电机,驱动器

改进的步进电机系统支持更多应用

步进电机系统提供比标准变速电机更精确,而无需伺服电机的费用和复杂,并且更新的高总线电压选项提供额外的灵活性。见5电机技术,常用用途。

由乔康贝尔 3月4日,2021年
礼貌:AutomationDirect

学习目标

  • 电机技术,共同使用。
  • 何时使用步进电机与伺服电机。
  • 更广泛的应用用于踏步汽车

新的步进电机技术可以应用于比以前更高的应用程序,而不是其他选项。几乎每个工业机械应用都涉及创建和控制某种类型的运动。随着设计师考虑价格和性能要求,气动选项可以是良好的低成本选择,液压可以提供最终的力量。然而,最通用的动力是某种形式的电动机。

对于工业应用,术语运动控制通常被理解为意味着不仅仅是旋转电机来创造运动。真正的运动控制通常包括使用某种形式的驱动来精确地控制设备元件的位置、速度和/或加速度。

标准交流感应电动机和直流电动机最适合于固定或不同速度的简单开/关和连续操作,但它们不适合定位和精细控制。伺服控制器,驱动器和电机对所有类型的运动控制提供了极高的性能,但它们的复杂性驱动了工程和采购成本(图1)。

步进电机占据了甜蜜点,比标准的AC INC INCOUPTION或DC电机提供更大的控制精度,远远低于伺服解决方案。步进电机系统具有一些局限性,但较新的高压总线版本克服了其中一些问题,并使该技术成为更多应用的可行选择。本文识别步进电机系统可以是最佳运动控制解决方案。

图1:标准交流感应和直流电动机适用于基本速度控制,但步进和伺服系统提供逐步提高的定位和精细电机控制能力。礼貌:AutomationDirect

图1:标准交流感应和直流电动机适用于基本速度控制,但步进和伺服系统提供逐步提高的定位和精细电机控制能力。礼貌:AutomationDirect

5个电机技术,常用用途

指定任何电动机系统涉及理解负载以及如何在力,速度和准确性方面移动。耐用性和初始/运营成本也很重要。用于工业应用的一些最常见的电机类型是:

  • 交流归衔:适用于适用于一般应用的各种形式因子和马力等级,以固定速度为单独的接触器或可变频率驱动的可调速度运行。
  • DCMotors:以低速提供良好的扭矩,并且需要一个相关的DC驱动器,这通常提供合理的速度控制。
  • DC步进器:提供更好的速度控制,因为快速脉冲命令电机以小步骤快速移动,但这些电机以较低的速度操作,具有较小的力。
  • 高总线电压步进:基本上与DC踏板相同,但是驱动器接受AC电力并产生更高的直流母线电压,以提高速度和扭矩能力。
  • 伺服:在整个速度范围内具有全扭矩的高速提供高速,具有超精确的位置,速度和速度。

为了以可变速度操作这些电机,每个列出的电机类型都需要一个相关的驱动器。高级控制命令,特别是协调运动,需要单独的控制器,其可以是专用运动控制器,或者可以是更高端可编程逻辑控制器(PLC)或PC。在某些情况下,控制器和驱动功能可以在一个设备中组合。

如果所有评级匹配,通常可以集成来自不同供应商的电机、驱动器和控制器,但对于更复杂的系统(特别是伺服和步进),许多用户发现从单一产品组合中选择最佳兼容性的产品是更有效的。从一个供应商而不是多个供应商获得支持也更容易。

图2:微步(绿色)实现了与完整步(蓝色)相同的最终位置,平滑运动操作的代价是要求更高的命令频率。礼貌:AutomationDirect

图2:微步(绿色)实现了与完整步(蓝色)相同的最终位置,平滑运动操作的代价是要求更高的命令频率。礼貌:AutomationDirect

反馈和运动控制

用于运动控制服务的电机经常连接到机械设备与齿轮箱,齿带,齿条和小齿轮和类似的设置,所以他们可以保持一个直接无滑运动传动关系与被驱动设备,无论最终结果是旋转或线性。

开环电机控制描述的是当一个电机被命令运行,但实际的电机或设备运行不被监控,因此没有反馈来识别运动精度。

闭环电机控制依赖于安装在设备上的传感器或电机本身,提供操作反馈,使控制器能够精确地调节所命令的运动。

AC诱导和直流电动机通常被认为是安装和维护的最简单类型的电机。这部分是因为它们通常作为开环操作,尽管设备上可能有一些传感器来提供指示。例如,简单的起重机可以使用反转电机升力或降低负载,仅依赖于行进端限制开关。

伺服电机需要相对更有的设计和安装工作。它们采用精确的电动机传感器,使其成为操作机器人手臂关节或X-Y-Z笛卡尔定位器的理想选择,因为它们不断使用电机(因此驱动设备)位置,速度和加速度。

精确,闭环步进操作

大多数步进电机都占据了一个中间地面,因为它们被精确地命令,尽管通常没有恒定的闭环反馈。但是,可以 - 并且变得更加常见 - 操作步进电机作为闭环。此外,具有集成驱动器的更高级步进电机正在变为可用,并提供内置闭环控制的形式。

为了了解步进电机可以是与伺服电机相比的较低成本运动控制替代品的正确设计选择时,还有一些细节是相关的。

何时使用步进电机与伺服电机

对于运动控制应用,每个行驶路径称为轴,并且可以旋转或线性。有时像机器人一样复杂的组件,定位设备和印刷机具有许多轴,必须彼此密切协调。对于这些情况,由具有内置路径规划器的专用运动控制器操作的伺服伺服通常是最好的。

然而,对于许多单轴应用程序,步进器可以提供更好的性价比。步进电机有其他独特的特点,有助于某些应用:

  • 没有抖动/抖动零速度
  • 当驱动器处于停滞状态时节省能量并减少加热的空闲电流减少选项,而不是由重力或其他一些力加载

步进电机由驱动器产生的脉冲列车驱动。与完整的360度电机旋转有共同的200步,因此每个完整步骤代表1.8度的旋转。然而,大多数用户选择更精细的踩踏模式 - 称为MicroRoStepping - 例如每次旋转的半步,四分之一步骤甚至高达10,000或50,000步(图2)。

Microstepping提供了更平滑的操作,具有一些权衡,因为由于微电影模式变得更精细,因此控制器所需的最大脉冲频率变得更高。当电机速度的增加时,这也使得步进扭矩下降的点随着电动机速度的增加而下降。

步进归巢和定位验证

出现另一个考虑因素,因为标准步进系统没有内置正闭环反馈,因此必须包括用于归位和定位验证的设计规定,以识别步进电机是否已经停滞或丢失了同步。这些行动很简单,但需要一些编程工作,提高前端设计考虑因素,并且有可能在执行时消耗运行时间。

正如在读取负载前必须将天平调至零一样,步进系统也必须经过寻的过程,为未来的移动建立一个位置基线。归航过程必须在调试或上电过程中执行,并可能在运行过程中定期执行。

位置验证类似于归航,但更像是操作过程中的快速检查,以确认位置是否符合预期。它可以间歇地执行,尽管最严格的应用程序可能需要每个周期验证一次或多次。

通过将设备驱动到由位置开关监测的已知位置来执行归位和定位验证。也可以在步进电机或驱动设备上安装增量或绝对编码器,以监控运动活动,提供伪闭合的位置验证方法。

六种运动控制应用增加复杂性

无论是采用伺服系统还是步进系统,通常都使用控制器来控制电机的旋转。以下是一些典型的运动控制类型(根据复杂性的增加):

  1. 以恒定速度旋转
  2. 旋转一定程度后停止
  3. 从一个速度加速到另一个速度(线性,或s曲线)
  4. 从停止位置,加速到速度,然后完成一定数量的运动(梯形移动)后减速回零速度
  5. 与外部编码器(传动装置)的速度匹配
  6. 跟随凸轮轮廓(跟随一个复杂的运动轮廓基于外部编码器输入)。

基本步进驱动器是不智能的,因为它们只是接收一个由控制器命令的脉冲序列,并将其放大以提供电机所需的电压脉冲。一些步进驱动器确实包含控制器,但通常使用外部控制器,如plc或具有高速数字输出的pc。特别是,与高速离散输出卡和步进驱动器一起使用的plc对单轴控制很有吸引力,因为许多自动化机器已经使用了plc。

图3:像AutomationDirect这样的供应商提供传统的直流步进系统(top),这需要单独的电源,以及高母线电压步进系统,使兼容的步进电机实现更高的扭矩和速度,以便它们可以在更多的应用中工作。礼貌:AutomationDirect

图3:像AutomationDirect这样的供应商提供传统的直流步进系统(top),这需要单独的电源,以及高母线电压步进系统,使兼容的步进电机实现更高的扭矩和速度,以便它们可以在更多的应用中工作。礼貌:AutomationDirect

更新的步进:更多的功率,交流电源,更高的扭矩

典型的步进电机驱动器必须通过低电平DC电压(12V,24V等)提供,但可以提供120 / 230V AC的更新设计并产生相应的更高的总线电压(图3)。这反过来使兼容电机能够以比标准的脚步机更高的速度实现更高的扭矩。

步进电机可提供各种标准的NEMA尺寸。它们的尺寸紧凑,使其易于设计成机械。较大的版本可用,例如NEMA 42,提供7.5 HP AC感应电机的等效扭矩(低速)。

因为步进电机没有其他电机类型的过载能力,一个行业的经验法则是大小步进电机和驱动器,因此预期负载使用只有50%的可用扭矩,以避免潜在的失速条件。设计师还必须牢记步进器的速度限制。总是查看步进电机的速度-转矩曲线,以确定电机将能够提供足够的转矩在应用程序所需的速度。

用于踏板电机的更广泛的应用

大多数设计人员熟悉使用AC Incuction和DC电机进行基本设备移动,并且他们知道伺服电机是用于更苛刻的运动控制应用等机器人的高性能解决方案。

对于需要精确的单轴或简单的多轴运动的低功效,步进电机系统可以提供可靠的运动控制,伺服系统成本约为25%。较新的高总线电压步进硬件提供改进的扭矩特性,使台山脉适用于更多应用。设计人员应与提供步进电机选项组合的供应商合作,看看它们是下一个项目的有利选择。

乔康贝尔是运动控制产品的产品经理自动化程度。由Mark T. Hoske,Content Manager编辑,控制工程CFE媒体与技术,mhoske@cfemedia.com。

关键词:运动控制,步进电机使用

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乔康贝尔
作者生物:乔康贝尔那product manager for motion control products at AutomationDirect, has more than 25 years’ experience with automation, motors, drives, motion control, and servos, and has worked as engineering manager at a packaging original equipment manufacturer (OEM) and at a multi-axis motion control integration firm. Joe holds a BSEE degree from Georgia Tech.