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[导读]摘要:为了对步进电机在调试过程中出现的空载运行频率异常问题进行分析和处理,根据电机运行原理、加工工艺方法和已有步进电机的结构特征,采用故障树法对电机的加工工艺方法及各部分结构进行了参数化分析,同时对故障进行了定位,明确了故障机理,并提出了相应的改进措施,通过试验验证了该分析和处理方法的可行性。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。

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

产品编号
空载运行频率/Hz
1
483
2
451
3
462
4
471

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。

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