在运动控制应用中如何在直流电动机和步进电动

文章来源:锐特步进电机 时间:2019-12-11 09:47:17 浏览:

  我发现自己定期设计运动控制系统,并将其作为医疗设备内部机制的一部分。

  如今,我主要使用两种类型的电动机:直流电动机和步进电动机。我发现,只要了解这些电动机的工作方式以及通常的使用方式,就可以更轻松地确定为特定应用选择哪种电动机。

  根据情况,一个可能比另一个更有意义。这可能取决于实际的设备要求,但也可能取决于开发预算和时间表以及开发团队的技能。

  直流电动机通常具有绕磁场移动的绕组,该磁场从北向南波动,每转又旋转一次。当磁场中的绕组线中流过电流时,会根据洛伦兹力方程产生力。该力与电流成比例,并且与磁场成比例。布置绕组,使得当一些绕组穿过最小或没有磁场的区域时,其他绕组仍在强磁场的区域中。

  为了在整个旋转过程中保持绕组上力的方向和大小一致,电流必须从绕组切换到绕组,再从一个方向切换到另一个方向。传统上,这是通过在旋转触点上摩擦导电电刷来完成的,尽管通常通过电子设备来完成此任务,例如直流无刷电机。
 

  直流电动机的转矩曲线可以非常平滑,从而实现安静,无振动的运行。

  如果不断增加的机械负载施加到以恒定电流供电的旋转电机上,则电机将减速并最终克服其产生的转矩而反向旋转。在运动控制应用中,控制系统监视位置误差,并通过增加施加的电流来适应不断增加的负载。该系统在负载变化的情况下以相对较高的平均效率运行。

  随着绕组在不断变化的磁场中移动,它们会产生电压。电压与电动机速度成正比。在给定的系统电源电压下,可用峰值转矩将随着电动机的加速而减小。

  要使用直流电动机制造运动控制系统,您需要电动机,驱动器或放大器以及传感器来测量位置。这样的系统通过闭环反馈进行操作:所需位置与测量位置之间的误差用于计算施加到电动机的驱动方向和大小。通过应用控制理论可以最好地实现这样的系统,否则结果可能很差,不稳定甚至是灾难性的。

  这种系统的优点是:安静,无振动的运行;良好的效率和对系统位置的独立了解。如果系统必须快速,准确,安静且高效,那么直流电动机是一个不错的选择,尽管准备好掌握您的控制理论并花费一些时间和精力来仔细调整控制回路。

  传统的步进电机不同于直流电机。随着步进电机的转动,每个绕组的电感每转会通过峰值和谷值波动数次。通电的绕组从峰值移动到谷底时会产生转矩,从而降低了磁场中存储的能量。场能量的这种减少直接转化为机械功。

  现代的步进电机通常使用混合方法,通过将这一原理与永磁体产生的力相结合来产生扭矩,但不会改变基本的功能特性或使用方式。

  使步进电动机旋转还涉及顺序地给绕组通电。在任何特定的通电绕组状态下,电动机都会向特定的稳定位置施加扭矩。当转子沿该方向旋转时,产生的扭矩减小。如果需要进一步运动,则必须给下一个相邻的绕组状态通电,如此等等。缠绕状态的每次提前通常称为“台阶”。每步的转矩分布是非常不规则的-在每一步中从最大值变化到最小值-并在操作过程中导致明显的振动和声音。

  如果对步进电机施加越来越大的机械负载,则转子将从其当前的步进位置开始旋转,并且转矩将增加到一个极限,超过该极限,电机将向后滑入相邻的波谷或什至更远。步进电机通常由恒定电流驱动。为了提高步进器抵抗失步的能力,必须增加电流,从而降低系统的平均效率。

  产生更高的转矩需要将更多的能量投入到绕组的磁场中。在任何给定的系统电压下,以更多的能量对电感“充电”会花费更多的时间。同样,当电动机移至下一步时,必须将被推入每个绕组的能量倾倒掉。这施加了实际的效率损失。与直流电动机一样,在任何给定时间,最大可用转矩都受到电动机速度的限制。

  步进电机的主要用途是前馈运动控制应用。仅需要一个步进器,一个驾驶员和一个原位传感器。像这样的系统通过依次使电动机向后或向前前进所需的步数来进行操作。因为位置控制是相对的,而不是绝对的,所以系统必须在复位时运行到原点传感器才能确定其真实位置。从那时起,它就以沉迷的方式运作。如果系统由于机械负载的波动而失去步长,那么系统对位置的理解将是错误的,只能通过归位来纠正。对于机械负载波动较大且期望扩展运行的系统,失步可能是一个大问题。

  步进系统的优势在于它们在机械和概念上都易于设计和制造。对于机械负载相对一致且没有效率限制的系统,步进器可能是一个很好的解决方案。

  总而言之,如果您的运动控制应用程序需要安静,适应高范围的速度和转矩并保持合理的效率,则可以考虑使用直流电动机,但要注意,它的构建和调试可能会更加复杂。

  如果您的运动控制应用程序需要快速构建,不需要高效并且可以听见噪音,则可以考虑使用步进电机。但是请注意,承受较大的机械负载波动可能会引起问题。

  我希望这对现代运动控制应用中使用的两种常见电动机类型提供了新的见解。我很高兴听取读者关于他们使用这两种电机的经验。

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