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步进电机在自动化应用中应避免的常见错误

时间:2019-08-21 12:01


步进电机为自动化行业提供了一种经济高效且简单的方法,可以在各种应用中以数字方式控制运动 - 包括包装设备,3D打印机,物料搬运和分拣线,台式CNC机器等。它们是许多旋转和线性定位轴的关键部件。

步进电机的成本 - 性能优势在于其简单性和在开环控制方案中精确定位的能力,而无需从电机到控制器的任何反馈。要获得开环步进系统的最佳性能优势,需要了解如何在应用中指定和安装步进电机。以下是六个常见的错误,步骤电机用户,无论是新手还是经验丰富的人都可以轻松避免。


1.电机的扭矩规格高于我在实践中看到的扭矩规格

在计算在应用中移动负载所需的扭矩之后,用户基于(1)电动机的保持转矩规格或(2)速度 - 转矩曲线选择步进电动机。 一旦安装并耦合到负载,电动机就不会产生预期的扭矩量。


第一个错误是使用保持扭矩作为指定步进电机的性能指标。 保持扭矩定义了电机在保持位置而不是移动时产生的扭矩。 它通常是电机在移动时产生的扭矩的不良指示器。


当步进电机开始移动时,即使在几个转速之后,产生的转矩也会从保持转矩值急剧下降。 随着速度的增加,扭矩进一步下降。 因此,请勿仅根据保持扭矩选择电机。 相反,请参考公布的速度 - 扭矩曲线。


第二个错误是无法理解速度 - 扭矩曲线的性质。 速度 - 转矩曲线表示步进电机停转的转矩。 当电动机停转时,转子与定子失去同步,轴停止转动。


为了确保步进电机继续转动并提供足够的扭矩来移动负载,通过估算安全裕度来评估速度 - 转矩曲线。 一种简单的方法是通过想象一条与速度 - 扭矩曲线平行的线,大约是公布曲线高度的1/2到2/3。 该假想线表示步进电机可以可靠地产生的扭矩量,并且具有最小的失速风险。 有关详细信息,请参见下面的图1。

图1  - 步进电机的典型速度 - 转矩曲线。 在制造商公布的数据中,仅显示实线,表示失速扭矩与速度的关系。 用户必须估计可用的扭矩范围,如虚线所示。

2.步进电机太热了;一定有什么问题

步进电机设计为热运行。步进电机中最常用的绝缘等级为B级,额定工作温度高达130°C。这意味着步进电机的表面温度在失效前可达到90°C或更高。这个温度比一个人在没有烧伤皮肤的情况下接触的温度要高得多。因此,请将电机安装在远离人体接触可能性较大的区域。


步进电机设计为在高温下运行,因为它们用于开环控制系统。由于开环步进电机在没有任何电流反馈(或速度或位置反馈)的情况下运行,因此无论转矩需求如何,驱动器提供的电流都是恒定的。


为了从步进电机获得最大的扭矩,制造商在说明时考虑了B级绝缘;因此,电流额定值旨在最大化扭矩输出而不会过热。最终的结果是步进电机产生了很大的扭矩......但是这样做也很热。


3.我可以使用12V电源为电机和驱动器供电吗?

对于任何类型的电动机,不仅仅是步进电动机,电源电压与电动机速度直接相关。随着向系统提供更高的电压,电机可实现更高的速度。伺服和直流电机规定的额定电源电压符合其他额定规格,包括速度,扭矩和功率。


如果规定步进电机的额定电压,则通常不超过电机的绕组电阻乘以额定电流。这对于产生保持扭矩很有用,但是当步进电机移动时很少使用。


与所有电动机一样,当轴开始移动时,步进电机产生反电动势(BEMF)电压,阻止流入绕组的电流。为了产生可用的扭矩,供电电压必须显着高于BEMF。由于没有硬性和快速的规则来指定电源电压的高度,因此用户应查看给定步进电机,驱动器和电源组合的已发布速度 - 转矩曲线。


速度 - 转矩曲线中指定的电源电压是必不可少的信息。如果忽略,例如当公布的曲线使用48 V电源时使用12 V电源,电机将无法达到预期的扭矩。见下面的图2。

图2  - 同一步进电机和驱动器组合的两个速度 - 转矩曲线。 只有电源电压不同。 深绿色线条显示48 V电源的失速扭矩。 浅绿色线显示24 V电源的失速转矩。 12 V电源可以产生更低的曲线

4.'我不能用几个PLC输出运行这个步进电机吗?为什么需要开车?'

两相步进驱动器使用一组连接的八个晶体管来形成H桥。从PLC输出创建等效的H桥需要8个输出。一些带有六根引线的两相步进电机仅用四个晶体管驱动。对于这些,您可以使用四个PLC输出来向前和向后旋转步进电机。然而,步进驱动器不仅仅是简单地对H桥中的晶体管进行排序。


步进驱动器使用总线电压的PWM切换来调节电动机每相中的电流。如前一节关于电压的说明,电源电压必须足够高,以克服BEMF并在速度下产生转矩。


具有微步进功能的步进驱动器进一步细化了PWM开关逻辑,以根据正弦波比较每相中的电流,获得比步进电机的基本步进角更精细的定位。超越最基本的步进驱动器,那些具有轨迹发生器的驱动器可以根据预设的加速和减速率自动升高和降低电机速度。


使用PLC输出来驱动步进电机对于有兴趣剖析步进电机如何工作的人来说可能是一个很好的项目。对于任何严肃的运动控制项目,您需要一个合适的驱动器。


5.“电机很吵......它一定有问题。”

每当步进电机迈出一步时,它会在转子稳定到位时产生一点振铃声(想想弹簧上的经典质量)。振铃是电机的自然谐振频率,它基于电机结构。当马达步骤的频率接近或等于它时,自然共振频率被放大。


当步进电机以全步序列(可用的最低分辨率;等于电机的步进角)和低速(通常在1到5转/秒的范围内)驱动时,这种噪音最为明显。


当用户第一次测试步进电机并且电机未安装并且与任何负载分离时,最常出现噪声问题。在这种情况下,电机可以自由地产生共振,而没有任何阻尼共振的东西。


幸运的是,一些简单的步骤可以减轻共振:


通过安装电机并将电机轴连接到负载,为系统增加机械阻尼。将轴连接到负载会给系统增加一些惯性或摩擦力......这反过来会改变或阻尼电机的固有共振频率。

通过微步进减小步进角。当微步进时,每一步的步进角都小得多,并且自然共振频率被激发得更少。

如果这些步骤都不起作用,请考虑使用步进驱动器,其内置于其当前控制逻辑中的反共振算法。


6.'我需要一个编码器来运行步进电机,对吗?'

不,编码器不需要在开环控制中运行步进电机。步进电机是唯一一种使用开环控制精确重复定位负载的无刷直流电机。其他电机需要某种类型的位置反馈。开环控制适用于以下情况:


运动任务随着时间的推移是相同的。

负载不会改变。

所需的速度相对较低。

未能完成运动任务不会导致严重或危险的机器故障。

如果应用程序不符合规定的标准,请考虑将反馈引入系统以允许某种程度的闭环控制。将步进电机系统中的编码器添加到基本功能中,包括基本上是开环控制但具有微妙,有效的改进,以及步进电机作为伺服控制系统的一部分运行的全闭环控制。请联系您的步进电机和驱动器供应商,以获取有关它们提供的反馈范围和闭环控制选项的信息。

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