测试和调试步进电机的提示和技巧

这个由两部分组成的系列文章的第一部分重点介绍了有刷直流电机系统的调试。现在，第二部分将分享一些关于步进电机系统的技巧，并根据作者的个人经验提供一般的台架测试建议。

让我们从设置用于步进测试的工作台开始。

1.用于步进测试的设置工作台

本系列文章的第一部分建议在为有刷直流电机设置台架测试设备时采取两种操作。同样的建议也适用于步进电机。

• 获取电流探头。正如我们将在本文后面讨论的那样，使用电流探头可以帮助调试步进电机中的可听噪声源。切记消磁并将探头归零，以确保正确的电流测量。
• 使用可以提供足够电流的台式电源。当试图驱动大电机电流时，工作台电源上的电流限制可能会箝位供电轨电压。确保选择电源，并将电流限制设置为足够高的受测电机。

2.在没有数字万用表的情况下识别步进相位

这个提示来自我们现在已经退休的同事里克·邓肯。他是调试电机驱动器的天才，他在本文中教了我们许多概念。

在双极步进驱动器上运行快速测试时，假设您在实验室中发现了一个随机步进电机。电机数据表可能不可用，并且电机引线可能未标记。使用数字万用表（DMM）测量电阻或检查连续性是识别哪些端子属于同一相位绕组的一种方法。

然而，使用邓肯的捷径，短线属于同相位绕组的两个步进引线将使转子难以用手旋转。在图1中，合著者Lockridge用左手短路红色和蓝色电线，同时用右手旋转步进电机的转子。如果属于不同相位绕组的两根引线短接在一起，则当引线不短路时，电机将同样容易旋转。

图1.步进电机用于相位绕组识别

表1总结了每个电机引线短路组合的此过程的结果

表1.测试矩阵比较了邓肯使用DMM测量的技巧

通过检查哪些短路导线的组合使电机难以旋转，您可以在没有DMM的情况下识别相位绕组。在这种情况下，红色和蓝色导线属于一个相，绿色和黑色导线属于另一个相位。

这个技巧也很好地演示了两个有趣的概念：楞次定律和止动扭矩。当相位绕组的端子短路时，楞次定律会在转子旋转时在相位绕组中产生电流，从而导致背电动势（EMF）引起的制动力矩。当相位不短路时，当转子转动时，电机止动扭矩感觉像光脉冲。止动扭矩是由永磁体产生的吸引力，它将转子上的齿吸引到定子齿上（图2）。

图2.步进电机的剖析突出了转子和定子齿

3.熟悉正确的步进电机电流曲线

图3显示了使用八分之一微步进时混合双极步进电机单相绕组中电流的典型波形。大多数步进驱动器使用电流调节方案来实现微步进，从而在驱动步进电机时获得更高的精度和更低的噪声。微步进方案通过在离散步进电平调节电流来近似于正弦波。

图3.步进电机的一相中所示的电流示波器射影

步进电机在电机启动时不会遇到浪涌电流，在失速条件下，电流也不会像有刷直流电机那样增加。这是因为步进电机不包含像有刷直流电机那样的机械换向器，并且由于电机的结构，反电动势是正弦的。相反，步进电机需要通过用相位角相差90度的周期性电流波形为两相绕组通电来换向电。

使用全步进时，相电流类似于方波。微步进时，相电流类似于正弦波，如图3所示。大多数集成式步进驱动器使用电流调节方案来实现全步进和微步进。

4.步进电机中的电流调节方案

查找电流波形中的失真是调试步进电机的第一步。很多时候，改变衰减模式或其他设置可以减少可听噪声，提高电流波形的质量。与图3相比，图4、图5和图6显示了失真的步进电流波形。

图4.电流调节方案中过多的快速衰减百分比会导致较大的纹波电流

图5.当电流减小时，显著的反电动势会使波形失真，仅使用慢衰减

图6.慢衰减的消隐时间太长，因此电机线圈的充电速度比驱动器调节电流的速度快

许多因素都会在步进电机中引起可听见的噪声。有时，步进速率可能处于机械系统的谐振频率，这使得噪声更差。其他因素可能是由当前的调节方案（也称为衰减模式）和微步尺寸引起的，因为越小越安静。

图7是一个思维导图，可帮助您可视化这些因素如何结合在一起在步进电机中产生声学噪声。一份题为“如何降低步进电机中的可听噪声”的应用报告更详细地讨论了可听噪声。

图7.思维导图可帮助工程师在调试步进电机中的可听噪声时可视化主要因素

5.电机驱动器故障报告

欠压锁定、过流保护和过热关断是有刷直流和步进电机驱动器的常见电机驱动器保护功能。调试电机系统时，这些功能可能有助于指示特定问题的原因。

当电机驱动器电源轨电压从电源或布线中的串联阻抗下降、去耦或大容量电容不足、台式电源钳位或电源电路设计不良时，可能会触发欠压锁定。
如果电机驱动器输出之间或其中一个输出与电源或地之间的短路，则可能会触发过流保护。
如果环境温度过高或电机驱动器长时间驱动大电流，则可能触发过热保护。
许多电机驱动器都有一个故障报告引脚，用于在发生故障时发出信号。调试时，可以探测此引脚以触发示波器上的屏幕截图。如果电机驱动器没有故障报告引脚，请使用示波器检查驱动器的电源和输出引脚。要确定故障类型，请将示波器的行为与电机驱动器对其保护功能的数据表描述进行比较。如第一部分所述，请务必检查电压和电流。

某些驱动器可能具有额外的保护功能，例如过压保护和开路负载检测。驱动程序数据表将描述这些功能的行为。

6.阿梅特台架测试技巧

以下是合著者Armet关于在工作台上旋转有刷直流或步进电机时该做什么和不该做什么的一些一般建议。

当电机快速加速或脱加速时，未安装在任何东西上的电机可能会剧烈振动并“抖动”。这是牛顿第三定律的一个例子。当转子在一个方向上加速时，定子将经历一个相等且相反的反作用力矩，使其向相反的方向加速。将电机放在泡沫垫或任何其他软质材料的顶部，以尽量减少电机在坚硬表面上振动的噪音。要消除任何抖动，请用胶带、夹具或虎钳约束电机。
如果电机上没有其他负载，则在电机轴上添加胶带，以便轻松确定电机的旋转方向。
驱动大功率电机时，将电机放在吸热材料（如散热器）上，这些材料在长时间连续使用后会变得非常热。
当电机驱动器输出使能时，避免将电机与电路板连接器连接或断开。这样做可能会导致可见的火花，并可能损坏电路板和电机。你甚至可能会得到一个烧伤的手指（从个人的，痛苦的经历中说话）。
避免在电机连接到无动力电机驱动器时旋转电机轴。电机将充当发电机，可能会损坏具有高电流或电压的电机驱动器或电源。

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