步进及伺服调试中常见问题

步进

1.步进电机驱动器可以接收两种脉冲信号：一种单脉冲方式、一种是双脉冲方式，可通过驱动器拨码开关设置进行选择。试分别画出两种方式的信号图？
单脉冲方式脉冲信号从脉冲端（PUL）输入，通过方向端（DIR）输入的高低电平来控制电机转动方向。方向端输入高电平，电机正转；方向端输入低电平，电机反转。
双脉冲方式脉冲信号可以从脉冲端输入，也可从方向端输入，通过改变脉冲信号输入的端口来控制电机转动方向。脉冲端输入脉冲信号，方向端保持无电流通过，电机正转；方向端输入脉冲信号，脉冲端保持无电流通过，电机反转。
单脉冲方式：

双脉冲方式：

单脉冲方式信号图：
正转：（PUL输入脉冲信号，DIR为高电平）

反转：（PUL输入脉冲信号，DIR为低电平）

双脉冲方式信号图：
正转：（PUL端输入脉冲信号）

反转：（DIR端输入脉冲信号）

2.使能信号ENA有什么作用，应用在什么场合，试举例说明？使能信号释放多长时间后重新再发脉冲信号不会造成丢步？
使能信号ENA为低电平时，驱动器输入到电机的电流关断，电机处于自由状态。在一些自动化设备中，有时需要在通电状态下手动转动电机轴，这时可以将ENA信号置低，待手动调节好电机轴后再将ENA信号置高，使电机恢复受控状态。步进驱动器出现过压、过流或欠压等故障时，故障指示灯红灯亮，除了重新上电之外也可以通过重新使能清除故障，即可先将ENA信号置低，红灯灭，再将ENA信号置高，电机恢复受控状态。
下图中黄色为绕组电流波形，蓝色为ENA信号波形：

ENA信号作用时，电机处于自由状态，绕组中无电流通过。释放ENA信号后，隔109ms可再发脉冲信号。

3.驱动器M542配57系列电机，当电机转速为15rps时，试分析绕组中的电流波形。转速为1rps、5rps、10rps时电流波形会有何不同？(雷赛系列)
电机运行时满足一个重要公式：
$$U=E+I\cdot R+L\frac{di}{dt}$$
其中I为绕组电流，E为反电动势。反电动势与电机转速成正比，电机转速越高，反电动势就越大，从而导致实际加在电机绕组上的电流下降。
电机8线并联接法，设置驱动器细分数为1600，峰值电流2.84A。
1rps:

5rps:

10rps:

15rps:

在低速时，电机绕组电流波形是标准的正弦波，幅值为2.8A左右。但随着转速的增加电流波形明显偏离正弦波，而且幅值降低很快，在15rps时，电流幅值降低到2A以下。

4.变压器功率选择：

1. 驱动器M860配86HS45电机，需要选择多大功率变压器合适？（雷赛系列）
   变压器功率的选择可以使用下面的公式计算：
   $$P=\frac{P{}_{max}}{K\eta }$$
   其中$P{}_{max}$为步进电机的极限输出功率；η为效率，一般取0.80-0.95；K为比例系数，一般取1.5-2.0。$P{}_{max}$等于驱动器工作电压和电机绕组静态电流的乘积，$P{}_{max}$和K的商近似趋近于电机的最大功率。
   驱动器M860的工作电压范围为24~68VDC，假定为60V。86HS45电机的额定电流为4.2A。则变压器的功率为：
   $$P=\frac{4.2\cdot 60}{0.8\cdot 2}=158(W)$$
   选用输出功率大于158W规格的变压器可满足要求。
2. 原用200W/36V的变压器，改用300W/36V之后，对驱动器的高速性能有何影响？
   使用200W/36V的变压器，在中高速时，可能存在变压器输出电压压降较大，电机力不够的情况，且变压器中电流上升的较快，发热较多。改用300W/36V的变压器可改善这一现象，提升驱动器的高速性能。

5.驱动器控制信号的接线方式有共阳极、共阴极、差分三种方式，分别画出它们的接线示意图。差分信号有什么优点？，画出它的输出脉冲信号波形。在差分方式下使用到的常见IC 有哪些型号？
共阳极接法：

共阴极接法：

差分式接法：

差分输入信号的波形为：

差分信号与单端信号比较的优点是：差分信号的抗干扰性强，对EMI高度免疫，且容易识别小信号。和单端信号不同，差分信号使用一对导线代替单根导线传输信号，有效信号为两个输入端的输入信号的差值。当存在干扰信号时，干扰信号会对两个输入信号产生相同的干扰作用，通过对两个输入端信号求差，可以有效的降低干扰的影响，达到共模抑制的目的。
差分方式下常使用到的驱动芯片有AM26LS31（单端信号转差分信号）、AM26LS32（差分信号转单端信号）等。

6.分别画出比较器、运放、霍尔元件的输出电路。画出同相、反相运放的电路图。如何计算运算放大器的放大倍数？
比较器：比较器实际上是工作在开环状态下的运算放大器，它是用来比较两个电压大小的器件。下图中，上图为差分运算放大电路，下图为比较器示意图。


当差分运算放大器满足$R_f=R_3=\infty$，$R_1=R_2=0$时即为比较器，$V_{REF}$为参考电压，$V_1$为输入电压，$V_0$为输出电压。它的输出特性曲线为：

$V_1<V_{REF}$ 时，输出为高电平；$V_1>V_{REF}$ 时，输出为低电平。

运放：下图为理想集成运算放大器的模型图。

对于理想运放而言，有$i+=i-=0$，即正负输入端之间“虚断”；V- = V+ ，即正负输入端之间“虚短”。运算放大器的放大倍数可根据其“虚短”和“虚断”这两个特征进行推导。 $A_{V0}$为开环增益，理论上为无穷大，输出电压$V0=A_{V0}(V_{+}-V_{-})$。运算放大器的输出特性曲线为：

其中，$U_{OM}$为运放可输出的最大电压。
霍尔元件： 霍尔元件的输出端为三极管集电极开路输出，所以检测霍尔元件时，输出端需接上拉电阻。
同相运放电路图：

放大倍数：$A=\frac{V_0}{V_1}=1+\frac{R_f}{R_1}$
反相运放电路图：

放大倍数：$A=\frac{V_0}{V_1}=-\frac{R_f}{R_1}$

7.驱动器半流功能的原理和作用？
当停发脉冲信号约0.4s后，电机进入半流状态，即工作电流减半（实际为60%左右），这样可以使得驱动器和电机的发热降低，可靠性提高。在电机需要经常启停的场合半流功能的效果更为明显。

8.PLC的驱动信号电平为24V，而驱动器的信号电平为5V，需要串联多大的电阻才能保证驱动器正常工作？
在控制器信号端串联一个2kΩ的电阻可以保证驱动器正常工作。此电阻可以起到限流分压的作用。

9.两相、三相电机旋转一圈会产生多少个正弦波？
电机每旋转一个齿距角对应A、B两相绕组完成一个通断周期，即产生一个正弦波，所以电机旋转一圈产生的正弦波数应该与转子齿数一致。典型的两相、三相步进电机一般为50齿，对应电机旋转一圈产生的正弦波数应为50个。

设定电机转速为1r/s。

正弦波周期为20ms，每秒产生50个正弦波。

正弦波周期为20ms，每秒产生50个正弦波。

10.步进电机中高速时，如果力矩偏小，应如何解决？
步进电机在中高速时，如果力矩上不去，在条件允许情况下，首先应当选择增大供电电压，由于绕组电感会形成反电动势，且反电动势随着转速的升高而增大，实际加在电机上的工作电流会减小，从而导致力矩下降，增大电压，可以减少反电动势的影响，增大绕组的实际工作电流，提高电机的力矩。另外，在实际应用中，如果力矩只是稍稍偏小，则可以小范围调低驱动电流，这样可能有意想不到的效果。

步进驱动器、步进电机的温度偏高，应如何调整？
在正常使用情况下，驱动器、电机温度偏高时，可以考虑以下调整方式：
1） 如果驱动器处在全流模式，可以改为自动半流模式；
2） 如果电机转速不高，可以降低驱动器的供电电压；
3） 在负载力矩允许范围内，适当调低驱动器的驱动电流；
4） 更换低铁损的硅钢片，选用高效率的电机；
5） 加装散热装置，强制散热。

11.分析对比步进和伺服的优缺点？
为闭环控制，驱动器可以从编码器中获得反馈信号，内部构成位置环和速度环，控制性能更为可靠。
但是在一些对高速，加速减速要求不是很高的低功率（0.75W以下）场合，步进系统也有自己的优势，步进系统出现更早，技术更为纯熟，且体积小、操作简单、价格便宜，采用细分技术后，在这些场合的实际应用中其定位精度已接近伺服系统。因此，对于控制性能要求不高的应用场合，步进相比伺服仍然有独到的竞争力。

伺服

12.伺服系统稳速精度不高，首先应该调节什么参数？
电机停止前跟踪误差超调较大一般是由于速度过冲导致。适当调节速度环Vi可以减小速度控制误差，消除速度过冲。在系统稳定的条件下增大位置环Kd也可以抑制误差，提高控制精度。

13.200W的交流伺服电机，额定电压为36V。分析使用24V和48V的电源会有什么问题和不同？
原则上使用超过额定电压的直流电源不存在什么问题，但当电源为48V时，电机的温度更高，长时间使用的情况下会缩短电机的寿命；当电源为24V时，在中高速下可能出现电机力矩不够的情况。

14.某伺服电机额定转速为3000r/min，伺服电机的每圈所需脉冲数为8000pulse/rev，上位机可输出的极限脉冲频率为200kHz，如果希望电机达到额定转速，应如何设置电子齿轮比。
当上位机输入脉冲频率为200kHz时，伺服电机的转速为：
$$200000÷8000\times 60=1500（r/min）$$$$1500\times （分子/分母）=3000（r/min）$$
可设置分子为2，分母为1。