電機空載運行頻率異常的原因分析和處理

引言

步進電機動態(tài)響應(yīng)快,啟停及反轉(zhuǎn)等工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換方便,自身結(jié)構(gòu)決定了電機步距角的大小和精度,電機無累積誤差[1-2]。為了對某相機的調(diào)焦機構(gòu)進行控制,特設(shè)計了基于步進電機的位置控制系統(tǒng),該系統(tǒng)采用貴州航天林泉電機自制的57步進電機和自制的107控制器。本文對步進電機在調(diào)試過程中空載運行頻率異常的問題進行了分析,分析過程中對故障進行了定位,明確了故障機理,并對故障提出了改進措施。通過試驗驗證,證實所提故障分析和處理方法可行,該問題具有普遍性,其解決方法對類似問題具有重要參考意義。

1故障分析與定位

步進電機主要由定子、轉(zhuǎn)子、前后端蓋、軸承等組成,如圖1所示。定子包括定子鐵芯、繞組和絕緣材料:轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體、軸和擋圈組成,其中電機轉(zhuǎn)子有兩段磁極。

根據(jù)電機空載頻率低的現(xiàn)象（要求大于400Hz,實測為150Hz）,從設(shè)計和實際操作中對電機空載運行頻率低的現(xiàn)象進行了分析。通過建立故障樹方式,逐一排查可能造成故障的原因。考慮到如果電機轉(zhuǎn)子壓裝轉(zhuǎn)子磁極1、2后,轉(zhuǎn)子磁極1的齒中心不能對應(yīng)轉(zhuǎn)子磁極2的槽中心,會使電機輸出轉(zhuǎn)矩有規(guī)律下降,最終輸出轉(zhuǎn)矩能力不足,造成系統(tǒng)失步,導(dǎo)致電機發(fā)生空載頻率異常故障。

將4臺步進電機進行拆卸檢修,把正常運行的3電機轉(zhuǎn)子與故障電機進行交換,重新裝配,調(diào)試,發(fā)現(xiàn)故障電機能正常運行,而3電機出現(xiàn)空載運行異常現(xiàn)象,確定是轉(zhuǎn)子有問題:再進一步對轉(zhuǎn)子進行分析,發(fā)現(xiàn)是轉(zhuǎn)子磁極裝配出錯。電機的轉(zhuǎn)子磁極1要求齒對磁極2槽中心,實測是磁極1齒對磁極2齒中心,不滿足齒槽相對原則。

通過對電機空載頻率異常故障進一步分析,認為加工人員在加工完成轉(zhuǎn)子磁極1、2后提交下一道工序時,轉(zhuǎn)子磁極1、2位置對調(diào),同時在后續(xù)刻字工序及轉(zhuǎn)子裝配工序中工藝規(guī)程未要求對轉(zhuǎn)子磁極1、2的正確性進行復(fù)檢,從而使轉(zhuǎn)子裝配后轉(zhuǎn)子磁極1、2外圓上齒對齒,槽對槽,不滿足設(shè)計要求的齒對槽,是導(dǎo)致故障電機出現(xiàn)空載頻率異常的原因。

2故障機理

步進電機的定子采用偶數(shù)磁極,每個磁極上有小齒及線圈:電流輸入線圈在定子上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場:大極上的小齒與轉(zhuǎn)子進行能量轉(zhuǎn)換,使轉(zhuǎn)子步進式旋轉(zhuǎn)。因為轉(zhuǎn)子磁極1和轉(zhuǎn)子磁極2裝配錯誤,定子大極上的小齒與轉(zhuǎn)子在進行能量轉(zhuǎn)換時,若轉(zhuǎn)子壓裝轉(zhuǎn)子磁極1、2后,轉(zhuǎn)子磁極1的齒中心不能對應(yīng)轉(zhuǎn)子磁極2的槽中心,會使電機輸出轉(zhuǎn)矩有規(guī)律下降,最終導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩能力不足:系統(tǒng)工作受影響,系統(tǒng)無法獲得所需轉(zhuǎn)矩,在一次通電狀態(tài)下,轉(zhuǎn)子軸向轉(zhuǎn)矩小,轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)異常[3]。

3試驗結(jié)果與分析

為驗證步進電機空載運行頻率異常故障分析和處理方法的可行性,重新投產(chǎn)轉(zhuǎn)子軸、轉(zhuǎn)子磁極1、轉(zhuǎn)子磁極2、鍵、襯套及銷,并按轉(zhuǎn)子磁極1和轉(zhuǎn)子磁極2齒槽相對裝配,結(jié)合電機所需試驗環(huán)境,特將試驗地址選為干濕度為40%～70%,溫度為20℃的空調(diào)房。圖2為步進電機重裝后進行試驗的現(xiàn)場圖。本次測試采用自行研制的107控制器,電源、電機試驗工裝等測試設(shè)備。

圖2步進電機試驗現(xiàn)場圖

試驗的主要技術(shù)參數(shù):驅(qū)動器設(shè)置電流開環(huán)檔位,功率電源電壓為4.5VDC,在100Hz下空載運行2min后,逐漸增加脈沖頻率,直至電機失步,該頻率即為最高運行頻率。

試驗結(jié)果如表1所示。由表1可知,空載運行頻率實測值均大于400Hz,滿足要求值。后續(xù)為提高轉(zhuǎn)子磁極1和轉(zhuǎn)子磁極2裝配時的準確性,設(shè)計人員可要求在轉(zhuǎn)子磁極1和轉(zhuǎn)子磁極2上刻不同的字以示區(qū)別:工藝人員可選擇利用齒槽相對工藝裝置裝配磁極1和磁極2,其次,在工藝文件中增加磁極1和磁極2為齒槽相對裝配檢查工序。

表l空載運行頻率數(shù)據(jù)及分析

4結(jié)論

(1）為提高轉(zhuǎn)子磁極1和轉(zhuǎn)子磁極2裝配時的準確性,設(shè)計人員可要求在轉(zhuǎn)子磁極1和轉(zhuǎn)子磁極2上刻不同的字以示區(qū)別:工藝人員可選擇利用齒槽相對工藝裝置裝配磁極1和磁極2。其次,在工藝文件中增加磁極1和磁極2為齒槽相對裝配檢查工序。

(2）本文針對步進電機空載運行頻率異?，F(xiàn)象,分析了原因,同時對故障進行了定位,明確了故障機理,對故障提出了改進措施,并通過試驗驗證,避免了類似故障的再次發(fā)生。該問題具有普遍性,其解決方法對類似問題具有重要參考意義。