直驅伺服電機
直驅伺服電機特征
直接驅動(dòng)技術(shù):直接連接到負載增加了扭轉剛度
提高定位精度、無(wú)反沖操作、高動(dòng)態(tài)負載逆轉而不會(huì )損壞組件、免維護潤滑;
高性能:無(wú)需齒輪即可實(shí)現高扭矩運行、峰值扭矩高達5310lb-in(600Nm)、最高速度可達500rpm;
高分辨率串行編碼器:絕對編碼器標準、大器自動(dòng)識別電機并優(yōu)化參數、錯誤檢查消除了電氣噪聲造成的運動(dòng)丟失。
多年來(lái),由于多種原因,步進(jìn)電機一直是設計用于儀器儀表的最受歡迎的電機類(lèi)型。步進(jìn)電動(dòng)機已經(jīng)變得越來(lái)越商品化,并且可以容易地獲得。此外,不斷增長(cháng)的“制造商運動(dòng)”同時(shí)使它們更受歡迎并降低了成本。與伺服電機不同,步進(jìn)電機不需要調整即可優(yōu)化其性能。此外,縮放和運動(dòng)命令通常使用步進(jìn)電機即可快速簡(jiǎn)便地執行。
伺服電動(dòng)機在執行復雜的(轉矩,速度或位置)回路閉合時(shí)通常需要更多的專(zhuān)業(yè)知識。最后,微步進(jìn)使大多數現代驅動(dòng)電子設備能夠使步進(jìn)電機步進(jìn)或遞增至每轉50,800步或更高的分辨率。
為了應對這些趨勢,儀器設計人員越來(lái)越多地轉向伺服電機和直接驅動(dòng)技術(shù)。對于設計者而言,探索這些技術(shù)與步進(jìn)電機的比較可能很有用。
與步進(jìn)電機很像,伺服電機既可以用作傳統的旋轉電機,也可以用作線(xiàn)性伺服電機(圖1)。多項優(yōu)勢正導致越來(lái)越多的儀器制造商選擇伺服電機來(lái)提高其性能:
更大的轉矩:對于僅需要短脈沖或力的線(xiàn)性伺服等效值(通常用于加速對象)的應用,可以在短時(shí)間內為伺服電動(dòng)機提供比連續運行更大的電流。
更高的速度:伺服電動(dòng)機的速度通常是典型步進(jìn)電動(dòng)機的2-3倍。這有可能使設計人員能夠進(jìn)一步減少體積,從而在較小的封裝中獲得更大的扭矩。例如,比較兩個(gè)等效的堆長(cháng)NEMA框架電機:一個(gè)步進(jìn)器(HV233)和一個(gè)伺服器(SM233)。這兩種電動(dòng)機的性能曲線(xiàn)都是在相同的工作條件下于環(huán)境溫度下產(chǎn)生的,并且向驅動(dòng)電子設備提供了相同的120伏交流電。如果將步進(jìn)電機的性能與伺服器的連續性能進(jìn)行比較,則在低RPM(小于1000)下,步進(jìn)電機有一個(gè)較小的轉矩優(yōu)勢;但是,一旦達到更高的RPM,步進(jìn)電機的轉矩性能就會(huì )急劇下降,伺服的速度轉矩性能變得突出。現在考慮伺服電機相對于步進(jìn)電機的峰值性能。當然,伺服器只能在此峰值轉矩范圍內運行很短的時(shí)間,并且必須允許產(chǎn)生的熱量散發(fā),但是在該運行范圍內,伺服器的極端優(yōu)勢顯而易見(jiàn)(圖2)。
更高的精度:伺服電機使用反饋設備,該設備使用編碼器來(lái)感測系統中的錯誤,并通過(guò)圍繞電機,轉矩,速度或位置的控制環(huán)來(lái)糾正此錯誤,以達到所需的機械性能。提供多種編碼器選項。在旋轉電機中,選件包括典型的玻璃盤(pán)或新型低成本磁,正交,極堅固的旋轉變壓器,模擬正弦/余弦和多圈絕對格式,從而無(wú)需歸位。線(xiàn)性編碼器技術(shù)提供的技術(shù)類(lèi)似于旋轉設備上可用的技術(shù):
較低的可聞噪聲:正確調諧的伺服電機是忍者式安靜的。伺服驅動(dòng)應用中最大的噪聲源通常是傳動(dòng)系統或軸承。步進(jìn)電機在運行期間通常會(huì )發(fā)出約68 dB的聲音。
靈活的繞組技術(shù):現代化的設計軟件可以非常精確地模擬伺服電機的性能。伺服電機通常可以采用非常受控的,幾乎類(lèi)似于CNC的方式進(jìn)行特殊纏繞,以使其性能曲線(xiàn)與應用的速度和扭矩要求相匹配。
顧名思義,直接驅動(dòng)技術(shù)無(wú)需使用任何機械減速裝置或傳動(dòng)系統即可在電動(dòng)機和有效負載之間建立直接耦合。它的主要缺點(diǎn)是缺乏機械優(yōu)勢。應用程序所需的任何力或扭矩都必須由電動(dòng)機直接產(chǎn)生,這可能需要使用更大的電動(dòng)機和更大的總電流。但是,就儀器設計而言,直接驅動(dòng)技術(shù)比步進(jìn)器具有多個(gè)優(yōu)勢:
集成的旋轉套件電機:在許多情況下,旋轉套件電機可以減小給定應用程序的大小。在旋轉應用中,套件電機消除了齒輪或皮帶。在線(xiàn)性應用中,它們也可以直接集成到螺釘上,以消除耦合,從而增加了執行器的整體長(cháng)度和柔韌性。旋轉套件電機通常包括:
定子或線(xiàn)圈–這是電動(dòng)機的繞線(xiàn)銅部分,利用電流產(chǎn)生磁場(chǎng)來(lái)驅動(dòng)電動(dòng)機。
轉子–定子向固定的一組磁鐵(通常稱(chēng)為轉子)施加磁場(chǎng)。
霍爾效應傳感器–小型霍爾效應傳感器相對于彼此處于各種偏移位置,以在驅動(dòng)電子設備內建立換向角,以指示在給定的旋轉位置哪個(gè)相應接收功率。
集成線(xiàn)性電機:本質(zhì)上,線(xiàn)性伺服電機就像平展的旋轉電機一樣。電機直接耦合到負載,因此沒(méi)有機械上的優(yōu)勢,應用程序所需的所有力必須直接由電機產(chǎn)生。
過(guò)去,降低成本的愿望通常決定了使用諸如步進(jìn)電機之類(lèi)的低成本技術(shù)。但是,考慮到儀器制造商不斷增加的壓力以最大化其機器的價(jià)值,再加上低成本伺服電機和反饋設備的可用性,他們開(kāi)始更加考慮直接驅動(dòng)和伺服電機技術(shù)的潛力。
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