步進電機常見丟步原因分析及解決方法---TMC5160/TMC4361

Trinamic-TMC曹

在一些自動控制領域中，步進電機的使用仍占著相當大的比例，步進電機與驅動電路組成的開環數控系統，
因其簡單的結構、低廉的價格和可靠的性能，目前已在很多行業中（工業自動化、醫療自動化、紡織自動化等）廣泛應用。
步進電機經常被用于精確定位的場合，因而保證電機不發生失步至關重要。


如果在調試過程中會發現步進電機丟步、堵轉和定位不準現象，遇到這種情況不要著急，
更不要因此直接否定所選用步進電機，一定要冷靜觀察分析出現該現象的原因，由此找出解決之道！


步進電機的丟步及定位不準，一般由以下幾方面原因引起：
1、 改變方向時丟脈沖，表現為往任何一個方向都準，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、 步進電動機本身的工作轉矩不足，沒有足夠的能力來驅動負載；

5、 控制器受干擾引起誤動作；

6、 驅動器受干擾引起；

7、 軟件缺陷；


針對以上問題分析如下：
1）一般的步進驅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（不同的驅動器要求不一樣）到來前數微秒被確定，
否則會有一個脈沖所運轉的角度與實際需要的轉向相反，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脈沖的邏輯或加延時。

2）由于步進電機特點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，容易過沖，導致定位不準;電機正轉和反轉之間應有一定的暫停時間,若沒有就會因反向加速度太大引起過沖。

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

4）適當地增大馬達電流，提高驅動器電壓（注意選配驅動器、驅動芯片）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線，系統中信號線與大電流或大電壓變化導線分開布線，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，感性負載在開頭瞬間能產生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：

轉子的加速度慢子步進電機的旋轉磁場，即低于換相速度時，步進電機會產生丟步。
這是因為輸入電機的電能不足，在步進電機中產生的同步力矩無法使轉子速度跟隨定子磁場的旋轉速度，從而引起丟步。

解決方法：

　　①使步進電機本身產生的電磁轉矩增大。因此可在額定電流范圍內適當加大驅動電流;或者在高頻范圍轉矩不足時，可適當提高驅動電路的驅動電壓;也可以改用轉矩大的步進電機等。

　　②使步進電機需要克服的轉矩減小，因此可適當降低電動機運行頻率，以便提高電機的輸出轉矩。

原因二：

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

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：步進電動機產生共振

共振也是引起丟步的一個原因。步進電機處于連續運行狀態時，如果控制脈沖的頻率等于步進電機的固有頻率，將產生共振。

　　解決方法：

　　一、適當減小步進電機的驅動電流;

　　二、采用細分驅動方法;

　　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，避免丟步現象發生。


那有沒有一款步進驅動芯片可以內部集成算法來優化電機性能，防止丟步呢？

針對步進電機丟步的問題，Trinamic推出的TMC5160電機驅動芯片的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，電機會自動降低速度，這樣它仍然可以驅動負載。
有了這個功能，電機將不會堵轉。除了在較低速度下增加扭矩之外，動態慣性將允許電機通過減速克服機械過載。
DcStep 直接與斜坡發生器集成，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 可以在沒有任何失步的情況下達到 10 倍或更大的動態范圍。通過優化高負載情況下的運動速度，該功能進一步提高了整體系統效率。

DcStep 優勢:

電機在過載情況下不會失步

應用程序可以更快的運行

自動實現最高的加速度

在速度極限下實現最高的能效

全步驅動達到最高電機扭矩

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，還可實現運動控制器的歸零功能(替代參考開關)。
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，又怕步進電機丟步，那就建議上閉環步進了，
針對步進閉環應用，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，進行了高速優化，支持動態修改運動參數。 TMC4361A 包含 SPI 接口、Step/Dir 接口及閉環所需的編碼器接口。

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有步進電機驅動需求請聯系：TMC曹工：13360062521