(zhuǎn)矩大的步進(jìn)電機等。

　　②使步進(jìn)電機需要克服的轉(zhuǎn)矩減小，因此可適當(dāng)降低電動機運行頻率，以便提高電機的輸出轉(zhuǎn)矩。

原因二：

步進(jìn)電機及所帶負(fù)載存在慣性，由于步進(jìn)電機自身及所帶負(fù)載存在慣性，使得電機在工作過程中不能立即起動和停止，而是在起動時出現(xiàn)丟步，在停止時發(fā)生越步。

解決方法：

　　通過一個加速和減速過程，即以較低的速度起動，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)電動機產(chǎn)生共振

共振也是引起丟步的一個原因。步進(jìn)電機處于連續(xù)運行狀態(tài)時，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(dāng)減小步進(jìn)電機的驅(qū)動電流;

　　二、采用細(xì)分驅(qū)動方法;

　　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(xiàn)象發(fā)生。


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

針對步進(jìn)電機丟步的問題，Trinamic推出的TMC5160電機驅(qū)動芯片的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(fù)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(fù)載增加到堵轉(zhuǎn)負(fù)載點，電機會自動降低速度，這樣它仍然可以驅(qū)動負(fù)載。
有了這個功能，電機將不會堵轉(zhuǎn)。除了在較低速度下增加扭矩之外，動態(tài)慣性將允許電機通過減速克服機械過載。
DcStep 直接與斜坡發(fā)生器集成，因此即使電機速度因機械負(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 倍或更大的動態(tài)范圍。通過優(yōu)化高負(fù)載情況下的運動速度，該功能進(jìn)一步提高了整體系統(tǒng)效率。

DcStep 優(yōu)勢:

電機在過載情況下不會失步

應(yīng)用程序可以更快的運行

自動實現(xiàn)最高的加速度

在速度極限下實現(xiàn)最高的能效

全步驅(qū)動達(dá)到最高電機扭矩

不僅如此，TMC5160還提供了一個增量式編碼器接口。

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，還可實現(xiàn)運動控制器的歸零功能(替代參考開關(guān))。
可編程預(yù)分頻器寄存器設(shè)置了編碼器分辨率以適應(yīng)電機分辨率。內(nèi)部包含 32 位編碼器計數(shù)器。





如果對位置要求非常高的應(yīng)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(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 六點式斜坡，進(jìn)行了高速優(yōu)化，支持動態(tài)修改運動參數(shù)。 TMC4361A 包含 SPI 接口、Step/Dir 接口及閉環(huán)所需的編碼器接口。

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有步進(jìn)電機驅(qū)動需求請聯(lián)系：TMC曹工：13360062521