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    選擇步進電機或伺服驅動器替代氣缸

      氣動(氣壓)氣缸由于其低的每軸成本和高速/強制能力而被廣泛用于工業自動化。他們在自動化行業中是受歡迎的主力軍已有悠久的歷史。但是,有很多理由使用電動執行器代替氣缸:減少機器停機時間,減少能耗,提高精度和提高速度。另外,電致動器可以由伺服或步進電機與控制設備一起提供動力,以提供線性運動。

      電動直線執行器的優點

      減少停機時間。電動線性執行器(無論是螺桿驅動還是皮帶驅動)的維護成本都很低。潤滑可能是唯一必要的常規維護,并且在執行機構的整個使用壽命期間,對許多螺桿驅動型號進行了潤滑。

      電動執行器通常使用步進電動機或無刷直流伺服電動機來產生扭矩。由于兩個電動機均為無刷電動機,因此除負載軸承外,轉子與定子之間沒有接觸。這消除了電動機的維護,并允許電動機的壽命等于軸承的壽命。

      另一方面,必須定期停用氣缸以進行重建或更換。在全負荷運行期間,根據氣缸的類型,氣缸可能需要每月至少進行一次更換或更換。重建包括清潔;檢查磨損或刮擦的物品;更換密封件,墊子和襯套;并重新涂抹油脂。還必須識別并修理管路和配件中的漏氣。這種維護需要幾個小時的停機時間,這會因生產損失而增加成本。

      減少能源消耗。節能的“綠色機器”趨勢促使制造商考慮一段時間內的能源使用情況。伺服驅動的線性電動執行器僅消耗執行編程運動所需的能量??臻e時消耗很少的能量。

      步進電機在運動過程中可能以其額定電流的100%運行,并且還具有相當大的穩態保持電流。該保持電流會浪費能量,因為無論是否進行任何工作,它都會將轉子鎖定在某個位置。但是,許多步進驅動器可以將電流減小到最小水平。

      氣動缸通常超大尺寸,因為大口徑缸的成本可能不會更高。如果壓縮機的尺寸不正確,或者沒有監測和控制空氣泄漏,則氣動執行器系統會消耗大量能量。氣動系統只有在根據所用氣缸的數量正確確定尺寸并且應用的占空比較高時才有效。

      提高了精度和速度。隨著技術的進步,工程師和最終用戶需要以更低的成本獲得更多功能。在工業自動化的情況下,這意味著產品必須更快地流經生產線,并滿足日益嚴格的規格要求,同時最大程度地減少機器停機時間和能耗。

      電動線性執行器可以滿足這些要求,因為它們可以提供對位置,速度和力的更多控制。高分辨率反饋設備如今很常見,并且可以輕松實現微米級的精度。先進的驅動器調整功能可以補償負載變化,慣性和防止機械共振等情況。電動執行器制造商通常會提供尺寸調整軟件,以根據應用精確調整電動執行器的尺寸,并選擇具有足夠扭矩以達到所需速度的電動機。

      選擇步進或伺服

      在為電動直線執行器選擇電機時,電機類型是主要考慮因素。電動執行器有兩種常見的電動機選擇:步進電動機和伺服電動機,每種都有其優點和局限性。

      步進電機。步進電機的優點是在開環位置控制中可以得到精確控制。開環控制意味著不需要反饋信息來定位電機。由于不需要位置反饋傳感器或相關的電纜,因此與伺服電機相比,可節省成本。

      步進電機的位置通過輸入的脈沖數或步進數來確定。普通的步進電機每步可具有1.8度的機械角,這導致每轉200步。在典型的步進電機中,制造商將指定步距角精度的3%到5%(非累積值)。

      在步進電機中,轉子的許多磁齒(圖1)“鎖定”或對準由通電電機相產生的定子中的電磁極。這種設計在低速時可提供高扭矩,并具有很高的開環位置精度。但是,如果沒有足夠的扭矩來驅動負載,則會導致精度下降,從而導致電動機失步。為了防止步進丟失,運行開環控制的步進電機的尺寸通常比應用中所需的最大扭矩大50%。電機共振是步進電機設計中的常見問題。在特定的速度范圍內可能會產生共振,并可能導致扭矩損失和聽得見的噪音。調整運動曲線,微步速和負載慣量可以減少共振。

      當與電動執行器結合使用時,步進電機在需要每次都在同一位置捕獲圖像的相機系統等應用中提供了很高的可重復性。在這些應用中,高扭矩和轉子對極的鎖定以及3%到5%的步進精度相結合,可提供非常一致的結果,并減少了校正位置誤差所需的圖像處理量。

      步進電動機還具有制動轉矩,該轉矩是當電動機未通電且軸從外部旋轉時在輸出軸上看到的轉矩。當系統掉電時,這很有用,因為止動扭矩可以保持執行器的位置。在許多情況下,這可以防止負載的重量使電動機反向驅動。

      伺服馬達。BLDC伺服電動機在高占空比應用中(與有刷電動機相比)是首選,因為無刷電動機不會造成磨損。在沒有電刷可用于換向的情況下,電機驅動器負責換向。

      電壓和電流感應電路與編碼器位置反饋相結合,可使電機驅動器精確計算轉子位置。這也使駕駛員可以命令電流流向電動機相,從而在任何速度下都能產生最佳轉矩。

      在BLDC電機中,定子中存在三個接線相。在轉子上,幾對永磁鐵與交替的南極和北極對齊。通常,在NEMA-17至NEMA-34機架尺寸上,轉子上有4至8個磁極(圖2)。

      使相繞組通電會在相電磁體和轉子上的磁極之間產生扭矩,從而使轉子旋轉。調整相繞組中的電流量可控制速度。更大的電流會產生更多的轉矩,從而加速轉子和負載。通常,驅動器中存在電流,速度和位置的控制回路,以幫助控制運動。必須對它們進行調整,以滿足每個系統上的性能標準。調整會影響所有伺服運動,包括系統響應時間,位置超調和速度。這種調整要求會使伺服電機系統比步進電機系統更復雜。

      BLDC電動機在整個速度范圍內均保持相對恒定的轉矩。它們還可以輸出短暫的較高轉矩,稱為“峰值轉矩”,在此期間,電流最高可達到連續額定電流的兩倍。伺服電機驅動的線性電動執行器是需要高速和高推力的應用以及對扭矩敏感的應用(例如壓力或焊接應用)的理想選擇。汽車零件的點焊是使用伺服線性致動器的一個很好的例子。焊縫之間的按壓力必須是可重復的,以形成穩定的焊縫。

      速度和扭矩比較

      伺服電機在其大部分速度范圍內可保持幾乎恒定的轉矩。然后,當速度接近電動機的反電動勢極限(速度接近電源電壓水平時,電動機產生的反電壓)時,它會向下傾斜至零,并且不再產生維持轉矩所需的電流。步進電機比BLDC電機以更高的轉矩啟動,即使電機電流要小得多。但是,轉矩會隨著速度的增加而迅速下降。如果需要BLDC電機提供更大的扭矩,則可以增加齒輪箱,但需要支付額外的費用。該圖顯示了相同BLDC電機但變速箱為5:1的扭矩。

      與步進電機不同,伺服驅動的線性電動執行器僅在工作時才消耗能量。即使那樣,它們也僅消耗足夠的能量來執行編程的運動。閑置時,它們只需要很少的能量。

      結論

      確定在給定應用中是否應使用步進或伺服執行器并不總是容易的。氣動缸因其速度/力功能和每軸成本低而廣為人知并得到廣泛使用。帶步進電機的電動執行器具有開環控制功能,可為低速,高轉矩和高重復性應用提供出色的性能和較低的成本。伺服執行器在較高速度和力敏感應用中表現良好。減少機器停機時間,降低能耗,提高精度和速度是可能影響步進或伺服電動執行器之間選擇的因素。


    本文關鍵詞:步進電機,伺服驅動器

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