伺服电动机的反馈级步进电机不是伺服电机的完整替代品,但它们可以为许多现实世界应用提供可靠的替代方案。这些运动设计解决方案可提高机器性能而不会破坏银行。
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步进电机是许多运动和位置控制应用的首选。它们可在广泛的尺寸和扭矩评级,并明显比高端伺服电机便宜。所以,让我们谈谈提高步进电机性能的方法,以伺服电机添加反馈装置。
步进电机的优势和缺点到地址
步进电机是无刷直流电机,移动在离散步骤而不是连续扫旋转运动。这些步进运动是由定子内几组电磁线圈产生的磁场位移驱动的。步进电机的运行取决于控制器- 一种电子设备,可在驱动步长运动的序列中为电机定子线圈提供电流。控制器的功能对电机性能产生重大影响。
有几种类型的步进电机可用,但最常见的品种提供了良好的分辨率(每转或更好的阶梯或更好),以及可观的低速扭矩,粗糙的结构,长的使用寿命和相对较低的成本。但是,他们确实有局限性。扭矩输出以较高的转速下降,(简单控制器)步进电机可能受到振铃的影响 - 高频振动。最大的缺点是,即使在定位应用中,基本的步进电机系统也在开环控制下运行。
步进电机响应来自控制器的指令,移动一定的步数,但没有返回关于这个运动是否已经完成的反馈给控制器。因此,如果电机不能完成要求的步进运动,一个越来越大的差异可能会出现在什么控制器假设随着电机轴的转动位置的变化而变化真的轴的位置(以及任何附加的负载或驱动机构)。当电机的扭矩不足以克服机械阻力时,这种不匹配就会发生。事实上,在高转速时,这种不匹配会成为一个严重的问题,因为此时电机的扭矩输出能力有限。这就是为什么设计工程师经常过度指定步进电机-以避免错过的步骤,即使它使步进电机的选择过于庞大和沉重的所有,但最苛刻的运动轮廓。
另一个缺点是,当传统应用的步进电机停止时,电流必须通过电机绕组来保持步进电机轴的位置。这将消耗电力并加热电机绕组和周围的子组件。
用于可靠定位的步进电机系统的反馈
向步进电机系统添加编码器以获得轴位反馈基本上关闭了控制回路。添加这些反馈装置会增加整个系统的成本,但不会像切换到伺服电机那样多。
一种增加编码器反馈的方法是在移动和验证模式。在这种情况下,一个简单的增量编码器添加到步进电机的尾轴。然后,当控制器向电机发出步进命令时,编码器不断向控制器验证命令的运动已经发生。如果电机未能完成所要求的步数,控制器可以要求更多的步数,直到电机达到预期的位置。更复杂的控制器还会增加进入电机的相电流,作为一种提高扭矩的方式,以实现这些额外的步骤。
在这种移动和验证设置中使用的编码器通常具有每次旋转的多个位置的分辨率。
请注意,采用移动-验证模式的设置可能仍然受益于包含超大电机,但不能达到简单开环系统要求的超大程度。
还需要注意的是,这种模式可以帮助智能控制器微调电机的保持电流,以在停止时轻微提高效率……尽管总体能源消耗仍趋于较高。
闭环步进控制与绝对编码器
另一个比较复杂的关键位置控制应用是采用多匝绝对编码器的全闭环控制。这里使用的编码器连接到步进电机的尾轴以监测:
•步进电机的角度位置以及
•步进电机满转数。
在这种配置中,步进电机像一个高极数无刷直流(bldc)电机一样被控制,编码器连续地向控制器提供位置反馈。保持电流提供给电机,然后精确地定制的数量,以保持位置在给定的位置公差。步进电机控制像无刷伺服电机是能源效率和更便宜比一个真正的无刷伺服电机。所以,为什么不使用低成本的步进电机的所有无刷直流伺服应用?
在闭环伺服系统中使用的步进电机有一个真正的无刷直流电动机没有的物理限制。更具体地说,这样操作的步进电机本质上是作为50极无刷电机工作,所以不能实现与伺服电机可能的转速。此外,步进电机转子比真正的无刷直流伺服电机具有更高的惯性,因此不能提供相同的加速度。
当在BLDC模式下使用步进电机时,编码器执行至关重要减刑作用 - 报告电机轴的精确旋转位置......这反过来又可以让控制器为适当的一组定子电磁器供电,以根据需要连续旋转。此外,精密绝对编码器还可以帮助先进的微步控制器在尖端电流中,以减少在更基本的步进电机系统中发生的振铃(振动)。
为基于步进的设计选择正确的编码器
如上所述,简单增量式编码器在移动和验证模式下使用步进电机时可以有效。增量编码器还支持速度控制......虽然步进电机通常不是以稳定速度连续运行的最佳选择。
绝对编码器,报告轴的旋转位置,Excel在临界定位轴上。这些来自自包含的版本(拥有自己的封闭的外壳和轴)或套件形式。这是差异:
•独立编码器需要某种形式的耦合器连接到电机的轴。
•相比之下,机器建设器集成了套件或模块化编码器进入电机或驱动机构,以直接从驱动轴测量旋转运动。这些套件编码器可能内置在电机的外壳中或外部连接到电机的端铃。
绝对磁编码器通过一组霍尔效应传感器测量旋转,是步进电机反馈控制的首选。既可提供独立的组件形式,也可提供组件形式,它们坚固耐用,对灰尘、湿气和其他污染物相对不敏感,而且易于安装。采用套件形式的磁性编码器由一个电子封装(安装在一个小型PCB上)和一个小型的永磁体阵列连接到转轴上。微型版本的这些编码器在自我包含的形式(有外径下降到22毫米)可用于特别小的电机。
Multan磁性编码器可以跟踪电机完成的转动数。这样的编码器是有用的控制电机驱动负载通过减速齿轮,蜗轮蜗杆齿轮,和电缆鼓。这些设备的旋转计数器是围绕检测完整旋转的Wiegand传感器构建的和为计数器电路提供电力。这确保了即使在系统电源不可用时发生旋转时,旋转计数始终准确。
空心轴工具包编码器基于电容测量技术,可以是在较大电动机的驱动端安装旋转测量装置的情况下是有用的选择。这些提供多箱测量范围和30毫米的中心开口。
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