步進電機驅(qū)動減少了共振問題

加利福尼亞州Rohnert Park-步進電機發(fā)現(xiàn)自己處于各種運動控制應用中，從平凡到關(guān)鍵任務。例如，在X射線天文衛(wèi)星上，步進電機驅(qū)動一個必不可少的望遠鏡校準系統(tǒng)。在車間，步進電機控制金屬沖壓中使用的板料供料器。但他們有自己的極限。高度無阻尼 - 大多數(shù)阻尼比為0.02至0.04 - 步進電機存在穩(wěn)定性問題。Compumotor電源產(chǎn)品部經(jīng)理斯圖爾特·古德尼克說：“動態(tài)模型就像彈簧上的質(zhì)量。”與彈簧和質(zhì)量一樣，步進電機可以以延長其穩(wěn)定時間的方式產(chǎn)生共振，對抗高速運動，并導致全步進電機的不穩(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)動器是第一個在整個操作范圍內(nèi)解決這些問題的驅(qū)動器。它不會改變電機。

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它具有多項可獲得專利的功能，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。工程師們認為，在某些情況下，驅(qū)動器可能會為新應用打開大門甚至更換伺服電機。

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

電子粘度會阻止系統(tǒng)在嘗試停止時發(fā)生振鈴，減少單個移動的持續(xù)時間，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。“凈效應是我們引入了一個非常強大的粘性術(shù)語。”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，與無阻尼系統(tǒng)相比，切割沉降時間減少了一個數(shù)量級。

相比之下，主動阻尼僅在3 rps以上起作用(內(nèi)置滯后可防止其與交叉點處的電子粘度發(fā)生沖突)。它可以減少振動，抵消15至20轉(zhuǎn)/分鐘的中頻共振，并增加電機的可用扭矩。與競爭的被動阻尼技術(shù)不同，可以在驅(qū)動電動機時應用主動阻尼，而不僅僅是在移動結(jié)束時。它也可以用于微步進驅(qū)動器，而被動阻尼則不能。

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

然而，對于Zeta，工程師開發(fā)了一種無傳感器主動阻尼方法，該方法使用電機反電動勢產(chǎn)生的信號。“你知道這個反電動勢就在那里，”博特卡說，“我們問道，我們能用這些信號來提取位置嗎?”

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

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格可能是步進電機本身成本的四倍。產(chǎn)品規(guī)劃經(jīng)理John Walewander表示，在速度大于3 rps時，阻尼比為0.45，“Zeta超過了鐵磁流體阻尼器不會給電機帶來任何變化”。

主動阻尼還消除了客戶選擇超大型電機以解決中頻(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，“但你不需要使用這種驅(qū)動器。”

在研究無傳感器主動阻尼的18個月中，工程師們還發(fā)現(xiàn)了一種檢測失速的方法。“當轉(zhuǎn)子與定子失去同步時，我們使用電機端子尋找能量脈沖，”Botka解釋道。此功能可以為客戶節(jié)省添加編碼器的費用。

雖然該公司沒有就改進的高速性能提出具體要求，但在為Design News進行的演示中，工程師們使用標準尺寸23的電機運行速度超過300 rps。相比之下，典型的電機和驅(qū)動器的最大轉(zhuǎn)速為50至150 rps，他們聲稱。

對澤塔的能力持懷疑態(tài)度?不要把Compumotor的話當作它。明尼蘇達州圣保羅市3M公司的高級設計工程師Mary Slaw-ski在研發(fā)項目中使用了Zeta。該應用要求線性定位精度為0.002英寸，電機轉(zhuǎn)速為0.9 rps。“我們使用的是Compumotor的S-Drive，你可以聽到它抱怨，”Slawski說。

在嘗試Zeta之后，她相信應用程序現(xiàn)在可以開環(huán)運行。“抗共振電路非常不可思議，”她說。“我從來沒有見過那種安靜緩慢的步進電機。”