技術知識

TECHNOLOGY

閉環步進電機的優點:開環與閉環步進電機係統對比
發布日期 : 2020-06-15 18:44:01
步進電機係統是運動控製行業的基礎。
 
步進電機係統從電壓驅動和全步步進的早期開始已經走了很長一段路。首先是PWM驅動器和微步進,然後是數字信號處理器(DSP)和反諧振算法。現在,新的閉環步進技術確保了步進電機在未來幾年將繼續成為運動控製行業的基石。
 
閉環步進電機
 
以上是NiMotion的STM42係列閉環步進電機的剖視圖。
 
無論是線性運動還是旋轉運動,扭矩和效率是確定電機和驅動係統最重要的兩個因素。無論應用設備是自動裝配係統,物料搬運機器,3D打印機,蠕動泵,還是其他應用設備,閉環步進電機是首選,都適用於以上應用場景。
 
閉環步進電機的優勢是成本低、高性能反饋係統和高級DSP來閉合步進運動控製係統的環路。這樣的控製可提高閉環步進電機驅動器的性能,使其優於開環係統。
正如以上丝瓜视频下载地址看到的,這樣一種閉環係統在集成的電機設計中實現,該設計包括反饋設備(編碼器),驅動器和控製器板,電源,通信和I / O電子設備,以及電機側麵和背麵的係統連接器。
 
首先,丝瓜视频下载安装污探討在轉矩和效率方麵,高性能閉環步進電機係統與傳統開環步進電機係統的對比。
 
實驗測試比較了兩個係統的加速度(轉矩),效率(功耗),位置誤差(精度),發熱量和噪聲水平,結果表明,閉環步進電機係統的性能優於開環設置。僅考慮扭矩和加速度之間的關係。轉矩速度曲線顯示了閉環步進係統的峰值和連續轉矩範圍以及開環步進係統的可用轉矩範圍。通常,實際中的扭矩會轉化為加速度,因此,扭矩更大的電機可以更快地加速額定負載。
 

一、開環與閉環步進電機係統的扭矩實驗對比

 
為了在實驗中測試扭矩性能的這種差異,大小相同的開環和閉環步進電機係統將獲得相同的慣性負載。編程命令兩個係統執行相同的運動曲線,隻是每個係統中的加速度和最高速度會緩慢增加,直到出現定位錯誤為止。
 

 
假設開環係統的最大加速度為1,000r/s2,最高速度為10r/s(600 rpm)。10 rev / sec的最高速度與扭矩-速度曲線的平坦部分結束的位置相關。閉環係統(由於其更高的扭矩產生能力)獲得的最大加速速率為2,000r/s2,最高速度為20r/s(1,200 rpm)。這是開環係統性能的兩倍,並且將移動時間縮短了近一半,從110ms降低到60ms。
 
對於需要高吞吐量的應用程序(例如分度,邊緣導軌定位和拾取和放置係統),閉環步進電機係統具有明顯的性能優勢。
 

二、開環與閉環步進電機係統的效率

 
為了測量開環係統與閉環係統的相對效率,假設丝瓜视频下载安装污對相同大小的兩個相同電機重複相同的測試。這次,丝瓜视频下载地址使閉環和開環電機在相同的慣性負載下並排運行,但運行編程以保持運動曲線恒定且相等,從而使兩個係統執行相同的工作量。
 


 
當兩個電機重複索引相同的運動曲線時,將測量從向兩個係統供電的直流電源汲取的電流並計算功耗。從圖中可以看出,開環步進係統的平均功耗為43.8瓦,而閉環步進係統的平均功耗僅為其三分之一-平均14.2瓦。功耗上的巨大差異表明了閉環係統的更高效率。現在,所以希望提高開環步進係統的係統效率的用戶都可以考慮將其升級到閉環係統,可以顯著降低能耗。
 

三、開環與閉環步進電機係統的發熱

 
功耗測試的自然延伸是對電機發熱的研究。開環步進係統是簡單的野獸。隻需將驅動器設置為電機的額定電流,無論是否需要產生的轉矩,驅動器將盡其所能一直向電機提供該電流。這通常會導致產生熱量,而不是朝應用功能產生能量-這就是為什麽開環步進係統通常比閉環步進係統運行溫度更高的原因。這也意味著機器設計人員必須采取額外的措施來處理這種熱量,通常是通過在步進電機附近安裝特殊的防護裝置來保護操作人員,該步進電機將在人類操作員附近運行,或者安裝其他冷卻係統(例如風扇)。
 
考慮在實驗室中使用與上述相同的開環和閉環係統進行的電機加熱測試的結果。在此測試中,兩個係統在驅動相同的慣性負載時再次產生相同的功,並允許它們運行直至達到熱平衡。開環係統達到76.0°C的殼體溫度,而閉環係統在僅36.9°C的殼體溫度下達到熱平衡-不到開環係統的一半。電機發熱的顯著降低可能意味著機器製造商降低了零件成本,因為他們可以省略額外的保護和冷卻子係統。
 
 

四、開環與閉環步進電機係統的噪音

 
關於開環步進係統的另一個常見問題是噪音,眾所周知,它們會發出很多可聽見的噪音。在某些環境中,例如實驗室,醫院和辦公室,這種噪聲可能會給機器設計人員帶來幹擾問題。
 
步進電機發出的噪聲源於高電氣頻率和定子齒中的快速磁通變化,並且由於開環係統在滿載電流下運行而不受負載的影響。另一方麵,閉環步進係統僅向電機提供足夠的電流來控製負載,從而減少了可聽見的噪聲。
 

 
為了產生本文隨附的噪聲圖中所示的測試結果,每個係統的噪聲在隔音室內進行測量。與0到20轉/秒的速度相比,閉環係統比開環選項要安靜得多。該速度範圍與最常使用步進電機係統的實際應用速度範圍相吻合,這意味著,如果切換到閉環係統,則絕大多數步進電機應用都可以從降低的電機噪聲中受益。
 

五、閉環步進電機精度更高,可消除位置誤差

 
開環步進電機係統因其無需反饋係統即可精確定位負載的能力而倍受讚譽,但前提是開環係統具有足夠的轉矩,從而在正常運行期間不會發生位置誤差。
 

 
為了提高精度並實現更強大的係統設計,圍繞來自編碼器的反饋來閉合伺服位置環可使閉環係統自動補償轉矩需求的增加,否則轉矩需求的增加會導致開環係統中的位置誤差。這極大地提高了整體係統的準確性,特別是對於高精度動態的應用(例如取放係統和3D打印機),這些應用需要快速的移動和方向的頻繁變化。
 

六、升級現有步進係統

 
從開環到閉環步進電機係統,集成步進電機係統中的組件,電機、功率放大器和通信成本通常不會增加。控製設備可能需要更強的集成處理能力或內存來對電機進行伺服控製,但是這些通常不會對價格產生影響。開環和閉環步進係統之間的大部分成本差異在於添加了高性能反饋設備,但是隨著技術的改進使這些設備的價格越來越低。因此,現在,閉環步進電機係統保持了開環步進係統相對於其他類型的定位係統(例如傳統伺服係統)的成本優勢,但幾乎在所有方麵都大大提高了性能。通常,閉環係統的節能和增加的數量迅速彌補了反饋設備成本的小幅增長。
 
除了最低限度的成本增長外,閉環係統可提供的更大轉矩意味著閉環步進電機的軸直徑可能更大,但是通常隻需簡單地更換聯軸器就可以很容易地解決這一問題。