一臺
步進電機驅動器的優劣主要體現在可靠性、功能、性能三個方面，功能往往與針對市場的行業背景相關，本文只針對
步進電機驅動器可靠性、基本性能兩個方面探討幾種簡單的測試方法。1概述： 國產步進產品技術攻關大多數還停留在可靠性層面，只有可靠的產品才能被市場認可，才能真正帶給它的用戶以價值。國產步進可靠性不足集中體現在電源不穩定、器件降額不夠，這些不可靠因素主要表現在關鍵器件的電應力和熱應力的可靠性，其次還有電磁擾動對電路功性能的影響，本文以一個案例的方式討論電源和器件應力。 步進系統最基本的性能是力矩、轉速、位置的精確性以及響應速度。但凡討論步進性能，我們必須站在系統層面來討論，把電機性能包括在其中。本文在探討性能測試方面，給出了力矩響應、速度響應、定位精度和重復定位精度的測試方法。2 電源與器件可靠性測試方法2.1輔助電源短路保護測試 輔助電源不僅給控制芯片、驅動芯片、接口電路、風機供電，而且
步進電機驅動器給外部提供24V電源。所以開關電源短路保護功能尤為重要，我們分別取最低電源電壓(DC200V)、正常電源電壓(DC311V)、最高電源電壓(DC400V)三個點，測試輔助電源的保護功能。 測試時，輔助電源輸入通過調節直流調壓器給定，將母線電源電壓分別調節到DC200V、DC311V、DC400V，然后依此分別將輸出短路，本文以5V，24V兩路輸出的一個實際產品為例討論。測試方法就是將其中一路短路，測量另外一路輸出。l5V短路，量測24V輸出，如表2-1所示：表2-1 5V短路測試條件項目400Vdc要求(V)最大最小24V電壓（V)19.55.00-26l24V短路，量測5V輸出，如表2-2所示： 表4-2 24V短路測試條件項目400Vdc要求(V)最大最小5V電壓（V)500-5.25 試驗結果表明，在5V，24V短路時，芯片都進入打嗝狀態，即滿足輸出短路保護試驗要求。2.2 輔助電源Topswitch電壓應力試驗 Topswitch器件VDS電壓指集成PWM控制器內部IGBT漏極和源極之間的的電壓，VDS超標是其損壞的主要原因之一，VDS直接影響
步進電機驅動器的可靠性和壽命，測試方法是通過調壓器調節輔助電源輸入電壓，測量VDS電壓。輸入電壓越高，VDS電壓越高，即在母線規格最大值（DC400V）時，VDS電壓最高，測量這個最大值是否超標，可判斷Topswitch電壓應力是否合格。 還有一種情況，輔助電源輸出短路時，VDS會特別高，需要判斷短路時Topsweitch電壓應力是否合格。l未短路時測試數據如下表2-3所示，實拍波形如圖2-1所示：表2-3 VDS電壓測試條件項目311Vdc400Vdc規格要求(V)空載滿載空載滿載VDS450460540563700圖2-1 輸出未短路時VDS電壓波形 當將5V短路時，在DC400V的輸入下VDS電壓為650V 小于700，滿足規格要求。5V短路，VDS輸出波形如圖2-2：圖2-2 輸出短路時VDS電壓波形2.3輔助電源啟動測試 輔助源啟動時間對步進產品可靠性來說很重要，特別是對功率器件與功率器件驅動上電時序的影響很重要，在功率器件必須保證在其驅動器件上電好以后才能上電，只有這樣才能保證在上電或斷電過程中功率器件不會有誤動作，避免直臂導通等嚴重的短路故障。 在本例中，輸入交流220VAC時，測試得到5V輸出啟動延時為180ms，小于IPM上電啟動時間，可以保證IPM驅動芯片先工作，IPM內部IGBT后工作，可以防止上電短路等故障。延時波形如圖2-3所示：l正弦信號為50Hz輸入波形l直線型信號為輔助源5V輸出信號圖2-3 輔助電源啟動波形2.4輔助電源紋波及噪聲測試（1）輸出電壓測試：分別在不同母線，滿載情況下，測試各路電壓值如表2-4所示：（單位：V）表2-4 輔助源輸出電壓測試母線電壓（V）24V輸出5V輸出20023.4V5.02V31123.5V5.02V40023.3V5.02V規格要求22～25V4.75-5.25V 測試結果：合格。（2）輸出電壓紋波測試：分別在不同母線電壓情況下測試滿載電壓情況下紋波如表2-5所示(單位：mV)表2-5 輔助源輸出電壓紋波測試母線+24V+5V20V-UDC 200V433652DC 311V564554DC 400V545058規格要求≤5%（1.2V）≤5%（0.25V）≤5%（1V） 測試結果：合格。2.5母線整流電路測試（1）整流延遲和整流電路啟動對電網的沖擊都是很關鍵的問題，本設計整流電路啟動波形如圖2-4所示，啟動延時時間為125ms，滿足要求。圖2-4 整流電路時延測試（2）圖2-4可以反映儲能電容充電時間，從安全等角度來講，放電時間也是很關鍵的。本設計電容放電波形如圖2-5所示，電容放電時間為7s，滿足要求。圖2-5 儲能電容空載放電時延測試2.6 IPM開通關斷延時測試 IPM內部IGBT的開通與關斷波形直接影響到IPM工作的可靠性，如果開通和關斷時間太長，必然有兩種情況發生，一是上下開關管直臂導通造成短路故障，二是IGBT的開通和關斷損耗導致IPM發熱嚴重，長期工作不僅會對
步進電機驅動器以外的產品造成影響，而且直接影響IPM壽命。 如圖2-6所示，上面信號為驅動信號，IGBT開通信號延時500ns，滿足要求。圖2-6 逆變IGBT開通時延測試 如圖2-7所示，上面信號為驅動信號，IGBT關斷信號延時500ns，滿足要求。圖2-7 逆變IGBT關斷時延測試2.7 熱應力測試 作為一個產品，使用者最關心的是產品的可靠性，可靠性不僅僅包括了產品各個器件的電應力，也包括了熱應力，研究每個發熱元件的溫升顯得尤為重要。 測試條件：l整個
步進電機驅動器放在恒溫箱環境中。l環境溫度為22.5℃。l滿載滿轉速條件下測試。 溫升就是被測元件溫度與環境溫度的差值，本產品定義最高的工作環境溫度為45℃，本實驗是在環境溫度22.5℃下測試。由熱學基本知識可以知道，在環境溫度為45℃時的元件溫度就是45℃加常溫下的溫升。測試證明，本設計中整機下半部分模塊發熱不會對上半部分空間器件發熱產生影響，開關電源部分的器件發熱量空載與滿載差別不大。各個關鍵元件溫度與最大溫升如下表2-6所示，最高溫升26.8度，完全滿足設計要求。（單位為攝氏度）表2-6關鍵元件溫升測試數據環境溫度22.5 22.4 22.6 22.522.8溫升測試點10min20min30min40min50min 784046.746.64950.150.426.4整流橋40.63839.540.640.816.8IPM散熱器邊緣3536.938.238.639.615.6散熱器邊緣34.236.137.63838.914.9DSP2823241.443.545.446.346.822.8變壓器包線3538.842.244.245.521.5熱敏電阻3435.437.338.539.315.3TOP255正面36.839.341.642.743.519.5變壓器骨架33.638.242.144.245.921.93 性能測試方法3.1力矩響應測試 測試方法：把被測目標電機和電機軸固定裝置（徑向可旋轉，也可以固定，類似于機床常用的分度頭）穩固的固定在實驗臺上，并且保證電機軸和固定裝置中心同心，把電機軸用固定裝置固定，如圖3-1所示。步進使能，旋轉固定裝置，使U相電流最大，U相電流可以反映力矩大小。在階躍的力矩指令輸入條件下，U相電流的建立時間即可反映力矩響應時間。觀測方法：用示波器觀測，觀察時間軸設置為1ms，電流上升時間即為力矩響應時間。圖3-1力矩響應測試平臺示意圖實驗步驟：1）力矩指令為30％額定模擬量轉矩，固定裝置不固定，步進ON，驗證驅動器帶電機在力矩環下能正常運行，確保電機軸轉了一圈以上。2）步進OFF，分度頭固定電機軸，電流鉗夾在驅動器輸出的U相上，用示波器觀測U相電流的大小，步進ON，旋轉固定裝置調節電機軸位置，同時觀測示波器上顯示U相電流的變化，當U相電流最大的時候，停止旋轉分度頭，步進OFF，鎖住固定裝置。3）模擬量力矩指令調節到50％額定轉矩，示波器設置為上升沿觸發，步進ON大概1秒鐘后步進OFF，示波器上俘獲到響應電流波形和力矩波形，示波器不能有濾波，保存實驗波形，并做好記錄。再重復做本實驗5次，共保存3次相同條件下的電流響應波形。4）模擬量力矩指令調節到100％額定轉矩，重復步驟3。 本例中力矩環響應時間小于4毫秒。3.2速度響應測試 速度帶寬測試方法：調整
步進電機驅動器參數使電機空載響應性能最佳，將最大轉速限制在3000RPM，電流設定為電機額定電流。用函數信號發生器發一個頻率按照正弦規律變化的脈沖信號，逐漸加大輸入信號正弦變化的頻率，當電機堵轉時正弦變化的頻率定義為
步進電機驅動器速度響應頻率，速度帶寬測試平臺結構示意圖如圖3-2所示。圖3-2速度帶寬測試平臺示意圖 加速性能測試方法：采用階躍響應的測試方法，本例中就是直接給一個2500轉的轉速，用示波器觀察電機里電流波形。如圖3-3所示，本例中整個加速到穩定的時間小于30ms。圖3-3 轉速階躍響應圖3.3定位精度與重復定位精度測試
步進電機驅動器控制交流永磁同步
步進電機最終定位點和目標值的靜態誤差稱為定位精度。重復定位精度是在相同轉速和加減速條件下電機旋轉一定角度，連續得到結果的偏差程度。 重復定位精度測試方法：自制脈沖發生器分別以三種不同的頻率發送脈沖給
步進電機驅動器。脈沖數為30000?？刂?b>步進電機正轉10轉，然后反轉10轉，觀察定位位置與起始位置之間的誤差以及每次定位位置的差異，并記錄三組數據。然后控制
步進電機正轉10轉，然后反轉20轉，再記錄三組數據。 位置偏差檢測：如圖3-4所示，將激光筆固定于電機軸上，每次運行停止時，記錄測試墻面光點的位置，記錄其誤差。圖3-4定位精度測試平臺測試實驗分如下兩步做： 1)測試脈沖的發送頻率定為500hz，發生周期為3s，即每隔3s發送1500個脈沖，此時
步進電機驅動器的電子齒輪比為100/3；則正轉10轉，然后反轉10轉停止（經過電子齒輪變速后電機每轉1圈需要，10000個脈沖，電機會每隔3秒轉半圈），電機軸與墻面直接的距離是3m，激光筆投射到墻面上的最大偏差為2mm，經過多次測試其結果一致。利用三角函數關系可以算出偏差角度，再以360°對應300脈沖，計算結果是定位精度小于1個脈沖。即
步進電機定位精度為1個脈沖，滿足設計要求。 2)測試脈沖的發送頻率定為500hz，發生周期為3s，即每隔3s發送1500個脈沖，此時
步進電機驅動器的電子齒輪比為100/3；則正轉10轉，然后反轉20轉停止，電機軸與墻面直接的距離是3m，激光筆投射到墻面上的最大偏差也為2mm，經過多次測試其結果一致。計算結果是定位精度小于1個脈沖。即
步進電機重復定位精度為1個脈沖，滿足設計要求。4總結 回顧國內對步進
深圳市振合機電設備有限公司主營產品：步進電機、直線步進電機、步進伺服步進驅動器、步進電機驅動器、一體式步進剎車步進電機、防水步進電機、無刷電機、伺服電機等各類型號的步進電機，歡迎來電咨詢。電話：15818698488
