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【摘要】步进电机是当代工业一个重要的组成部分，它的发展可以带动很多企业的发展。步进电机由于惯量低，定位精度高，无积累误差，控制简单等特点，在工业领域中广泛应用。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。
【关键词】步进电机 数控机床 应用 维护
一、步进电机简介
步进电机最初构想是作为昂贵的位置控制应用中伺服電机的低成本替代产品，而新兴的计算机工业迅速将其采用到外设应用当中。步进电机的主要优势在于能提供开环位置控制，而成本只是需要反馈的伺服系统的几分之一。在过去，步进电机有时被误称为“数字”电机，因为它们常用正交方波驱动。但是，对这些电机的这种狭隘看法常常会在以后的项目开发过程中导致大难题。正常情况下步进电机转过的总角度和输入的脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。
二、步进电机的工作原理
步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制系统装备。
三、步进电机常见故障诊断及简单的处理
1、温度过高
诊断及处理方法：触摸电机外壳，温度明显过（异常）高。要防止温度过高，工作方式要符合技术要求，控制环境温度，经常检查电路电压是否稳定。
2、步进电动机失步
诊断及处理方法：（1）转子的加速度慢于步进电机的旋转磁场，也即是低于换相速度而产生的。这是因为输入电机的电能不足，在步进电机中产生的同步力矩无法令转子速度跟随定子磁场的旋转速度，从而引起失步。并且凡是比这时频率高的工作频率都必将失步。这种失步说明了步进电机的拖动能力不够。一旦减少负载，或者提高绕组的激磁电流，则有可能克服失步。（2）转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度。这时定子通电激磁的时间较长，大于转子步进一步所需的时间，则转子在步进过程中获得了过多的能量，从而产生前冲和后冲的摆动振荡。当振荡足够严重时就导致失步。
处理此故障，工作方式要按规定标准，检查电线是否正确连接，应经常保持周围环境清洁。
3、噪声和振动较大
诊断及处理方法：电机工作中听到声音明显异常并伴随有较大振动。
（1）振荡是步进电机在工作时存在的一般现象，从而产生噪声，但严重的振荡会引起失步。振荡的原因有多种，其中主要的原因有步进电机处于低频单步运行；步进电机的换相频率和转子的特征频率、倍特征频率、分数特征频率相等；步进电机突然停车等情况。
（2）当步进电机进行单步旋转时，其工作频率必定处于低频区。在开始工作时，转子在磁场力矩的作用下加速转动，当转子转到新的平衡点时其速度仍然相当高，从而冲过了平衡稳定点产生过冲。排除此类异常，就应及时停止工作，检查电机并保持周围交换的环境进行排除。
四、步进电机的保养与维护
步进电机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。许多使用者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？
首先，要了解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损，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。
再者，将步进电机发热控制在合理范围内。 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。所以只要内部不超过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，不超过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；当然也可以用测温枪来检测。
第三，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.
第四，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，严重的发热会带来一些负面影响。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。因此对电机的发热应当进行必要的控制。
最后，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，减少电阻和电流，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，兼顾高速性、平稳性、发热、噪音等指标。
【参考文献】
[1]《数控加工设备》（第二版） 主编：张吉平、蒋林敏 大连理工大学出版社
[2]《数控工艺培训教程》（第二版） 主编：杨伟群 清华大学出版社
[3]《机床电气控制PLC》主编：刘祖其 高等级教育出版社
[4]《数控机床故障诊断与维修》 主编：夏庆观 高等教育出版社
[5]《数控实用技术》 主编：王贵明 机械工业出版社
【关键词】步进电机 数控机床 应用 维护
一、步进电机简介
步进电机最初构想是作为昂贵的位置控制应用中伺服電机的低成本替代产品，而新兴的计算机工业迅速将其采用到外设应用当中。步进电机的主要优势在于能提供开环位置控制，而成本只是需要反馈的伺服系统的几分之一。在过去，步进电机有时被误称为“数字”电机，因为它们常用正交方波驱动。但是，对这些电机的这种狭隘看法常常会在以后的项目开发过程中导致大难题。正常情况下步进电机转过的总角度和输入的脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。
二、步进电机的工作原理
步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制系统装备。
三、步进电机常见故障诊断及简单的处理
1、温度过高
诊断及处理方法：触摸电机外壳，温度明显过（异常）高。要防止温度过高，工作方式要符合技术要求，控制环境温度，经常检查电路电压是否稳定。
2、步进电动机失步
诊断及处理方法：（1）转子的加速度慢于步进电机的旋转磁场，也即是低于换相速度而产生的。这是因为输入电机的电能不足，在步进电机中产生的同步力矩无法令转子速度跟随定子磁场的旋转速度，从而引起失步。并且凡是比这时频率高的工作频率都必将失步。这种失步说明了步进电机的拖动能力不够。一旦减少负载，或者提高绕组的激磁电流，则有可能克服失步。（2）转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度。这时定子通电激磁的时间较长，大于转子步进一步所需的时间，则转子在步进过程中获得了过多的能量，从而产生前冲和后冲的摆动振荡。当振荡足够严重时就导致失步。
处理此故障，工作方式要按规定标准，检查电线是否正确连接，应经常保持周围环境清洁。
3、噪声和振动较大
诊断及处理方法：电机工作中听到声音明显异常并伴随有较大振动。
（1）振荡是步进电机在工作时存在的一般现象，从而产生噪声，但严重的振荡会引起失步。振荡的原因有多种，其中主要的原因有步进电机处于低频单步运行；步进电机的换相频率和转子的特征频率、倍特征频率、分数特征频率相等；步进电机突然停车等情况。
（2）当步进电机进行单步旋转时，其工作频率必定处于低频区。在开始工作时，转子在磁场力矩的作用下加速转动，当转子转到新的平衡点时其速度仍然相当高，从而冲过了平衡稳定点产生过冲。排除此类异常，就应及时停止工作，检查电机并保持周围交换的环境进行排除。
四、步进电机的保养与维护
步进电机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。许多使用者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？
首先，要了解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损，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。
再者，将步进电机发热控制在合理范围内。 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。所以只要内部不超过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，不超过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；当然也可以用测温枪来检测。
第三，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.
第四，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，严重的发热会带来一些负面影响。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。因此对电机的发热应当进行必要的控制。
最后，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，减少电阻和电流，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，兼顾高速性、平稳性、发热、噪音等指标。
【参考文献】
[1]《数控加工设备》（第二版） 主编：张吉平、蒋林敏 大连理工大学出版社
[2]《数控工艺培训教程》（第二版） 主编：杨伟群 清华大学出版社
[3]《机床电气控制PLC》主编：刘祖其 高等级教育出版社
[4]《数控机床故障诊断与维修》 主编：夏庆观 高等教育出版社
[5]《数控实用技术》 主编：王贵明 机械工业出版社