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如果我們談到運動系統(tǒng)的精度,就會發(fā)現(xiàn)許多因素都對其有影響。考慮系統(tǒng)的精度時,工程師必須知道如何讓步進電機、驅(qū)動器或控制器協(xié)調(diào)配合來獲得理想的運行精度。
一個常見的誤區(qū)就是把系統(tǒng)的精度誤差全部歸結為電機的問題。從步進電機的角度來說,需要滿足一些公差標準,包括機械公差和電氣公差。相繞組電感的不均衡是重要因素,其他一些原因包括極靴、轉(zhuǎn)子的不對準,定轉(zhuǎn)子間氣隙的不均勻,定轉(zhuǎn)子齒槽關系,以及轉(zhuǎn)矩脈動等。達到并持續(xù)控制這些參數(shù)并不是非常困難的事。
我們知道,電機定子繞組的電感量正比于繞組匝數(shù)的平方,只要采用恰當?shù)睦@制工藝就能保證相電感間的一致性。很多步進電機制造商已經(jīng)使用自動繞線設備來保證這種一致性。當然,轉(zhuǎn)子磁性材料也應具備良好的一致性從而保證電機各相電感的一致。其他一些規(guī)格指標則與機械有關。只要制造商使用可靠的、高品質(zhì)的部件及優(yōu)良的工藝控制來保證定轉(zhuǎn)子均勻的磨削量,就能獲得滿意的精度。正如Lin Engineering 公司的Belal Azim所說,由于保證了兩相雙極性步進電機相電感間的誤差在±5%以內(nèi),因此0.9度的步進電機在使用64微步驅(qū)動模式下,定位誤差可以達到±1.5弧分,包括性和準確性。滿足了以上條件,步進電機就可以*達到指標要求。
剩下的任務就是讓驅(qū)動器/控制器告訴步進電機應該運動到哪兒和如何運動,而且不能由于驅(qū)動器自身精度不高而降低了電機的精度。一個細分驅(qū)動器通過給電機繞組提供特定的激磁電流,告訴電機需要運行多少個微步。步進電機運行在整步模式時,精度zui高,因為剛好與電機的機械設計特點相吻合。此時定轉(zhuǎn)子齒正好*對齊,且繞組中流過的電流zui大。隨著細分數(shù)的增加,步矩角相應減小,此時越來越難以保證定位的準確了。
每臺步進電機都有自己特定的性能指標,很多指標都是根據(jù)實際應用要求設計的。為低速使用設計的電機往往電感量比較大,反之為高速設計電機的電感量比較小。為了滿足不同的運動規(guī)律,步進電機設計工程師需要調(diào)整線圈中繞組的設計,以滿足和速度、轉(zhuǎn)矩、電流、電阻以及電感相關的數(shù)學公式。因此,同一臺驅(qū)動器匹配不同電機時呈現(xiàn)出不同的運行性能,同樣,一臺電機匹配不同的驅(qū)動器時轉(zhuǎn)矩特性也不同。 運動控制系統(tǒng)里匹配步進電機和驅(qū)動器的5個簡單步驟:
獲得zui平穩(wěn)運行性能及定位的zui終解決方案就是正獲得zui平穩(wěn)運行性能及定位的zui終解決方案就是正確的匹配電機及驅(qū)動器。當前zui流行的做法就是把驅(qū)動器的輸出電流設計成用戶可調(diào),有些驅(qū)動器可以通過可調(diào)電位器(adjustable trim pot)改變輸出電流波形,有些可調(diào)節(jié)增益,還有一些可以通過圖形用戶界面下載特定的正弦表來適配電機特性??烧{(diào)電位器允許用戶手動調(diào)整驅(qū)動器輸出電流來匹配電機特性而無需了解電機和驅(qū)動器的內(nèi)部技術。然而,對希望獲得*匹配性能的用戶來說這些方法仍有缺陷。
典型的細分模式包括2、4、8、16、32、64、128及256微步;提高細分數(shù)也就相應提高了單步精度(將整步按細分數(shù)等分來提高精度)。例如,一臺0.9度的步進電機如果用64細分的驅(qū)動模式,步矩角可以達到0.014度。當然,驅(qū)動器也必須按照細分規(guī)律提供給電機的電流值。
圖例為4細分驅(qū)動模式下電機各相空間矢量圖以及相電流隨時間變化的示意圖,可以直觀地表示出驅(qū)動器每微步必須給出的電機相電流的大小和方向。從驅(qū)動器的角度來說,輸出電流的主要部件是集成驅(qū)動芯片。驅(qū)動器的性能由芯片的設計決定。其他如選用的MOSFET、電阻電容、電路布線、相應的固件(軟件)以及不合理的散熱方式等也會影響其性能。因此即使驅(qū)動控制芯片能給出平滑且的正弦電流波形,仍然不能保證獲得*的精度。
在相繞組空間示意圖中的位置12處,A相和B相的座標百分值是(100,0)。驅(qū)動器輸出100%的電流給A相,而B相電流為0%。當電機運動到位置13時,座標變成(92,38),此時驅(qū)動器輸出滿電流的92%給A相而B相得到38%。按照這樣的方式對每一步分析就會知道A相和B相電流是兩個互差90度的正弦波。
1. 選擇合適的電機(基于對速度和轉(zhuǎn)矩的要求)。
2. 確認電機技術指標中各相電感之間誤差在±5%以內(nèi)。
3. 選擇合適的驅(qū)動器。如果可能的話,獲得驅(qū)動器輸出的電流波形圖。
4. 確認驅(qū)動器上有提高運行平穩(wěn)性的功能或者選項,如調(diào)節(jié)續(xù)流阻尼深度(慢速或者快速電流衰減)或可調(diào)整電流波形的電位器。
5. 根據(jù)驅(qū)動器特性匹配電機電感量。通常說來,高電感量電機低速性能較好,但是需要驅(qū)動器具備高電流阻尼(快速續(xù)流),能讓電流在續(xù)流期間快速下降。阻尼有助于電感的快速放電。低電感量電機高速性能好,如果驅(qū)動器能提供較低的電流阻尼(慢速續(xù)流),那么這些電機將呈現(xiàn)出良好的工作特性,因為他們在電感能量泄放過程中無需特別的阻尼幫助。對于一些電感量中等的電機來說,可以選擇具備混合續(xù)流能力的驅(qū)動器
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