本文主要是關于雷賽步進電機的相關介紹，并著重對雷賽步進電機失步的原因及性能特點進行了詳盡的闡述。

步進電機

步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制電機，是現代數字程序控制系統中的主要執行元件，應用極為廣泛。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機是一種感應電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅動器就是為步進電機分時供電的，多相時序控制器。雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能像普通的直流電機，交流電機在常規下使用。它必須由雙環形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業知識。步進電機作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統中。隨著微電子和計算機技術的發展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。

步進電機又稱為脈沖電機，基于最基本的電磁鐵原理，它是一種可以自由回轉的電磁鐵，其動作原理是依靠氣隙磁導的變化來產生電磁轉矩。其原始模型是起源于年至年間。年前后開始以控制為目的的嘗試，應用于氫弧燈的電極輸送機構中。這被認為是最初的步進電機。二十世紀初，在電話自動交換機中廣泛使用了步進電機。由于西方資本主義列強爭奪殖民地，步進電機在缺乏交流電源的船舶和飛機等獨立系統中得到了廣泛的使用。二十世紀五十年代后期晶體管的發明也逐漸應用在步進電機上，對于數字化的控制變得更為容易。到了八十年代后，由于廉價的微型計算機以多功能的姿態出現，步進電機的控制方式更加靈活多樣。 ［1］

步進電機相對于其它控制用途電機的最大區別是，它接收數字控制信號電脈沖信號并轉化成與之相對應的角位移或直線位移，它本身就是一個完成數字模式轉化的執行元件。而且它可開環位置控制，輸入一個脈沖信號就得到一個規定的位置增量，這樣的所謂增量位置控制系統與傳統的直流控制系統相比，其成本明顯減低，幾乎不必進行系統調整。步進電機的角位移量與輸入的脈沖個數嚴格成正比，而且在時間上與脈沖同步。因而只要控制脈沖的數量、頻率和電機繞組的相序，即可獲得所需的轉角、速度和方向。 ［1］

我國的步進電機在二十世紀七十年代初開始起步，七十年代中期至八十年代中期為成品發展階段，新品種和高性能電機不斷開發，目前，隨著科學技術的發展，特別是永磁材料、半導體技術、計算機技術的發展，使步進電機在眾多領域得到了廣泛應用。

步進電機控制技術及發展概況

作為一種控制用的特種電機，步進電機無法直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專用的驅動電源步進電機驅動器。在微電子技術，特別計算機技術發展以前，控制器脈沖信號發生器完全由硬件實現，控制系統采用單獨的元件或者集成電路組成控制回路，不僅調試安裝復雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設計電路。這就使得需要針對不同的電機開發不同的驅動器，開發難度和開發成本都很高，控制難度較大，限制了步進電機的推廣。 ［1］

由于步進電機是一個把電脈沖轉換成離散的機械運動的裝置，具有很好的數據控制特性，因此，計算機成為步進電機的理想驅動源，隨著微電子和計算機技術的發展，軟硬件結合的控制方式成為了主流，即通過程序產生控制脈沖，驅動硬件電路。單片機通過軟件來控制步進電機，更好地挖掘出了電機的潛力。因此，用單片機控制步進電機已經成為了一種必然的趨勢，也符合數字化的時代趨。 ［1］

主要分類編輯

步進電機從其結構形式上可分為反應式步進電機（Variable Reluctance，VR）、永磁式步進電機Permanent Magnet，PM）、混合式步進電機（Hybrid Stepping，HS）、單相步進電機、平面步進電機等多種類型，在我國所采用的步進電機中以反應式步進電機為主。步進電機的運行性能與控制方式有密切的關系，步進電機控制系統從其控制方式來看，可以分為以下三類：開環控制系統、閉環控制系統、半閉環控制系統。半閉環控制系統在實際應用中一般歸類于開環或閉環系統中。 ［1］

反應式：定子上有繞組、轉子由軟磁材料組成。結構簡單、成本低、步距角小，可達1.2°、但動態性能差、效率低、發熱大，可靠性難保證。

永磁式：永磁式步進電機的轉子用永磁材料制成，轉子的極數與定子的極數相同。其特點是動態性能好、輸出力矩大，但這種電機精度差，步矩角大（一般為7.5°或15°）。

混合式：混合式步進電機綜合了反應式和永磁式的優點，其定子上有多相繞組、轉子上采用永磁材料，轉子和定子上均有多個小齒以提高步矩精度。其特點是輸出力矩大、動態性能好，步距角小，但結構復雜、成本相對較高。

按定子上繞組來分，共有二相、三相和五相等系列。最受歡迎的是兩相混合式步進電機，約占97%以上的市場份額，其原因是性價比高，配上細分驅動器后效果良好。該種電機的基本步距角為1.8°/步，配上半步驅動器后，步距角減少為0.9°，配上細分驅動器后其步距角可細分達256倍（0.007°/微步）。由于摩擦力和制造精度等原因，實際控制精度略低。同一步進電機可配不同細分的驅動器以改變精度和效果。

選擇方法

步進電機和驅動器的選擇方法：

判斷需多大力矩：靜扭矩是選擇步

進電機的主要參數之一。負載大時，需采用大力矩電機。力矩指標大時，電機外形也大。

判斷電機運轉速度：轉速要求高時，應選相電流較大、電感較小的電機，以增加功率輸入。且在選擇驅動器時采用較高供電電壓。

選擇電機的安裝規格：如57、86、110等，主要與力矩要求有關。

確定定位精度和振動方面的要求情況：判斷是否需細分，需多少細分。

根據電機的電流、細分和供電電壓選擇驅動器。

基本原理

工作原理

通常電機的轉子為永磁體，當電流流過定子繞組時，定子繞組產生一矢量磁場。該磁場會帶動轉子旋轉一角度，使得轉子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當定子的矢量磁場旋轉一個角度。轉子也隨著該磁場轉一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機轉動一個角度前進一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數成正比、轉速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會反轉。所以可用控制脈沖數量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉動。

發熱原理

通常見到的各類電機，內部都是有鐵芯和繞組線圈的。繞組有電阻，通電會產生損耗，損耗大小與電阻和電流的平方成正比，這就是我們常說的銅損，如果電流不是標準的直流或正弦波，還會產生諧波損耗；鐵心有磁滯渦流效應，在交變磁場中也會產生損耗，其大小與材料，電流，頻率，電壓有關，這叫鐵損。銅損和鐵損都會以發熱的形式表現出來，從而影響電機的效率。步進電機一般追求定位精度和力矩輸出，效率比較低，電流一般比較大，且諧波成分高，電流交變的頻率也隨轉速而變化，因而步進電機普遍存在發熱情況，且情況比一般交流電機嚴重。

主要構造

步進電機也叫步進器，它利用電磁學原理，將電能轉換為機械能，

人們早在20世紀20年代就開始使用這種電機。隨著嵌入式系統（例如打印機、磁盤驅動器、玩具、雨刷、震動尋呼機、機械手臂和錄像機等）的日益流行，步進電機的使用也開始暴增。不論在工業、軍事、醫療、汽車還是娛樂業中，只要需要把某件物體從一個位置移動到另一個位置，步進電機就一定能派上用場。步進電機有許多種形狀和尺寸，但不論形狀和尺寸如何，它們都可以歸為兩類：可變磁阻步進電機和永磁步進電機。

步進電機是由一組纏繞在電機固定部件--定子齒槽上的線圈驅動的。通常情況下，一根繞成圈狀的金屬絲叫做螺線管，而在電機中，繞在齒上的金屬絲則叫做繞組、線圈、或相。

步進電機加減速過程控制技術

正因為步進電機的廣泛應用，對步進電機的控制的研究也越來越多，在啟動或加速時如果步進脈沖變化太快，轉子由于慣性而跟隨不上電信號的變化，產生堵轉或失步在停止或減速時由于同樣原因則可能產生超步。為防止堵轉、失步和超步，提高工作頻率，要對步進電機進行升降速控制。

步進電機的轉速取決于脈沖頻率、轉子齒數和拍數。其角速度與脈沖頻率成正比，而且在時間上與脈沖同步。因而在轉子齒數和運行拍數一定的情況下，只要控制脈沖頻率即可獲得所需速度。由于步進電機是借助它的同步力矩而啟動的，為了不發生失步，啟動頻率是不高的。特別是隨著功率的增加，轉子直徑增大，慣量增大，啟動頻率和最高運行頻率可能相差十倍之多。 ［1］

步進電機的起動頻率特性使步進電機啟動時不能直接達到運行頻率，而要有一個啟動過程，即從一個低的轉速逐漸升速到運行轉速。停止時運行頻率不能立即降為零，而要有一個高速逐漸降速到零的過程。

步進電機的輸出力矩隨著脈沖頻率的上升而下降，啟動頻率越高，啟動力矩就越小，帶動負載的能力越差，啟動時會造成失步，而在停止時又會發生過沖。要使步進電機快速的達到所要求的速度又不失步或過沖，其關鍵在于使加速過程中，加速度所要求的力矩既能充分利用各個運行頻率下步進電機所提供的力矩，又不能超過這個力矩。因此，步進電機的運行一般要經過加速、勻速、減速三個階段，要求加減速過程時間盡量的短，恒速時間盡量長。特別是在要求快速響應的工作中，從起點到終點運行的時間要求最短，這就必須要求加速、減速的過程最短，而恒速時的速度最高。 ［1］

國內外的科技工作者對步進電機的速度控制技術進行了大量的研究，建立了多種加減速控制數學模型，如指數模型、線性模型等，并在此基礎上設計開發了多種控制電路，改善了步進電機的運動特性，推廣了步進電機的應用范圍指數加減速考慮了步進電機固有的矩頻特性，既能保證步進電機在運動中不失步，又充分發揮了電機的固有特性，縮短了升降速時間，但因電機負載的變化，很難實現而線性加減速僅考慮電機在負載能力范圍的角速度與脈沖成正比這一關系，不因電源電壓、負載環境的波動而變化的特性，這種升速方法的加速度是恒定的，其缺點是未充分考慮步進電機輸出力矩隨速度變化的特性，步進電機在高速時會發生失步。 ［1］

步進電機的細分驅動控制

步進電機由于受到自身制造工藝的限制，如步距角的大小由轉子齒數和運行拍數決定，但轉子齒數和運行拍數是有限的，因此步進電機的步距角一般較大并且是固定的，步進的分辨率低、缺乏靈活性、在低頻運行時振動，噪音比其他微電機都高，使物理裝置容易疲勞或損壞。這些缺點使步進電機只能應用在一些要求較低的場合，對要求較高的場合，只能采取閉環控制，增加了系統的復雜性，這些缺點嚴重限制了步進電機作為優良的開環控制組件的有效利用。細分驅動技術在一定程度上有效地克服了這些缺點。 ［1］

步進電機細分驅動技術是年代中期發展起來的一種可以顯著改善步進電機綜合使用性能的驅動技術。年美國學者、首次在美國增量運動控制系統及器件年會上提出步進電機步距角細分的控制方法。在其后的二十多年里，步進電機細分驅動得到了很大的發展。逐步發展到上世紀九十年代完全成熟的。我國對細分驅動技術的研究，起步時間與國外相差無幾。 ［1］

在九十年代中期的到了較大的發展。主要應用在工業、航天、機器人、精密測量等領域，如跟蹤衛星用光電經緯儀、軍用儀器、通訊和雷達等設備，細分驅動技術的廣泛應用，使得電機的相數不受步距角的限制，為產品設計帶來了方便。目前在步進電機的細分驅動技術上，采用斬波恒流驅動，儀脈沖寬度調制驅動、電流矢量恒幅均勻旋轉驅動控制止，，幾大大提高步進電機運行運轉精度，使步進電機在中、小功率應用領域向高速且精密化的方向發展。 ［1］

最初，對步進電機相電流的控制是由硬件來實現的，通常采用兩種方法，采用多路功率開關電流供電，在繞組上進行電流疊加，這種方法使功率管損耗少，但由于路數多，所以器件多，體積大。

先對脈沖信號疊加，再經功率管線性放大，獲得階梯形電流，優點是所用器件少，但功率管功耗大，系統功率低，如果管子工作在非線性區會引起失真、由于本身不可克服的缺點，因此目前已很少采用這兩類方法。

雷賽步進電機失步的原因

零序電流由三相不平衡時（故障狀態）感應或者產生。一般都是穿過電纜的三條主線。零序電壓是開口三角形，平時無電壓（或者很小），故障狀態（接地的情況下）產生的。在繼電保護裝置中設置一定的數值，超過設定數值（電壓、電流、時間），就是過壓，過流。

1、零序一般指的是三相系統中的不平衡分量，零序電流由三相不平衡時感應或者產生。一般都是穿過電纜的三條主線。零序電壓是開口三角形，平時無電壓或者很小，故障狀態產生。在繼電保護裝置中設置一定的數值，超過設定數值就是過壓，零序過流是三相不平衡電流超過設定上限；零序過壓就是三相不平衡電壓超過設定上限。

2、零序是一種接地故障檢測方法，它使用一個傳感器（CT）來把所有相導體和中性導體連接在一起，傳感器會按照線路中接地故障電流的不平衡程度等比例地產生輸出，再由一臺繼電器來測量這一輸出并斷開斷路器或釋放接地故障警報。系統發生不對稱故障時可采用將三相電流轉換為零序、負序和正序的對稱計算，簡化故障分析。零序指三相系統中的不平衡分量且相互之間相位相同。

3、在大短路電流接地系統中發生接地故障后就有零序電流、零序電壓和零序功率出現，利用這些電氣量構成保護接地短路的繼電保護裝置統稱為零序保護。

4、三相電流平衡時沒有零序電流，不平衡時產生零序電流，零序保護就是用零序互感器采集零序電流，當零序電流超過一定值（綜合保護中設定），綜和保護接觸器吸合，斷開電路。

5、零序電流互感器內穿過三根相線矢量。正常情況下三根線的向量和為零，零序電流互感器無零序電流。當人體觸電或者其他漏電情況下：三根線的向量和不為零，零序電流互感器有零序電流，一旦達到設定值則保護動作跳閘。

變壓器電壓低的原因

造成變壓輸出電壓低的主要原因有：

1、次級負載是否過重，電流超過額定電流；

2、變壓器有故障，次級有匝間短路存在；

3、如果是自制的變壓器，有可能是變比（初、次級的匝數比）不對，或使用線徑過細等引起的，

4、初級電壓低。

電壓過低的根本原因是供電質量不高：

1、變壓器容量過小，負載超過變壓器容量過多，引起電壓下降；

2、電線截面積過小，負載超過電線額定的電流過多，溫度高引起電壓下降；

3、導線太長，截面積不夠，電壓損失過多引起電壓下降；

4、三相電流不平衡、電線、開關、接點連接不好等。

我的手機 2018-8-10 16:50:28

為了防止總零線斷開后對家用電器造成損壞，現在民用建筑電氣設計規范要求在公共電表箱的電表下口安裝過欠壓保護器，可以有效防止斷總零線的危害；

如果是老式樓房或者是自建房，沒有安裝過欠壓保護器的，我們可以在自己家里的配電箱里自己安裝一個過欠壓保護器，也可以有效防止斷總零線的危害。

居民用電都基本上是采用TN-S系統的三相五線制，三根火線分別是L1L2L3，一根零線N，一根地線PE；

電力引入電纜入樓以后進去總配電箱，然后從總配電箱分出去五根線，三根火線一根零線和一根地線，而入戶都是從總零線上T接一根零線，從一根火線上T接一根火線；

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火線的分配原則是一層是L1相，二層是L2相，三層是L3相，然后依次類推，來保證三相平衡；

當總零線斷開以后，電流走向如圖，電流就是從火線L2然后經過電器，然后從電器流向零線N，從零線N再流向公共零線N，再從公共零線N另一戶的零線N，這是從L2火線過來的，這樣L2與L1之間就形成了380V電壓；

總零線斷開，電壓漂移，誰家里電器少，電壓就會向誰家漂移，從而燒壞家里的電器。

步進電動機正常工作時，每接收一個控制脈沖就移動一個步距角，即前進一步。若連續地輸入控制脈沖，電動機就相應地連續轉動。

步進電動機失步包括丟步和越步。丟步時，轉子前進的步數小于脈沖數；越步時，轉子前進的步數多于脈沖數。一次丟步和越步的步距數等于運行拍數的整數倍。丟步嚴重時，將使轉子停留在一個位置上或圍繞一個位置振動，越步嚴重時，機床將發生過沖。步進電動機是開環進給系統中的一個重要環節，其性能直接影響著數控系統的性能。電動機失步會影響數控系統的穩定性和控制精度，造成數控機床加工精度下降。?

1、轉子的加速度慢子步進電動機的旋轉磁場

轉子的力n速度慢于步進電動機的旋轉磁場，即低于換相速度時，步進電動機會產生失步。這是因為輸入電動機的電能不足，在步進電動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，從而引起失步。由于步進電動機的動態輸出轉矩隨著連續運行頻率的上升而降低，因而，凡是比該頻率高的工作頻率都將產生丟步。這種失步說明步進電動機的轉矩不足，拖動能力不夠。

解決方法：

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

2、使步進電動機需要克服的轉矩減小。為此可適當降低電動機運行頻率，以便提高電動機的輸出轉矩；設定較長的加速時間，以便轉子獲得足夠的能量。?

2、轉子的平均速度高于定子磁場的平均旋轉速度

轉子的平均速度高于定子磁場的平均旋轉速度，這時定子通電勵磁的時間較長，大于轉子步進一步所需的時間，則轉子在步進過程中獲得了過多的能量，使得步進電動機產生的輸出轉矩增大，從而使電動機越步。當用步進電動機驅動那些使負載上、下動作的機構時，更易產生越步現象，這是因為負載向下運動時，電動機所需的轉矩減小。

解決方法：

減小步進電動機的驅動電流，以便降低步進電動機的輸出轉矩。

3、步進電動機及所帶負載存在慣性

由于步進電動機自身及所帶負載存在慣性，使得電動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。進行合理、平滑的加減速控制是保證步進驅動系統可靠、高效、精確運行的關鍵。

4、步進電動機產生共振

共振也是引起失步的一個原因。步進電動機處于連續運行狀態時，如果控制脈沖的頻率等于步進電動機的固有頻率，將產生共振。在一個控制脈沖周期內，振動得不到充分衰減，下一個脈沖就來到，因而在共振頻率附近動態誤差最大并會導致步進電動機失步。

解決方法：

適當減小步進電動機的驅動電流；采用細分驅動方法；采用阻尼方法，包括機械阻尼法。以上方法都能有效消除電動機振蕩，避免失步現象發生。

淺談雷賽步進電機性能特點

1、雷賽步進電機可以用數字信號直接進行開環控制，整個系統簡單廉價。

2、雷賽步進電機無刷，電動機本體部件少，可靠性高。

3、易于起動，停止，正反轉及速度響應性好。

4、停止時可有自鎖能力。

5、帶慣性負載能力較差。

6、由于存在失步和共振，步進電機的加減速方法根據利用狀態的不同而復雜化。

7、需要專用的步進電機控制器控制，不能直接使用普通的交直流電源驅動。

8、雷賽步進電機步距角可在大范圍內選擇，在小步距情況下，通常可以在超低轉速下高轉距穩定運行，通常可以不經減速器直接驅動負載。

9、位移與輸入脈沖信號數相對應，步距誤差不長期積累，可以組成結構較為簡單又具有一定精度的開環控制系統，也可在要求更高精度的組成閉環控制系統。

10、雷賽步進電機速度可在相當寬范圍內平滑調節，同時用一臺步進電機控制器控制幾臺步進電機可使它們完全同步運行。

雷賽步進電機驅動器的故障分析

1、故障現象：為一旦啟動，驅動器外接保險絲即燒毀，設備不能運行。

2、故障分析：維修人員在檢查時，發現一功率管已損壞，但由于沒有資料，弄不清該管的作用，以為是功率驅動的前置推動，換上一功率管，通電后，保險再度被燒，換上的管子亦損壞。 經專業維修人員檢查，初始分析是對的，即保險一再熔斷，驅動器肯定存在某一不正常的大電流，并檢查出一功率管損壞。但對該管的作用沒有弄清楚。實際上該管為步進電機電源驅動管，步進電機為高壓起動，因而要承受高壓大電流。 靜態檢查，發覺脈沖環形分配器的線路中，其電源到地端的阻值很小，但也沒有短路。根據線路中的元器件數量及其功耗分析電源到地端的阻值不應如此之小，因此懷疑線路中已有元器件損壞。 通電檢查，發現一芯片異常發熱。斷電后將該芯片的電源引腳切斷，靜態檢查，電源到地的阻置增大應屬正常。測該芯片的電源到地的阻值很小。 查該芯片的型號，為一非標型號，眾多手冊中沒有查到。經線路分析，確認其為該板中的主要元件：環形脈沖分配器。 為進一步確認該芯片的問題，首先換耐壓電流功率相當的步進電機電源驅動管，恢復該芯片的電源引腳，用發光二級管電路替代步進電機各繞組作模擬負載。通電后，發光二級管皆亮，即各繞組皆通電，這是不符合線路要求的，輸入步進脈沖無反應，進口泵

3、故障排除：因此確認該芯片已損壞。 但是該芯片市場上沒有，在驅動器殼體內空間允許的情況下，采用了組合線路即用手頭上已有的D觸發器和與非門的組合設計了一個環形脈沖發生器，制作在一個小印制板上，拆除原芯片將小印制板通過引腳裝在原芯片的焊盤上。仍用發光二極管作模擬負載，通電后加人步進脈沖按相序依次發光。 拆除模擬負載，接入主機，通電，設備運行正常。 本例說明，維修人員不僅要能分析現象（過流），找出比較明顯的原因（功率管損壞），還要能步步深人地分析故障初因（脈沖發生器損壞），并且能運用手頭上現有的元器件組合替代難于解決的器件問題。

結語

關于雷賽步進電機的相關介紹就到這了，如有不足之處歡迎指正。

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