步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器:幫助確定正確選擇的因素
步進(jìn)電機(jī)和基于步進(jìn)的線(xiàn)性致動(dòng)器通常用于開(kāi)環(huán)運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備和設(shè)備。這些產(chǎn)品和系統(tǒng)種類(lèi)繁多,如實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、視覺(jué)系統(tǒng)、分析設(shè)備、辦公產(chǎn)品、航空航天、通信系統(tǒng)、半導(dǎo)體設(shè)備和輕工業(yè)設(shè)備。
步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的兩種基本類(lèi)型
步進(jìn)電機(jī)和基于步進(jìn)的線(xiàn)性致動(dòng)器的兩種主要驅(qū)動(dòng)IC類(lèi)型是L/R驅(qū)動(dòng)器和斬波器驅(qū)動(dòng)器。選擇驅(qū)動(dòng)器類(lèi)型的一些標(biāo)準(zhǔn)包括:
- 驅(qū)動(dòng)IC的成本
- 驅(qū)動(dòng)器的物理大小和配置
- 可用電源
- 驅(qū)動(dòng)器的額定輸出電流
- 運(yùn)動(dòng)占空比
- 電機(jī)上的總負(fù)載
- 電機(jī)所需轉(zhuǎn)速范圍
L/R 驅(qū)動(dòng)器
將L/R驅(qū)動(dòng)IC視為“恒壓”驅(qū)動(dòng)IC。對(duì)于在室溫環(huán)境中連續(xù)工作電機(jī),您基本上將L/R驅(qū)動(dòng)IC的可用電源電壓與電機(jī)的額定線(xiàn)圈電壓相匹配。關(guān)于名稱(chēng)L/R驅(qū)動(dòng)IC,L是電感的電氣符號(hào),R是電阻的電氣符號(hào)。由于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩與安培匝數(shù)成正比,因此通過(guò)電機(jī)繞組的電流決定了任何速度(包括零)下的輸出性能。
在靜止時(shí),通過(guò)繞組的最大“保持電流”電流受到線(xiàn)圈電阻的限制。隨著步進(jìn)速率(電機(jī)速度)的增加,線(xiàn)圈電感與反電動(dòng)勢(shì)一起成為主要的限流系數(shù)(限制線(xiàn)圈電流的變化率)。反電動(dòng)勢(shì)是與電機(jī)繞組在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的速度成比例的產(chǎn)生電壓,其工作電壓與源電壓相反,因?yàn)槊總€(gè)電機(jī)也是一個(gè)發(fā)電機(jī)。
與使用斬波器驅(qū)動(dòng)器相比,使用L / R驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行的電機(jī)的性能范圍相對(duì)有限。L/R驅(qū)動(dòng)IC的源電壓與電機(jī)電壓之比基本上是1:1,而對(duì)于斬波器驅(qū)動(dòng)器,它可以是許多倍數(shù),例如2:1,4:1,8:1或更高(見(jiàn)圖3)。
圖1.Can堆疊線(xiàn)性步進(jìn)電機(jī),用于各種醫(yī)療應(yīng)用,包括電動(dòng)手持式移液器
選擇L/R驅(qū)動(dòng)器而不是斬波驅(qū)動(dòng)器的一些原因可能是驅(qū)動(dòng)器成本較低,物理尺寸較小,電機(jī)速度范圍相對(duì)較慢,使用單極電機(jī)或使用電池電源的限制。使用帶有小型步進(jìn)式線(xiàn)性致動(dòng)器的L/ R驅(qū)動(dòng)器和基于小型步進(jìn)的線(xiàn)性致動(dòng)器的產(chǎn)品的一個(gè)很好的例子是手持式電動(dòng)移液器,如圖1所示。
通常,步進(jìn)電機(jī)和基于步進(jìn)的線(xiàn)性致動(dòng)器制造商發(fā)布的L/R驅(qū)動(dòng)器性能曲線(xiàn)是使用電機(jī)引線(xiàn)處的全額定電機(jī)電壓以每秒零步進(jìn)的速度開(kāi)發(fā)的。如果驅(qū)動(dòng)電路中存在任何電壓降,則直流電源電壓將設(shè)置得略高,以補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)器中的總電壓損耗。
斬波器驅(qū)動(dòng)器
圖2.PC可編程的創(chuàng)意驅(qū)動(dòng)器
將此類(lèi)型視為“恒流”驅(qū)動(dòng)IC。對(duì)于室溫環(huán)境中的連續(xù)負(fù)載電機(jī)操作,您可以將斬波器驅(qū)動(dòng)器的輸出 RMS(均方根)電流設(shè)置為電機(jī)的額定 RMS線(xiàn)圈電流。關(guān)于斬波器驅(qū)動(dòng)器的名稱(chēng),這種在整個(gè)可用速度范圍內(nèi)保持適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)相電流水平的技術(shù)是通過(guò)成比例的占空比快速打開(kāi)和關(guān)閉(即斬波)相對(duì)較高的源電壓,同時(shí)電路監(jiān)控電機(jī)繞組中的電流水平。斬波器驅(qū)動(dòng)器可以是獨(dú)立的單元,也可以與電機(jī)集成。有關(guān)緊湊型獨(dú)立斬波器驅(qū)動(dòng)器的示例,請(qǐng)參見(jiàn)圖2。
如果應(yīng)用在中等溫度環(huán)境中具有相當(dāng)短的占空比(即相對(duì)于OFF或較低電流零運(yùn)動(dòng)保持時(shí)間的全通電或運(yùn)行時(shí)間),則可以使用更高的運(yùn)行電流幅度來(lái)提高電機(jī)的運(yùn)動(dòng)性能;但是,在使用這種高于額定值的運(yùn)行電流時(shí)必須小心。電流水平和導(dǎo)通時(shí)間與保持或關(guān)閉時(shí)間的關(guān)系,以及環(huán)境溫度和任何電機(jī)冷卻方法(傳導(dǎo)、對(duì)流等)將決定內(nèi)部線(xiàn)圈溫度。如果需要非常高的相電流,建議咨詢(xún)電機(jī)制造商。
圖3.源電壓比對(duì)電機(jī)性能的相對(duì)影響
斬波器驅(qū)動(dòng)器中的附加電路可感測(cè)相電流的大小并控制電壓斬波,可能會(huì)提高其價(jià)格(與L/R驅(qū)動(dòng)IC相比),但它可以幫助在整個(gè)相對(duì)較寬的速度范圍內(nèi)保持高水平的電機(jī)扭矩或力。斬波器驅(qū)動(dòng)器的電源電壓通常遠(yuǎn)高于電機(jī)的額定電壓。如L/R驅(qū)動(dòng)部分所述,斬波器驅(qū)動(dòng)的源電壓與電機(jī)電壓比通常明顯高于1:1,通常為8:1甚至更高;因此,相對(duì)性能范圍可以大大提高(見(jiàn)圖3)。
相對(duì)低壓步進(jìn)電機(jī)和執(zhí)行器的電感明顯小于其機(jī)械等效電機(jī)的較高額定線(xiàn)圈電壓。為了在較寬的速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)非常好的電機(jī)性能,請(qǐng)選擇在相對(duì)較高的源電壓下使用斬波器驅(qū)動(dòng)運(yùn)行的低壓電機(jī)。低壓電機(jī)的相對(duì)低電感和較低的反電動(dòng)勢(shì)特性與高源電壓斬波器驅(qū)動(dòng)相結(jié)合,可以提供出色的性能結(jié)果。這些低壓電機(jī)配置的主要要求是驅(qū)動(dòng)器必須能夠提供更高水平的相電流。
作為警告,一些斬波驅(qū)動(dòng)器制造商將其產(chǎn)品的輸出相電流水平宣傳為峰值;使用較大的值通常是一種營(yíng)銷(xiāo)策略。步進(jìn)電機(jī)和基于步進(jìn)的線(xiàn)性致動(dòng)器的連續(xù)占空載相電流通常額定值為RMS值(RMS = 峰值×0.707)
配置和功能
步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器可以有其他配置和功能:
- 雙極驅(qū)動(dòng)IC。用于操作4引腳或8引腳雙極步進(jìn)電機(jī)和基于步進(jìn)的線(xiàn)性致動(dòng)器。
- 單極驅(qū)動(dòng)IC。用于操作6或8引腳單極步進(jìn)器和執(zhí)行器(通常為L(zhǎng)/R型驅(qū)動(dòng)IC)。
- 非可編程驅(qū)動(dòng)IC。需要來(lái)自控制器的數(shù)字“脈沖”和“方向”輸入(有些包括“輸出使能”數(shù)字輸入)??刂破鳛槊總€(gè)電機(jī)步進(jìn)向驅(qū)動(dòng)器輸出單個(gè)脈沖,并向驅(qū)動(dòng)器輸出一個(gè)脈沖流,以便電機(jī)“索引”精確的量。驅(qū)動(dòng)器的脈沖量決定了旋轉(zhuǎn)或線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)的數(shù)量,脈沖序列的頻率分別決定了步進(jìn)電機(jī)或線(xiàn)性致動(dòng)器的旋轉(zhuǎn)或線(xiàn)性速度。
- 可編程驅(qū)動(dòng)器。這些驅(qū)動(dòng)器包含一個(gè)微處理器,除了立即執(zhí)行電機(jī)命令外,還可以執(zhí)行各種運(yùn)動(dòng)控制程序。這些驅(qū)動(dòng)器可以在任何方向上以各種速度實(shí)時(shí)或在用戶(hù)指定的程序控制下具有幾乎任何數(shù)量的電機(jī)索引。大多數(shù)可編程驅(qū)動(dòng)器具有一些通用(GP)數(shù)字輸入/輸出(I / O),用于與其他設(shè)備通信或控制(從而提供協(xié)調(diào)的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制),并且還具有一些基于GP輸入,相對(duì)電機(jī)位置和/或編碼器反饋數(shù)據(jù)的條件功能。
- 半步模式以及標(biāo)準(zhǔn)全步模式。在半步進(jìn)模式下,驅(qū)動(dòng)器可以電子方式將步進(jìn)電機(jī)的每個(gè)全步分成兩半;例如,具有15°全步轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī)可以在半步進(jìn)模式下以7.5°步進(jìn)角運(yùn)行。1.8°步進(jìn)電機(jī)可以以0.9°的半步增量運(yùn)行,依此類(lèi)推。同樣,使用半步進(jìn)模式,基于步進(jìn)的線(xiàn)性致動(dòng)器的線(xiàn)性分辨率可以分成兩半。
- 微步進(jìn)模式。微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器可以電子方式將步進(jìn)電機(jī)或致動(dòng)器的每個(gè)完整步進(jìn)劃分為比半步進(jìn)更精細(xì)的離散步進(jìn)角。典型的除法系數(shù)有1/4、1/8、1/16、1/32等,和/或1/5、1/10、1/25、1/50等。微步進(jìn)電機(jī)的四個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是提高旋轉(zhuǎn)或線(xiàn)性分辨率,更平穩(wěn)的運(yùn)行,減少可聽(tīng)見(jiàn)的動(dòng)態(tài)噪聲以及減少動(dòng)態(tài)共振。這些優(yōu)勢(shì)的權(quán)衡是電機(jī)步進(jìn)精度和可重復(fù)性降低,特別是在負(fù)載條件下。
- 編碼器輸入。有許多應(yīng)用可能需要速度驗(yàn)證和/或位置驗(yàn)證方法,例如某些醫(yī)療設(shè)備,氣體或液體流量調(diào)節(jié),通信設(shè)備或微電子學(xué)。為了關(guān)閉基于步進(jìn)系統(tǒng)的回路,集成的電機(jī)安裝或負(fù)載連接的旋轉(zhuǎn)或線(xiàn)性編碼器基本上可以“告訴”這種類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)器,電機(jī)是否成功達(dá)到命令步進(jìn)速率和/或已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了每次移動(dòng)的真實(shí)命令位置。如上所述,編碼器還可以恢復(fù)使用精細(xì)微步進(jìn)模式時(shí)電機(jī)步進(jìn)精度的顯著損失。
圖4.非斜坡性能曲線(xiàn),適用于具有100%占空比斬波器驅(qū)動(dòng)的17號(hào)雙極混合式線(xiàn)性步進(jìn)電機(jī)
- 加速/減速 斜坡。為了幫助獲得相對(duì)更大的負(fù)載移動(dòng)和/或?qū)崿F(xiàn)更高的電機(jī)步進(jìn)率(可能不必更改為物理上更大的電機(jī)),通??梢酝ㄟ^(guò)許多步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)加速/減速斜坡的使用。如典型的已發(fā)布(非斜坡)速度與扭矩的關(guān)系曲線(xiàn),或步進(jìn)電機(jī)或基于步進(jìn)的執(zhí)行器的速度與力的性能曲線(xiàn)所示,電機(jī)速度越慢,輸出扭矩或輸出力就越高。有關(guān)線(xiàn)性致動(dòng)器非斜坡性能曲線(xiàn)的示例,請(qǐng)參見(jiàn)圖4。
為了從較低的速度、較高的力水平中受益,旋轉(zhuǎn)或線(xiàn)性移動(dòng)曲線(xiàn)可以包括以相對(duì)較低的基本速度從靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始的初始啟動(dòng),然后立即開(kāi)始上升到所需的高速,然后在還需要減速斜坡時(shí)反轉(zhuǎn)此技術(shù)。正如我們必須將重型機(jī)動(dòng)車(chē)輛從死捊加速一樣,步進(jìn)電機(jī)和執(zhí)行器通??梢酝ㄟ^(guò)使用斜坡來(lái)移動(dòng)相對(duì)較大的負(fù)載。為了繼續(xù)這個(gè)類(lèi)比,它需要額外的功率(即傳統(tǒng)車(chē)輛的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械馬力或電機(jī)的電力)才能加速,然后,根據(jù)負(fù)載的類(lèi)型,可能需要更少的功率來(lái)保持恒定速度的運(yùn)動(dòng)。圖 5 是斜坡運(yùn)動(dòng)可能帶來(lái)的性能優(yōu)勢(shì)的示例。
圖5.線(xiàn)性執(zhí)行器性能,帶或不帶斜坡
- 相電流“升壓”功能。一些斬波器驅(qū)動(dòng)器提供在任何加速和/或減速斜坡的部分或全部期間設(shè)置升壓相電流(高于連續(xù)額定電流的大小)的選項(xiàng)。通常,升壓電流水平的有效時(shí)間在斜坡期間是有限的,以防止電機(jī)繞組過(guò)熱。加速斜坡期間的這種升壓電流可以增加電機(jī)的內(nèi)部扭矩,使電機(jī)從靜止位置獲得相對(duì)較大的負(fù)載。同樣,減速斜坡期間的升壓電流可以幫助阻止相對(duì)較大的移動(dòng)負(fù)載。
結(jié)論
總之,在使用步進(jìn)電機(jī)或基于步進(jìn)的線(xiàn)性致動(dòng)器設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備或系統(tǒng)時(shí),可能需要考慮許多因素。其中一個(gè)關(guān)鍵組件是步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器,其選擇最好由各種因素決定,例如類(lèi)型,物理尺寸,電壓和電流額定值,可用的步進(jìn)模式,可控性和可編程性,斜坡和/或電流提升選項(xiàng),以及成本和交付周期。
根據(jù)負(fù)載和占空比,步進(jìn)電機(jī)或基于步進(jìn)的致動(dòng)器的性能顯著提高或能效的提高通??梢酝ㄟ^(guò)正確選擇驅(qū)動(dòng)類(lèi)型(以及驅(qū)動(dòng)器的任何可選功能)和電源來(lái)實(shí)現(xiàn)。
侵權(quán)必刪
Please let us know if there is any infringement