6ES7368-3BF01-0AA0安装调试

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作为一种数字式执行元件，在运动控制系统中得到广泛的应用。许多用户朋友在使用步进电机的时候，感觉电机工作时有较大的发热，心存疑虑，不知这种现象是否正常。实际上发热是步进电机的一个普遍现象，但怎样的发热程度才算正常，以及如何尽量减小步进电机发热呢？以下是一些简单的分析。

1、步进电机为什么会发热

对于各种步进电机而言，内部都是由铁芯和绕组线圈组成的。绕组有电阻，通电会产生损耗，损耗大小与电阻和电流的平方成正比，这就是我们常说的铜陨，如果电流不是标准的直流或正弦波，还会产生谐波损耗；铁心有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产生损耗，其大小与材料、电流、频率、电压有关，这叫铁损。铜损和铁损都会以发热的形式表现出来，从而影响电机的效率。步进电机一般追求定位精度和力矩输出，效率比较低，电流一般比较大，且谐波成分高，电流交变的频率也随转速而变化，因而步进电机普遍存在发热情况，且情况比一般交流电机严重。

2、步进电机发热的合理范围

电机发热允许到什么程度，主要取决于电机内部绝缘等级。内部绝缘性能在高温下(130度以上)才会被破坏。所以只要内部不**过130度，电机便不会损坏，而这时表面温度会在90度以下。所以，步进电机表面温度在70-80度都是正常的。简单的温度测量方法有用点温计的，也可以粗略判断：用手可以触摸1-2秒以上，不**过60度；用手只能碰一下，大约在70-80度；滴几滴水迅速气化，则90度以上了。

3、步进电机发热随速度变化的情况

采用恒流驱动技术时，步进电机在静态和低速下，电流会维持相对恒定，以保持恒力矩输出。速度高到一定程度，电机内部反电势升高，电流将逐步下降，力矩也会下降。因此，因铜损带来的发热情况就与速度相关了。静态和低速时一般发热高，高速时发热低。但是铁损(虽然占的比例较小）变化的情况却不尽然，而电机整个的发热是二者之和，所以上述只是一般情况。

4、发热带来的影响

电机发热虽然一般不会影响电机的寿命，对大多数客户来说没必要理会。但是，严重的发热会带一些负面影响。如电机内部各部分热膨胀系数不同导致结构应力的变化和内部气隙的微小变化，会影响电机的动态响应，高速会容易失步。又如有些场合不允许电机的过度发热，如医疗器械和高精度的测试设备等。因此对电机的发热应当进行必要的控制

5、如何减少电机的发热

减少发热，就是减少铜损和铁损。减少铜损有两个方向，减少电阴和电流，这就要求在选型时尽量选择电阻小和额定电流小的电机，对两相电机，能用串联的电机就不用并联电机，但是这往往与力矩和高速的要求相抵触。对于已经选定的电机，则应充分利用驱动器的自动半流控制功能和脱机功能，前者在电机处于静态时自动减少电流，后者干脆将电流切断。另外，细分驱动器由于电流波形接近正弦，谐波少，电机发热也会较少。减少铁损的办法不多，电压等级与之有关，高压驱动的电机虽然会带来高速特性的提升，但也带来发热的增加。所以应当选择合适的驱动电压等级，兼顾高带性、平稳性和发热、噪音等指标

固有步距角：它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。

步进电机的相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72° 。

保持转矩：是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机较重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。

相数：产生不同对较n、s磁场的激磁线圈对数，是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72° 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。目前应用较广泛的是两相和四相，四相电机一般用作两相，五相的成本较高。

拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即ab-bc-cd-da-ab，四相八拍运行方式即 a-ab-b-bc-c-cd-d-da-a.

固有步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数j*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。

定位转矩（detent torque）：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的），detent torque 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有detent torque。

较大静转矩：也叫保持转矩（holding torque），电机在额定静态电作用下（通电），电机不作旋动时，电机转轴的锁定力矩，即定子锁住转子的力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动等无关。通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机较重要的参数之一。比如，当人们说2n.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2n.m的步进电机。

虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。

较大静力矩的选择：

步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。

步进电机的应用

步进电机的特点主要归于三个方面:

过载性好，使用在对速度和位置都有严格要求的场合；

控制方便，步进电机是以“步”为单位旋转的，数字特征比较明显，给带来了很大的方便。

整机结构简单，结构变得简单和紧凑。

驱动器原理是步进电机的运行要有一装置进行驱动, 这种装置就是步进电机驱动器, 它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移, 或者说: 控制系统每发一个脉冲信号, 通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。步进电机驱动器出现故障，则会影响步进电机的正常使用，下面我们用一些实例来说明步进电机驱动器故障的排除。

故障现象

步进电机驱动器一旦启动，驱动器外接保险丝即烧毁，设备不能运行。维修人员在检查时，发现一功率管已损坏，但由于没有资料，弄不清该管的作用，以为是功率驱动的前置推动，换上一功率管，通电后，保险再度被烧，换上的管子亦损坏。

经维修工程师检查，初始分析是对的，即保险一再熔断，驱动器肯定存在某一不正常的大电流，并检查出一功率管损坏。但对该管的作用没有弄清楚。实际上该管为步进电机驱动管，步进电机为高压起动，因而要承受高压大电流。静态检查，发觉脉冲环形分配器的线路中，其电源到地端的阻值很小，但也没有短路。根据线路中的数量及其功耗分析电源到地端的阻值不应如此之小，因此怀疑线路中已有元器件损坏。

通电检查，发现一芯片异常发热。断电后将该芯片的电源引脚切断，静态检查，电源到地的阻置增大应属正常。测该芯片的电源到地的阻值很小。查该芯片的型号，为一非标型号，众多手册中没有查到。经线路分析，确认其为该板中的主要元件：环形脉冲分配器。

为进一步确认该芯片的问题，首先换耐压电流功率相当的步进电机电源驱动管，恢复该芯片的电源引脚，用发光二级管电路替代步进电机各绕组作模拟负载。通电后，发光二级管皆亮，即各绕组皆通电，这是不符合线路要求的，输入步进脉冲无反应，因此确认该芯片已损坏。但是该芯片市场上没有，在驱动器壳体内空间允许的情况下，采用了组合线路即用手头上已有的d触发器和与非门的组合设计了一个环形脉冲发生器，制作在一个小印制板上，拆除原芯片将小印制板通过引脚装在原芯片的焊盘上。仍用发光作模拟负载，通电后步进脉冲按相序依次发光。拆除模拟负载，接入主机，通电，设备运行正常。

1、故障现象为：一旦启动，驱动器外接保险丝即烧毁，设备不能运行。 维修人员在检查时，发现一功率管已损坏，但由于没有资料，弄不清该管的作用，以为是功率驱动的前置推动，换上一功率管，通电后，保险再度被烧，换上的管子亦损坏。 经专业维修人员检查，初始分析是对的，即保险一再熔断，步进驱动器肯定存在某一不正常的大电流，并检查出一功率管损坏。但对该管的作用没有弄清楚。实际上该管为驱动管，步进电机为高压起动，因而要承受高压大电流。 静态检查，发觉脉冲环形分配器的线路中，其电源到地端的阻值很小，但也没有短路。根据线路中的数量及其功耗分析电源到地端的阻值不应如此之小，因此怀疑线路中已有元器件损坏。

2、通电检查，发现一芯片异常发热。断电后将该芯片的电源引脚切断，静态检查，电源到地的阻置增大应属正常。测该芯片的电源到地的阻值很小。 查该芯片的型号，为一非标型号，众多手册中没有查到。经线路分析，确认其为该板中的主要元件：环形脉冲分配器。

3、为进一步确认该芯片的问题，首先换耐压电流功率相当的步进电机电源驱动管，恢复该芯片的电源引脚，用发光二级管电路替代步进电机各绕组作模拟负载。通电后，发光二级管皆亮，即各绕组皆通电，这是不符合线路要求的，输入步进脉冲无反应，因此确认该芯片已损坏。

4、解决办法：该芯片市场上没有，在驱动器壳体内空间允许的情况下，采用了组合线路即用手头上已有的d触发器和与非门的组合设计了一个环形脉冲发生器，制作在一个小印制板上，拆除原芯片将小印制板通过引脚装在原芯片的焊盘上。仍用发光作模拟负载，通电后步进脉冲按相序依次发光。 拆除模拟负载，接入主机，通电，设备运行正常。

5、本例说明，维修人员不仅要能分析现象（过流），找出比较明显的原因（功率管损坏），还要能步步深人地分析故障初因（脉冲发生器损坏），并且能运用手头上现有的元器件组合替代难于解决的器件问题。

在许多场合，因为的电流电压较高，比如yk3822ma较大输出电流8a，电压325v，再加上其外壳未采用铝合金外壳进行磁屏蔽，因此对高灵敏的系统造成干扰，使其无法工作，并且干扰，尤其在时，可能造成控制系统的和上位机无法进行正常通讯，严重者造成单片机死机，给正常使用造成了困难，因此干扰问题必须加以解决。

1、加装电源滤波器，减少对交流电源的污染。

2、“一点接地”原则。将电源滤波器的地、驱动器pe（地）（驱动器与机箱底板绝缘）、控制脉冲pulse-和方向脉冲dir-短接后的引出线、电机接地线、驱动器与电机之间电缆防护套、驱动器屏蔽线均接到机箱壁上的接地柱上，并要求接触良好。

3、尽量加大控制线与电源线（l、n）、电机驱动线（u、v、w）之间的距离， 避免交叉.比如我们在处理双轴驱动系统中两个处在同一机箱的驱动器安装位置时,一个驱动器铭牌朝前，另一个则朝后，并在结构布置上使这些引线尽量短。

4、使用屏蔽线减轻外界对自己的干扰，或自己（电源线）对外界的干扰。

在调机过程中发现定位不准现象一般由以下几方面原因引起：

1、 改变方向时丢脉冲，表现为往任何一个方向都准，但一改变方向就累计偏差，并且次数越多偏得越多；

2、 初速度太高，加速度太大，引起有时丢步；

3、 在用同步带的场合软件补偿太多或太少；

4、 马达力量不够；

5、 控制器受干扰引起误动作；

6、 驱动器受干扰引起；

7、 软件缺陷；

针对以上问题分析如下：

1)一般的步进驱动器对方向和脉冲信号都有一定的要求，如：方向信号在**个脉冲上升沿或下降沿(不同的驱动器要求不一样)到来前数微秒被确定，否则会有一个脉冲所运转的角度与实际需要的转向相反，最后故障现象表现为越走越偏，细分越小越明显，解决办法主要用软件变发脉冲的逻辑或加延时。

2)由于步进电机特点决定初速度不能太高，尤其带的负载惯量较大情况下,建议初速度在1r/s以下，这样冲击较小，同样加速度太大对系统冲击也大，过冲，导致定位不准;电机正转和反转之间应有一定的暂停时间,若没有就会因反向加速度太大引起过冲。

3)根据实际情况调整被偿参数值，(因为同步带弹性形变较大，所以改变方向时需加一定的补偿)。

4)适当地增大马达电流，提高驱动器电压(注意选配驱动器)选扭矩大一些的马达。

5)系统的干扰引起控制器或驱动器的误动作，我们只能想办法找出干扰源，降低其干扰能力(如屏蔽，加大间隔距离等)，切断传播途径，提高自身的抗干扰能力，常见措施：

①用双纹屏蔽线代替普通导线，系统中信号线与大电流或大电压变化导线分开布线，降低电磁干扰能力。

②用滤波器把来自电网的干扰波滤掉，在条件许可下各大用电设备的输入端加电源滤波器，降低系统内各设备之间的干扰。

③设备之间较好用光电隔离器件进行信号传送，在条件许可下，脉冲和方向信号较好用差分方式加光电隔离进行信号传送。在感性负载(如电磁、电磁阀)两端加阻容吸收或快速泄放电路，感性负载在开头瞬间能产生10~100倍的尖峰电压，如果工作频率在20khz以上。

6)软件做一些容错处理，把干扰带来影响。