步进电机的失步原因及解决方法
来源 https://blog.csdn.net/mao_hui_fei/article/details/78715530
参考 http://www.szvictor.com.cn/fwzc_detail/newsId=203.html
步进电机可以根据脉冲数和脉冲频率来对电机实现开环控制位置和速度，是一种便宜、简单好用的控制类电机，在自动化控制领域得到越来越广泛的应用。但由于步进电机不是闭环控制，选型或者使用不当，也会容易出现步进电机失步，也叫步进电机丢步，也就是步进电机没有按照指令到达应该到达的位置，让工程师们很是苦恼。那么，步进电机失步的原因是什么？可以采取哪些对策来避免失步呢？
步进电机失步的原因有很多，在实际应用过程中，需要采取排除法一一分析，才能够找出失步的真正原因，一般导致步进电机失步的原因是下面几种：
1.步进电机本身工作力矩不够，没有足够能力带动负载；
2.步进电机起停的加减速过程不充分，步进电机在加减速过程中失步；
3.步进电机的电源功率不够导致步进电机的输入功率不够引起失步；
4.步进电机的驱动电压不够或者驱动电流设定过低；
5.驱动器或者控制器收到信号干扰；
6.步进电机系统共振引起步进电机带负载能力下降而导致失步；
7.驱动器和控制器的信号不匹配；
8.同步轮或者减速箱的背隙或者来回转到的间隙误差没有在程序上补偿或者补偿值不对；
9.控制程序本身有问题。
针对上面各问题原因，可以分别采取下面对策来改善步进电机失步问题：
1）核算负载的力矩，参考步进电机距频图看看在对应速度下步进电机是不是有足够扭矩能力带动负载，可以换个在对应工作速度下扭矩大的步进电机来对比测试。
2）步进电机的启动阶段就像开手动波的汽车，需要逐步上档而提速，加减速不充分，会导致失步。一般建议负载的转动惯量不要大于步进电机转动惯量的10倍，不然加减速过程会比较漫长。
3）步进电机启动瞬间我们会测试到额定电流1.6倍左右的电流，如果电源功率不够，会让电机里面的有效电流过低，从而带不动负载。建议一般电源留30%以上余量。
4）步进电机需要快速启动或者高速运行，需要驱动电压比较高，工作电流设定值足够大，否则也容易失步。
5）换个型号的驱动器对比看看是不是信号收到干扰，或者看看控制A电机运动，是不是B电机有动作，看看电机是不是收到信号干扰。
6）共振的时候，步进电机及其系统有明显的噪声和震动，速度上升或者下降一定范围，有关现象会明显减轻或者消失，基本可以判断是共振问题。选择合适参数的步进电机，改善驱动器性能或者用减震垫等 物理方式来减振。
7）如果是步进电机驱动器和控制器的信号不匹配，现象是随着时间的推移，位置的偏移量会很均匀地增加。更改驱动器或者控制器的信号识别方式，让两者匹配一致就好了。
8）同步轮或者减速箱由于精度问题，会有一定误差累计，需要在控制程序中做出合理补偿。
9）控制程序导致失步也不少见，需要检查控制程序是不是有问题。
一时找不到问题原因，也有工程师会让步进电机运行一段时间就重新找原点归位，这样会影响设备的工作效率，是没有办法的办法。近年来，闭环步进电机开始流行起来，通过闭环控制来对于实现对于步进电机的完全控制，也是一种解决问题的方案，但成本会高一些。现在一些步进电机驱动芯片可以根据步进电机失步瞬间电流的异常变化来输出步进电机失步的信号。
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来源 https://zhuanlan.zhihu.com/p/39685584
步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，因其简单的结构，可靠的性能，在经济型数控机床中得到了广泛应用，在我国机床行业的数控化进程中占有重要的地位。步进电动机经常被用于精确定位的场合，因而保证电动机不发生失步至关重要。
失步及其危害
步进电动机正常工作时，每接收一个控制脉冲就移动一个步距角，即前进一步。若连续地输入控制脉冲，电动机就相应地连续转动。步进电动机失步包括丢步和越步。丢步时，转子前进的步数小于脉冲数；越步时，转子前进的步数多于脉冲数。一次丢步和越步的步距数等于运行拍数的整数倍。丢步严重时，将使转子停留在一个位置上或围绕一个位置振动，越步严重时，机床将发生过冲。步进电动机是开环进给系统中的一个重要环节，其性能直接影响着数控系统的性能。电动机失步会影响数控系统的稳定性和控制精度，造成数控机床加工精度下降。
失步原因及解决方法
1．转子的加速度慢子步进电动机的旋转磁场
转子的力n速度慢于步进电动机的旋转磁场，即低于换相速度时，步进电动机会产生失步。这是因为输入电动机的电能不足，在步进电动机中产生的同步力矩无法使转子速度跟随定子磁场的旋转速度，从而引起失步。由于步进电动机的动态输出转矩随着连续运行频率的上升而降低，因而，凡是比该频率高的工作频率都将产生丢步。这种失步说明步进电动机的转矩不足，拖动能力不够。解决方法：①使步进电动机本身产生的电磁转矩增大。为此可在额定电流范围内适当加大驱动电流；在高频范围转矩不足时，可适当提高驱动电路的驱动电压；改用转矩大的步进电动机等。②使步进电动机需要克服的转矩减小。为此可适当降低电动机运行频率，以便提高电动机的输出转矩；设定较长的加速时间，以便转子获得足够的能量。
2．转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度
转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度，这时定子通电励磁的时间较长，大于转子步进一步所需的时间，则转子在步进过程中获得了过多的能量，使得步进电动机产生的输出转矩增大，从而使电动机越步。当用步进电动机驱动那些使负载上、下动作的机构时，更易产生越步现象，这是因为负载向下运动时，电动机所需的转矩减小。解决方法：减小步进电动机的驱动电流，以便降低步进电动机的输出转矩。
3．步进电动机及所带负载存在惯性
由于步进电动机自身及所带负载存在惯性，使得电动机在工作过程中不能立即起动和停止，而是在起动时出现丢步，在停止时发生越步。解决方法：通过一个加速和减速过程，即以较低的速度起动，而后逐渐加速到某一速度运行，再逐渐减速直至停止。进行合理、平滑的加减速控制是保证步进驱动系统可靠、高效、精确运行的关键。
4．步进电动机产生共振
共振也是引起失步的一个原因。步进电动机处于连续运行状态时，如果控制脉冲的频率等于步进电动机的固有频率，将产生共振。在一个控制脉冲周期内，振动得不到充分衰减，下一个脉冲就来到，因而在共振频率附近动态误差最大并会导致步进电动机失步。解决方法：适当减小步进电动机的驱动电流；采用细分驱动方法；采用阻尼方法，包括机械阻尼法。以上方法都能有效消除电动机振荡，避免失步现象发生。
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