測試和調試步進電機的提示和技巧

這個由兩部分組成的系列文章的第一部分重點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于步進電機系統的技巧，并根據作者的個人經驗提供一般的臺架測試建議。

讓我們從設置用于步進測試的工作臺開始。

1.用于步進測試的設置工作臺

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采取兩種操作。同樣的建議也適用于步進電機。

• 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電機中的可聽噪聲源。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。當試圖驅動大電機電流時，工作臺電源上的電流限制可能會箝位供電軌電壓。確保選擇電源，并將電流限制設置為足夠高的受測電機。

2.在沒有數字萬用表的情況下識別步進相位

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

在雙極步進驅動器上運行快速測試時，假設您在實驗室中發現了一個隨機步進電機。電機數據表可能不可用，并且電機引線可能未標記。使用數字萬用表（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，短線屬于同相位繞組的兩個步進引線將使轉子難以用手旋轉。在圖1中，合著者Lockridge用左手短路紅色和藍色電線，同時用右手旋轉步進電機的轉子。如果屬于不同相位繞組的兩根引線短接在一起，則當引線不短路時，電機將同樣容易旋轉。

圖1.步進電機用于相位繞組識別

表1總結了每個電機引線短路組合的此過程的結果

表1.測試矩陣比較了鄧肯使用DMM測量的技巧

通過檢查哪些短路導線的組合使電機難以旋轉，您可以在沒有DMM的情況下識別相位繞組。在這種情況下，紅色和藍色導線屬于一個相，綠色和黑色導線屬于另一個相位。

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

圖2.步進電機的剖析突出了轉子和定子齒

3.熟悉正確的步進電機電流曲線

圖3顯示了使用八分之一微步進時混合雙極步進電機單相繞組中電流的典型波形。大多數步進驅動器使用電流調節方案來實現微步進，從而在驅動步進電機時獲得更高的精度和更低的噪聲。微步進方案通過在離散步進電平調節電流來近似于正弦波。

圖3.步進電機的一相中所示的電流示波器射影

步進電機在電機啟動時不會遇到浪涌電流，在失速條件下，電流也不會像有刷直流電機那樣增加。這是因為步進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，反電動勢是正弦的。相反，步進電機需要通過用相位角相差90度的周期性電流波形為兩相繞組通電來換向電。

使用全步進時，相電流類似于方波。微步進時，相電流類似于正弦波，如圖3所示。大多數集成式步進驅動器使用電流調節方案來實現全步進和微步進。

4.步進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電機的第一步。很多時候，改變衰減模式或其他設置可以減少可聽噪聲，提高電流波形的質量。與圖3相比，圖4、圖5和圖6顯示了失真的步進電流波形。

圖4.電流調節方案中過多的快速衰減百分比會導致較大的紋波電流

圖5.當電流減小時，顯著的反電動勢會使波形失真，僅使用慢衰減

圖6.慢衰減的消隱時間太長，因此電機線圈的充電速度比驅動器調節電流的速度快

許多因素都會在步進電機中引起可聽見的噪聲。有時，步進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電機中產生聲學噪聲。一份題為“如何降低步進電機中的可聽噪聲”的應用報告更詳細地討論了可聽噪聲。

圖7.思維導圖可幫助工程師在調試步進電機中的可聽噪聲時可視化主要因素

5.電機驅動器故障報告

欠壓鎖定、過流保護和過熱關斷是有刷直流和步進電機驅動器的常見電機驅動器保護功能。調試電機系統時，這些功能可能有助于指示特定問題的原因。

當電機驅動器電源軌電壓從電源或布線中的串聯阻抗下降、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，可能會觸發欠壓鎖定。
如果電機驅動器輸出之間或其中一個輸出與電源或地之間的短路，則可能會觸發過流保護。
如果環境溫度過高或電機驅動器長時間驅動大電流，則可能觸發過熱保護。
許多電機驅動器都有一個故障報告引腳，用于在發生故障時發出信號。調試時，可以探測此引腳以觸發示波器上的屏幕截圖。如果電機驅動器沒有故障報告引腳，請使用示波器檢查驅動器的電源和輸出引腳。要確定故障類型，請將示波器的行為與電機驅動器對其保護功能的數據表描述進行比較。如第一部分所述，請務必檢查電壓和電流。

某些驅動器可能具有額外的保護功能，例如過壓保護和開路負載檢測。驅動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

以下是合著者Armet關于在工作臺上旋轉有刷直流或步進電機時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，未安裝在任何東西上的電機可能會劇烈振動并“抖動”。這是牛頓第三定律的一個例子。當轉子在一個方向上加速時，定子將經歷一個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材料的頂部，以盡量減少電機在堅硬表面上振動的噪音。要消除任何抖動，請用膠帶、夾具或虎鉗約束電機。
如果電機上沒有其他負載，則在電機軸上添加膠帶，以便輕松確定電機的旋轉方向。
驅動大功率電機時，將電機放在吸熱材料（如散熱器）上，這些材料在長時間連續使用后會變得非常熱。
當電機驅動器輸出使能時，避免將電機與電路板連接器連接或斷開。這樣做可能會導致可見的火花，并可能損壞電路板和電機。你甚至可能會得到一個燒傷的手指（從個人的，痛苦的經歷中說話）。
避免在電機連接到無動力電機驅動器時旋轉電機軸。電機將充當發電機，可能會損壞具有高電流或電壓的電機驅動器或電源。

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