霍爾元件在步進(jìn)電機中的應用
發(fā)布人：wxhxkj01
時(shí)間：2021-10-18
來(lái)源：工程師
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在工業(yè)自動(dòng)化中，步進(jìn)電機的應用非常的廣泛，霍爾元件在電機中的應用也很廣泛。例如工業(yè)機器人、3D打印機、計算機硬盤(pán)等都有步進(jìn)電機的身影。傳統的步進(jìn)電機可以控制轉子的角度位置，而不需要傳感器來(lái)控制位置，是一種開(kāi)環(huán)控制系統。
但隨著(zhù)伺服閉環(huán)控制在高速度，高響應，高精度這“三高”上表現越來(lái)越出色，步進(jìn)電機也開(kāi)始往閉環(huán)控制上發(fā)展。越來(lái)越多廠(chǎng)商推出一體化閉環(huán)電機，填補開(kāi)環(huán)的步進(jìn)電機和高性能伺服電機中間階段的空白。當然有人說(shuō)步進(jìn)電機沒(méi)有必要閉環(huán)控制,使用時(shí)不超過(guò)它的允許范圍內使用就可以。閉環(huán)控制的步進(jìn)電機肯定有其價(jià)值, 它針對那些有高要求但又不至于使用伺服電機的場(chǎng)景, 給市場(chǎng)更多的選擇。
閉環(huán)控制下步進(jìn)系統精度提升
首先，大家都知道，步進(jìn)系統便宜過(guò)伺服系統很多。因為其成本低, 在自動(dòng)控制領(lǐng)域步進(jìn)系統占有率還是很高的, 但步進(jìn)系統存在丟步的可能性。雖然有微步驅動(dòng)可以提高步進(jìn)電機的準確性, 但微步并不是完全可靠。有了閉環(huán)控制器, 步進(jìn)系統精度一點(diǎn)不比伺服差了, 只是速度肯定還是沒(méi)法和伺服比。步進(jìn)電機配合閉環(huán)控制以及光柵尺基本可以實(shí)現全閉環(huán)控制，免除機械誤差。在成本遠小于伺服系統的情況下定位精度能達到傳統步進(jìn)電機無(wú)法達到的層次。
閉環(huán)步進(jìn)電機不是單純給步進(jìn)電機配一個(gè)編碼器，而是按照伺服電機系統的工作原理進(jìn)行設計開(kāi)發(fā)。目前最廣泛應用的是電機專(zhuān)用DSP芯片，采用32位的DSP做為主處理器，以保證整個(gè)系統的高響應和高速，可以做到每隔25微秒就可以調整一次電機的電流，同時(shí)也會(huì )配置編碼器。
Leadshine 42CME系列就是應用最新的電機專(zhuān)用DSP芯片和閉環(huán)控制技術(shù)。42CME是采用了1000線(xiàn)的增量光電編碼器，轉矩可以保持在0.2~0.8 N?m。在精度上較普通電機有很明顯的提升，步距角可以控制在±0.09°。精度的提高意味著(zhù)步進(jìn)電機不再為個(gè)別阻力點(diǎn)的安全而降低速度和效率。在阻力點(diǎn)丟失的脈沖，控制器會(huì )在阻力點(diǎn)過(guò)后自動(dòng)恢復速度, 并加速補償回丟失的脈沖。
對于伺服電機來(lái)說(shuō)，在由高速轉為低速時(shí)，不可避免地要過(guò)沖一段距離，然后再糾正。簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)控制器發(fā)一個(gè)脈沖給伺服電機時(shí)，伺服電機往往不是走一個(gè)脈沖，而是走3個(gè)脈沖，然后回退2個(gè)脈沖。在某些特定運動(dòng)場(chǎng)合，這種過(guò)沖是不允許存在的。恰好的是，步進(jìn)電機的特點(diǎn)就是不會(huì )過(guò)沖，結合步進(jìn)電機自身的特點(diǎn)和伺服閉環(huán)的控制方式，在此類(lèi)運動(dòng)場(chǎng)合中有很大的應用空間。
這里可以看一下是全球有名的步進(jìn)系統制造商日本東方電機。他們著(zhù)重推的也是集開(kāi)閉環(huán)控制一體的αSTEP步進(jìn)電機。在位置偏差不到±1.8°工況下，還是采用開(kāi)環(huán)模式，電機運行波形與脈沖指令基本吻合無(wú)延遲。在過(guò)載位置偏差達±1.8°后，切換至閉環(huán)控制對外力影響進(jìn)行修正。
在標準的42系列里，轉矩覆蓋0.3 ～0.77N?m。編碼器選擇的是自家研發(fā)的ABZO機械絕對編碼器，可以利用電動(dòng)機軸檢測±900 轉（1800次旋轉）的絕對位置。東方電機推出的號稱(chēng)永不丟步的步進(jìn)電機在降速曲線(xiàn)不夠的情況下, 出現過(guò)沖或丟步，電機會(huì )自動(dòng)回位糾正。整過(guò)過(guò)程中加減速都經(jīng)過(guò)幾百級的速度平滑過(guò)渡, 不會(huì )有任何突然的振動(dòng)或變化。
市面上其實(shí)有很多電機廠(chǎng)商也推出不少結合閉環(huán)控制的步進(jìn)電機，這里不一一列舉，總的趨勢來(lái)看步進(jìn)電機是朝著(zhù)閉環(huán)或者說(shuō)混合的方向在發(fā)展。這種趨勢會(huì )使步進(jìn)系統逐漸進(jìn)入高精度要求的機器，填補開(kāi)環(huán)步進(jìn)和高性能伺服中間斷檔的空缺。
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