电机空载运行频率异常的原因分析和处理

引言

步进电机动态响应快,启停及反转等工作状态转换方便,自身结构决定了电机步距角的大小和精度,电机无累积误差[1-2]。为了对某相机的调焦机构进行控制,特设计了基于步进电机的位置控制系统,该系统采用贵州航天林泉电机自制的57步进电机和自制的107控制器。本文对步进电机在调试过程中空载运行频率异常的问题进行了分析,分析过程中对故障进行了定位,明确了故障机理,并对故障提出了改进措施。通过试验验证,证实所提故障分析和处理方法可行,该问题具有普遍性,其解决方法对类似问题具有重要参考意义。

1故障分析与定位

步进电机主要由定子、转子、前后端盖、轴承等组成,如图1所示。定子包括定子铁芯、绕组和绝缘材料:转子由转子铁芯、永磁体、轴和挡圈组成,其中电机转子有两段磁极。

根据电机空载频率低的现象（要求大于400Hz,实测为150Hz）,从设计和实际操作中对电机空载运行频率低的现象进行了分析。通过建立故障树方式,逐一排查可能造成故障的原因。考虑到如果电机转子压装转子磁极1、2后,转子磁极1的齿中心不能对应转子磁极2的槽中心,会使电机输出转矩有规律下降,最终输出转矩能力不足,造成系统失步,导致电机发生空载频率异常故障。

将4台步进电机进行拆卸检修,把正常运行的3电机转子与故障电机进行交换,重新装配,调试,发现故障电机能正常运行,而3电机出现空载运行异常现象,确定是转子有问题:再进一步对转子进行分析,发现是转子磁极装配出错。电机的转子磁极1要求齿对磁极2槽中心,实测是磁极1齿对磁极2齿中心,不满足齿槽相对原则。

通过对电机空载频率异常故障进一步分析,认为加工人员在加工完成转子磁极1、2后提交下一道工序时,转子磁极1、2位置对调,同时在后续刻字工序及转子装配工序中工艺规程未要求对转子磁极1、2的正确性进行复检,从而使转子装配后转子磁极1、2外圆上齿对齿,槽对槽,不满足设计要求的齿对槽,是导致故障电机出现空载频率异常的原因。

2故障机理

步进电机的定子采用偶数磁极,每个磁极上有小齿及线圈:电流输入线圈在定子上产生旋转磁场:大极上的小齿与转子进行能量转换,使转子步进式旋转。因为转子磁极1和转子磁极2装配错误,定子大极上的小齿与转子在进行能量转换时,若转子压装转子磁极1、2后,转子磁极1的齿中心不能对应转子磁极2的槽中心,会使电机输出转矩有规律下降,最终导致输出转矩能力不足:系统工作受影响,系统无法获得所需转矩,在一次通电状态下,转子轴向转矩小,转子运转异常[3]。

3试验结果与分析

为验证步进电机空载运行频率异常故障分析和处理方法的可行性,重新投产转子轴、转子磁极1、转子磁极2、键、衬套及销,并按转子磁极1和转子磁极2齿槽相对装配,结合电机所需试验环境,特将试验地址选为干湿度为40%～70%,温度为20℃的空调房。图2为步进电机重装后进行试验的现场图。本次测试采用自行研制的107控制器,电源、电机试验工装等测试设备。

图2步进电机试验现场图

试验的主要技术参数:驱动器设置电流开环档位,功率电源电压为4.5VDC,在100Hz下空载运行2min后,逐渐增加脉冲频率,直至电机失步,该频率即为最高运行频率。

试验结果如表1所示。由表1可知,空载运行频率实测值均大于400Hz,满足要求值。后续为提高转子磁极1和转子磁极2装配时的准确性,设计人员可要求在转子磁极1和转子磁极2上刻不同的字以示区别:工艺人员可选择利用齿槽相对工艺装置装配磁极1和磁极2,其次,在工艺文件中增加磁极1和磁极2为齿槽相对装配检查工序。

表l空载运行频率数据及分析

4结论

(1）为提高转子磁极1和转子磁极2装配时的准确性,设计人员可要求在转子磁极1和转子磁极2上刻不同的字以示区别:工艺人员可选择利用齿槽相对工艺装置装配磁极1和磁极2。其次,在工艺文件中增加磁极1和磁极2为齿槽相对装配检查工序。

(2）本文针对步进电机空载运行频率异常现象,分析了原因,同时对故障进行了定位,明确了故障机理,对故障提出了改进措施,并通过试验验证,避免了类似故障的再次发生。该问题具有普遍性,其解决方法对类似问题具有重要参考意义。