步进电机提高机器自动化水平
步进电机提高机器自动化水平
由于功能的改进，步进电机已成为工业自动化应用的流行选择。组件集成，软件宏和其他创新有助于简化实施。
工程师依靠运动控制设备来提高自动化工厂车间的效率和生产率，或者至少对其进行维护。由于步进电机的简单实施，有吸引力的性价比，以及低速时的高扭矩，因此被广泛使用。过去，步进电机在苛刻的应用中无法跟上伺服电机的发展，但是最近的进步极大地提高了步进电机的性能，扩大了它们可以发挥积极作用的领域。
步进电机通常用于要求苛刻的应用中，例如这种包装机。
这里是这些进展的概述，另外还概述了用于机器自动化的其他两种领先的运动控制设备：伺服电机和变频驱动器(VFD)。
三种电机/驱动器类型
工程师可以从多种电机，驱动器和控制器中进行选择，以满足当前应用的需求，例如扭矩，速度和尺寸。
步进电动机通常包括电动机，驱动器和控制器。电动机为无刷直流版本，在旋转过程中以相等大小的固定步长运动，但一次仅旋转一步。步进电机的设计和控制简单，不需要调整或调节。它们在低于1,000 rpm的转速下提供出色的扭矩，是同类伺服系统成本的二分之一到三分之一。它们的输出扭矩随着速度(rpm)的增加而减小，从而使其难以操作。不仅如此，在直流供电的应用中，要以高于1,000 rpm的速度获得有用的工作，而在交流供电的应用中，要以高于1,500 rpm的速度很难获得有用的工作。
伺服电动机由电动机，驱动器，控制器和位置反馈设备组成。它们可以在2,000 rpm以上的速度下提供高扭矩，并且在可变负载应用中优于步进电机。与步进电机相比，它们的控制更为复杂，需要调整和调整。位置反馈以及前期成本加上维护成本，使它们的价格超过了步进电机。每个轴大约2,000美元，成本要比步进电机系统高得多。
VFD包括一个交流电动机和一个驱动器，其成本低于步进电动机或伺服电动机，但无法提供定位。但是，即使负载可变，它们也能提供良好的速度控制。在不需要电动机在满负荷下连续运行的应用中，VFD还可以节省能源。此外，VFD具有内置的软启动功能以限制浪涌电流。
让我们详细看一下步进电机系统，并说明进步是如何扩大其应用领域的。
步进电机系统
步进电机设置的三个主要元素是电机，控制器和驱动器。这三个组件与可编程逻辑控制器(PLC)或PC一起使用，二者均可在多个步进电机之间提供监督控制和协调。
所有步进电动机系统均由控制器，驱动器和电动机组成。大多数系统都连接到PLC进行监督控制。
所述控制器精确地调节步骤位置，在该电动机从步骤移动到步骤的速度，和由电机产生的扭矩。它生成驱动器使用的控制信号。步进控制器可以是开环或闭环的。假设电动机处于命令的步进位置并产生所需的转矩，则开环控制器不需要电动机的反馈。闭环控制器使用基于电动机负载的反馈，从而使性能更接近伺服电动机。
所述驱动器放大并从控制器修改信号给电流的大小和方向调节到电机绕组。因此，它将步进电机驱动到所需位置，并以所需扭矩将其保持在该位置。
该步进电机具有必须以特定的顺序被通电，使电机多个线圈通过每个步骤旋转。典型的步进电机每步移动1.8度，相当于每360度旋转200步。一些步进电机以较小的步幅移动，以提供更精确的定位。例如，每步0.9度时，每360度旋转有400步。
步进电机的可重复性，低速时的高扭矩以及最少的维护要求，非常适合许多线性制造过程。常见的线性定位应用包括传送带，导轨定位和XY工作台。
步进电机还具有多种安装选择，可重复性和可靠性，因此在旋转运动应用中也能很好地工作。常见的旋转运动应用是分度台，定尺切割机和贴标机。
组合单位的好处
技术的进步以及最终用户的需求已导致以三种不同方式将三个主要组件组合在一起：驱动器和控制器;驱动器和马达;以及驱动器，电动机和控制器。
这些组合单元具有多个制造优势。与单独的单元相比，它们的占地面积较小，从而节省了空间。而且，这两个或三个组件之间的布线更少(使用控制器，驱动器和电机组合时没有一个)，因此安装成本和错误布线的风险更低。下面是三个组合单元的优点的详细介绍。
控制器和驱动器：消除控制器和驱动器之间的接线。该单元直接从PLC接收指令，并且可以与各种步进电机配合使用。控制器和驱动器的组合对于涉及多个轴的步进电机控制的运动控制应用是一个不错的选择，因为市场上有一些版本可以处理多达六个轴的运动控制。
驱动器和电动机：从机柜中卸下驱动器，从而减少了所需的空间并减少了发热量。这样可以形成较小的外壳，并可能消除冷却组件，例如风扇，热交换器和空调。大批量应用可从电动机/驱动器组合中获得最大的收益，因为它简化了设计而又不降低性能。它还降低了总成本并保证了组件兼容性。一些供应商以行业标准的电机框架尺寸提供这些组合单元，例如NEMA 17或23。
控制器，驱动器和电动机：这种完全集成的步进运动系统消除了控制器，驱动器和电动机之间的电缆连接。通过从机箱中卸下控制器和驱动器，可以最大程度地减少机箱空间和热量的产生。它是三个组合单元中最紧凑，最便宜的选择。
PLC /步进电机通讯
无论是选择单独的组件还是组合单元，仍然需要PLC或PC来提供监督控制和协调。大多数步进电机都与PLC配对，我们现在将详细研究该设计。
自动化的机器和过程通常由PLC控制。除实时控制外，PLC还协调所有受控设备，例如电动机，阀门和气缸，并提供包括数据收集和存储以及远程访问在内的功能。
PLC和步进电机控制器之间的接口既可以通过单独的输入和输出在两者之间进行硬接线，也可以通过数字数据链接。硬接线信号需要大量的接线和相应的安装工作，这开辟了接线错误的可能性。
诸如以太网协议Modbus TCP之类的数字数据链路仅需在PLC与步进电机控制器之间使用一条电缆，即可简化安装。几个步进电机控制器可以连接到以太网中，从而进一步减少了布线。
数字通信更加灵活，只需重新编程PLC和步进电机控制器即可添加新功能，而无需运行新电线。步进电机控制器功能的全部范围，包括控制，监视和诊断，通常都可以通过数字数据链路(全部通过一条以太网电缆)获得。
简化PLC编程
必须对PLC进行编程以命令步进电动机控制器，这通常是一项复杂的任务，需要高度的专业知识。一些供应商提供PLC宏指令，这些指令可以与控制器软件紧密连接，以简化并加快代码生成。这些PLC使用预建的运动控制宏，该宏仅需要编辑参数，而不是生成代码。
与此Jog宏一样，将PLC与步进电机控制器配对时，预构建的PLC宏减少了编程时间和工作量。无需编程，操作员只需设置宏的参数。
例如， IDEC的 WindLDR PLC编程软件与公司的FC6A PLC和AMCI 步进电机控制器结合使用时，可以通过拖放命令进行配置，以控制多达12个运动轴。
PLC与步进电机配对时，通常使用的一些特定命令包括：
顺时针/逆时针方向移动：顺时针(顺时针)方向移动会增加电动机位置计数，逆时针(逆时针)方向会移动。这些命令通常用于为操作员提供对旋转轴的手动控制。慢速移动还可以控制速度而不是位置。进行中时，可以更改点动运行的运行速度，加速度和减速度。
CW / CCW套准移动： CW套准移动增加电动机位置计数，而CCW套准移动减少电动机位置计数。定位移动的另一个功能是，用户可以对驱动器进行编程，以忽略“受控停止”条件，直到完成最少数量的步骤为止。
保持移动：此命令可与某些移动配合使用，以将轴置于受控停止位置。该移动可以恢复并完成，也可以中止。
混合移动：混合移动使操作员可以将几个相对移动串在一起，然后依次运行所有相对移动，而不必停止两次移动之间的轴。可以在任一方向上运行此功能，并且在发出命令时设置方向。不能通过混合移动来反转运动方向。
步进电机系统技术的最新进展是提高效率，灵活性和成本效益。领先的创新之一是将控制器，驱动器和电动机以各种组合使用，以减少所需的占地面积和相应的机柜空间。另一个重要的创新是在PLC编程软件中包含了预构建的宏，以减少编码时间和复杂性。总体而言，这些进步和其他进步有助于简化步进电机系统的实现，以实现更广泛的应用。
步进电动机的作用：第1部分
各种尺寸的超声波清洗机的原始设备制造商(OEM)在安装其步进电机控制系统时遇到问题。其工程师花费大量时间从头开始编写PLC梯形逻辑。
OEM选择升级到FC6A PLC和IDEC的AMCI(组合式步进控制器，驱动器和电机)。这种设计通过将控制器，驱动器和电动机封装在一个外壳中解决了安装问题。组合单元产生了大量的热量。但是，用于安装的电动机前部的法兰充当散热器，并通过降低其工作温度来延长其使用寿命。新设计还使他们能够使用PLC步进电机控制宏，从而减少了编程时间并使他们能够轻松地将代码从一台机器重用到下一台机器，从而降低了拥有成本。
步进电动机的实际应用：第2部分
一家制造商正在设计一种新的回流炉，需要一种简单的方法来控制六个轴以在整个过程中移动印刷电路板。发现最具成本效益的方法是将FC6A PLC与六个AMCI 单元配对，每个单元由控制器，驱动器和电动机组成。由于现有的运动控制宏，该设计易于编程。组合单元的“设备级振铃”功能使公司可以将一个单元菊花链连接到另一个单元;整个系统将识别连接中的链条之一是否中断。
步进电动机的实际应用：第3部分
服务于制药行业的机械制造商需要一种紧凑的台式计量机，以通过控制蠕动泵来分配麻醉药。最终的机器必须与网络兼容，价格要低于同等的伺服器，并且必须易于与PLC配合使用。最终由FC6A PLC和AMCI 组合步进电机组成，以控制泵。该设计提供了比其他步进电机方法更好的价值和可靠性。
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