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步進電機在自動化應用中應避免的常見錯誤

時間:2019-08-21 12:01


步進電機為自動化行業提供了一種經濟高效且簡單的方法,可以在各種應用中以數字方式控制運動 - 包括包裝設備,3D打印機,物料搬運和分揀線,臺式CNC機器等。它們是許多旋轉和線性定位軸的關鍵部件。

步進電機的成本 - 性能優勢在于其簡單性和在開環控制方案中精確定位的能力,而無需從電機到控制器的任何反饋。要獲得開環步進系統的最佳性能優勢,需要了解如何在應用中指定和安裝步進電機。以下是六個常見的錯誤,步驟電機用戶,無論是新手還是經驗豐富的人都可以輕松避免。


1.電機的扭矩規格高于我在實踐中看到的扭矩規格

在計算在應用中移動負載所需的扭矩之后,用戶基于(1)電動機的保持轉矩規格或(2)速度 - 轉矩曲線選擇步進電動機。 一旦安裝并耦合到負載,電動機就不會產生預期的扭矩量。


第一個錯誤是使用保持扭矩作為指定步進電機的性能指標。 保持扭矩定義了電機在保持位置而不是移動時產生的扭矩。 它通常是電機在移動時產生的扭矩的不良指示器。


當步進電機開始移動時,即使在幾個轉速之后,產生的轉矩也會從保持轉矩值急劇下降。 隨著速度的增加,扭矩進一步下降。 因此,請勿僅根據保持扭矩選擇電機。 相反,請參考公布的速度 - 扭矩曲線。


第二個錯誤是無法理解速度 - 扭矩曲線的性質。 速度 - 轉矩曲線表示步進電機停轉的轉矩。 當電動機停轉時,轉子與定子失去同步,軸停止轉動。


為了確保步進電機繼續轉動并提供足夠的扭矩來移動負載,通過估算安全裕度來評估速度 - 轉矩曲線。 一種簡單的方法是通過想象一條與速度 - 扭矩曲線平行的線,大約是公布曲線高度的1/2到2/3。 該假想線表示步進電機可以可靠地產生的扭矩量,并且具有最小的失速風險。 有關詳細信息,請參見下面的圖1。

圖1  - 步進電機的典型速度 - 轉矩曲線。 在制造商公布的數據中,僅顯示實線,表示失速扭矩與速度的關系。 用戶必須估計可用的扭矩范圍,如虛線所示。

2.步進電機太熱了;一定有什么問題

步進電機設計為熱運行。步進電機中最常用的絕緣等級為B級,額定工作溫度高達130°C。這意味著步進電機的表面溫度在失效前可達到90°C或更高。這個溫度比一個人在沒有燒傷皮膚的情況下接觸的溫度要高得多。因此,請將電機安裝在遠離人體接觸可能性較大的區域。


步進電機設計為在高溫下運行,因為它們用于開環控制系統。由于開環步進電機在沒有任何電流反饋(或速度或位置反饋)的情況下運行,因此無論轉矩需求如何,驅動器提供的電流都是恒定的。


為了從步進電機獲得最大的扭矩,制造商在說明時考慮了B級絕緣;因此,電流額定值旨在最大化扭矩輸出而不會過熱。最終的結果是步進電機產生了很大的扭矩......但是這樣做也很熱。


3.我可以使用12V電源為電機和驅動器供電嗎?

對于任何類型的電動機,不僅僅是步進電動機,電源電壓與電動機速度直接相關。隨著向系統提供更高的電壓,電機可實現更高的速度。伺服和直流電機規定的額定電源電壓符合其他額定規格,包括速度,扭矩和功率。


如果規定步進電機的額定電壓,則通常不超過電機的繞組電阻乘以額定電流。這對于產生保持扭矩很有用,但是當步進電機移動時很少使用。


與所有電動機一樣,當軸開始移動時,步進電機產生反電動勢(BEMF)電壓,阻止流入繞組的電流。為了產生可用的扭矩,供電電壓必須顯著高于BEMF。由于沒有硬性和快速的規則來指定電源電壓的高度,因此用戶應查看給定步進電機,驅動器和電源組合的已發布速度 - 轉矩曲線。


速度 - 轉矩曲線中指定的電源電壓是必不可少的信息。如果忽略,例如當公布的曲線使用48 V電源時使用12 V電源,電機將無法達到預期的扭矩。見下面的圖2。

圖2  - 同一步進電機和驅動器組合的兩個速度 - 轉矩曲線。 只有電源電壓不同。 深綠色線條顯示48 V電源的失速扭矩。 淺綠色線顯示24 V電源的失速轉矩。 12 V電源可以產生更低的曲線

4.'我不能用幾個PLC輸出運行這個步進電機嗎?為什么需要開車?'

兩相步進驅動器使用一組連接的八個晶體管來形成H橋。從PLC輸出創建等效的H橋需要8個輸出。一些帶有六根引線的兩相步進電機僅用四個晶體管驅動。對于這些,您可以使用四個PLC輸出來向前和向后旋轉步進電機。然而,步進驅動器不僅僅是簡單地對H橋中的晶體管進行排序。


步進驅動器使用總線電壓的PWM切換來調節電動機每相中的電流。如前一節關于電壓的說明,電源電壓必須足夠高,以克服BEMF并在速度下產生轉矩。


具有微步進功能的步進驅動器進一步細化了PWM開關邏輯,以根據正弦波比較每相中的電流,獲得比步進電機的基本步進角更精細的定位。超越最基本的步進驅動器,那些具有軌跡發生器的驅動器可以根據預設的加速和減速率自動升高和降低電機速度。


使用PLC輸出來驅動步進電機對于有興趣剖析步進電機如何工作的人來說可能是一個很好的項目。對于任何嚴肅的運動控制項目,您需要一個合適的驅動器。


5.“電機很吵......它一定有問題?!?/strong>

每當步進電機邁出一步時,它會在轉子穩定到位時產生一點振鈴聲(想想彈簧上的經典質量)。振鈴是電機的自然諧振頻率,它基于電機結構。當馬達步驟的頻率接近或等于它時,自然共振頻率被放大。


當步進電機以全步序列(可用的最低分辨率;等于電機的步進角)和低速(通常在1到5轉/秒的范圍內)驅動時,這種噪音最為明顯。


當用戶第一次測試步進電機并且電機未安裝并且與任何負載分離時,最常出現噪聲問題。在這種情況下,電機可以自由地產生共振,而沒有任何阻尼共振的東西。


幸運的是,一些簡單的步驟可以減輕共振:


通過安裝電機并將電機軸連接到負載,為系統增加機械阻尼。將軸連接到負載會給系統增加一些慣性或摩擦力......這反過來會改變或阻尼電機的固有共振頻率。

通過微步進減小步進角。當微步進時,每一步的步進角都小得多,并且自然共振頻率被激發得更少。

如果這些步驟都不起作用,請考慮使用步進驅動器,其內置于其當前控制邏輯中的反共振算法。


6.'我需要一個編碼器來運行步進電機,對嗎?'

不,編碼器不需要在開環控制中運行步進電機。步進電機是唯一一種使用開環控制精確重復定位負載的無刷直流電機。其他電機需要某種類型的位置反饋。開環控制適用于以下情況:


運動任務隨著時間的推移是相同的。

負載不會改變。

所需的速度相對較低。

未能完成運動任務不會導致嚴重或危險的機器故障。

如果應用程序不符合規定的標準,請考慮將反饋引入系統以允許某種程度的閉環控制。將步進電機系統中的編碼器添加到基本功能中,包括基本上是開環控制但具有微妙,有效的改進,以及步進電機作為伺服控制系統的一部分運行的全閉環控制。請聯系您的步進電機和驅動器供應商,以獲取有關它們提供的反饋范圍和閉環控制選項的信息。

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