步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)減少了共振問(wèn)題

加利福尼亞州Rohnert Park-步進(jìn)電機(jī)發(fā)現(xiàn)自己處于各種運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中，從平凡到關(guān)鍵任務(wù)。例如，在X射線天文衛(wèi)星上，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)必不可少的望遠(yuǎn)鏡校準(zhǔn)系統(tǒng)。在車間，步進(jìn)電機(jī)控制金屬?zèng)_壓中使用的板料供料器。但他們有自己的極限。高度無(wú)阻尼 - 大多數(shù)阻尼比為0.02至0.04 - 步進(jìn)電機(jī)存在穩(wěn)定性問(wèn)題。Compumotor電源產(chǎn)品部經(jīng)理斯圖爾特·古德尼克說(shuō)：“動(dòng)態(tài)模型就像彈簧上的質(zhì)量。”與彈簧和質(zhì)量一樣，步進(jìn)電機(jī)可以以延長(zhǎng)其穩(wěn)定時(shí)間的方式產(chǎn)生共振，對(duì)抗高速運(yùn)動(dòng)，并導(dǎo)致全步進(jìn)電機(jī)的不穩(wěn)定性，速度約為1.0 rps。

該公司稱，Compumotor的一款名為Zeta的新驅(qū)動(dòng)器是第一個(gè)在整個(gè)操作范圍內(nèi)解決這些問(wèn)題的驅(qū)動(dòng)器。它不會(huì)改變電機(jī)。

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它具有多項(xiàng)可獲得專利的功能，可大大提高低速和高速阻尼，提高產(chǎn)量，并提供更多可用扭矩。工程師們認(rèn)為，在某些情況下，驅(qū)動(dòng)器可能會(huì)為新應(yīng)用打開(kāi)大門(mén)甚至更換伺服電機(jī)。

Zeta的秘訣在于三種不同的技術(shù)：電子粘度，主動(dòng)阻尼和失速檢測(cè)。獨(dú)特的是，所有三個(gè)都關(guān)閉電機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)，因此需要單獨(dú)的傳感器和編碼器。

電子粘度會(huì)阻止系統(tǒng)在嘗試停止時(shí)發(fā)生振鈴，減少單個(gè)移動(dòng)的持續(xù)時(shí)間，并提高吞吐量。“我們找到了一種在低速下使電流回路失諧的方法，”電子工程師Christopher Botka說(shuō)。“凈效應(yīng)是我們引入了一個(gè)非常強(qiáng)大的粘性術(shù)語(yǔ)。”在低于3轉(zhuǎn)/分鐘的速度下，電子粘度使阻尼比從0.20增加到0.25，與無(wú)阻尼系統(tǒng)相比，切割沉降時(shí)間減少了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

相比之下，主動(dòng)阻尼僅在3 rps以上起作用(內(nèi)置滯后可防止其與交叉點(diǎn)處的電子粘度發(fā)生沖突)。它可以減少振動(dòng)，抵消15至20轉(zhuǎn)/分鐘的中頻共振，并增加電機(jī)的可用扭矩。與競(jìng)爭(zhēng)的被動(dòng)阻尼技術(shù)不同，可以在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)用主動(dòng)阻尼，而不僅僅是在移動(dòng)結(jié)束時(shí)。它也可以用于微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，而被動(dòng)阻尼則不能。

有源阻尼需要反饋信號(hào)以形成類似于伺服電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)系統(tǒng)。信號(hào)通常由轉(zhuǎn)速計(jì)或其他傳感器提供。雖然這種技術(shù)自20世紀(jì)80年代開(kāi)始使用，但轉(zhuǎn)速計(jì)的費(fèi)用和脆弱性限制了它的使用。

然而，對(duì)于Zeta，工程師開(kāi)發(fā)了一種無(wú)傳感器主動(dòng)阻尼方法，該方法使用電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的信號(hào)。“你知道這個(gè)反電動(dòng)勢(shì)就在那里，”博特卡說(shuō)，“我們問(wèn)道，我們能用這些信號(hào)來(lái)提取位置嗎?”

確實(shí)存在。Goodnick解釋說(shuō)，Zeta使用電機(jī)端電壓和電流作為電子觀察者。通過(guò)查看發(fā)送的信號(hào)和返回的信號(hào)，工程師找到了一種提取轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的方法。“我們提取相位信息，告訴轉(zhuǎn)子看到多少扭矩，”他說(shuō)。“我們對(duì)信號(hào)進(jìn)行縮放，找到轉(zhuǎn)子的速度，然后與命令信號(hào)進(jìn)行差異，以創(chuàng)建一個(gè)有效的回路。”

Zeta與摩擦環(huán)和鐵磁流體阻尼器等傳統(tǒng)解決方案形成鮮明對(duì)比。前者減少了可用扭矩并最終磨損，后者增加了慣性和成本 - 鐵磁流體阻尼器的價(jià)格可能是步進(jìn)電機(jī)本身成本的四倍。產(chǎn)品規(guī)劃經(jīng)理John Walewander表示，在速度大于3 rps時(shí)，阻尼比為0.45，“Zeta超過(guò)了鐵磁流體阻尼器不會(huì)給電機(jī)帶來(lái)任何變化”。

主動(dòng)阻尼還消除了客戶選擇超大型電機(jī)以解決中頻(15至20 rps)共振，振鈴和瞬態(tài)行為的需要。“我們通常建議客戶撥打50%的扭矩安全余量，”Goodnick說(shuō)，“但你不需要使用這種驅(qū)動(dòng)器。”

在研究無(wú)傳感器主動(dòng)阻尼的18個(gè)月中，工程師們還發(fā)現(xiàn)了一種檢測(cè)失速的方法。“當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子失去同步時(shí)，我們使用電機(jī)端子尋找能量脈沖，”Botka解釋道。此功能可以為客戶節(jié)省添加編碼器的費(fèi)用。

雖然該公司沒(méi)有就改進(jìn)的高速性能提出具體要求，但在為Design News進(jìn)行的演示中，工程師們使用標(biāo)準(zhǔn)尺寸23的電機(jī)運(yùn)行速度超過(guò)300 rps。相比之下，典型的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的最大轉(zhuǎn)速為50至150 rps，他們聲稱。

對(duì)澤塔的能力持懷疑態(tài)度?不要把Compumotor的話當(dāng)作它。明尼蘇達(dá)州圣保羅市3M公司的高級(jí)設(shè)計(jì)工程師Mary Slaw-ski在研發(fā)項(xiàng)目中使用了Zeta。該應(yīng)用要求線性定位精度為0.002英寸，電機(jī)轉(zhuǎn)速為0.9 rps。“我們使用的是Compumotor的S-Drive，你可以聽(tīng)到它抱怨，”Slawski說(shuō)。

在嘗試Zeta之后，她相信應(yīng)用程序現(xiàn)在可以開(kāi)環(huán)運(yùn)行。“抗共振電路非常不可思議，”她說(shuō)。“我從來(lái)沒(méi)有見(jiàn)過(guò)那種安靜緩慢的步進(jìn)電機(jī)。”