步进电机驱动器设计!直线式步进电动机

浏览次数:        日期:2021-04-09

  有反应式和索耶式两类。索耶式直线步进电动机由静止部分(称为反应板)和移动部分(称动子)组成。反应板由软磁材料制成,在它上面均匀地开有齿和槽。电机的动子由永久磁铁和两个带线圈的磁极A和B组成。动子是由气垫支承,以消除在移动时的机械摩擦,使电机运行平稳并提高定位精度。这种电机的高移动速度可达1.5米/秒,加速度可达2g,定位精度可达20多微米。由两台索耶式直线步进电动机相互垂直组装就构成平面电动机。

  机电式步进电动机

  机电式步进电动机由铁心、线圈、齿轮机构等组成。螺线管线圈通电时将产生磁力,推动其铁心心子运动,通过齿轮机构使输出轴转动一角度,通过抗旋转齿轮使输出转轴保持在新的工作位置;线圈再通电,转轴又转动一角度,依次进行步进运动。

  磁电式步进电机

  磁电式步进电动机主要有永磁式、反应式和永磁感应子式3种形式。永磁式步进电动机由四相绕组组成。A相绕组通电时,转子磁钢将转向该相绕组所确定的磁场方向;A相断电、B相绕组通电时,就产生一个新的磁场方向,这时,转子就转动一角度而位于新的磁场方向上,被激励相的顺序决定了转子运动方向。永磁式步进电动机消耗功率较小,步矩角较大。

  反应式步进电动机在定、转子铁心的内外表面上设有按一定规律分布的相近齿槽,利用这两种齿槽相对位置变化引起磁路磁阻的变化产生转矩。这种步进电动机步矩角可做到1°~15°,甚至更小,精度容易保证,起动和运行频率较高,但功耗较大,效率较低。

  永磁感应子式步进电动机又称混合式步进电动机。是永磁式步进电动机和反应式步进电动机两者的结合,并兼有两者的优点。

  步进电机驱动系统用在工业机器人上

  对工业机器人关节驱动的步进电机,要求有最大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。特别是像机器人末端执行器(手爪)应采用体积、质量尽可能小的步进电机,尤其是要求快速响应时,伺服步进电机必须具有较高的可靠性和稳定性,并且具有较大的短时过载能力。这是伺服步进电机在工业机器人中应用的先决条件。

  一、机器人对关节驱动电机的主要要求

  1、快速性,伺服步进电机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短。响应指令信号的时间愈短,电伺服系统的灵敏性愈高,快速响应性能愈好,一般是以伺服步进电机的机电时间常数的大小来说明伺服电动机快速响应的性能。

  2、起动转矩惯量比大,在驱动负载的情况下,要求机器人的伺服步进电机的起动转矩大,转动惯量小。

  3、控制特性的连续性和直线性,随着控制信号的变化,步进电机的转速能连续变化,有时还需转速与控制信号成正比或近似成正比。

  4、调速范围宽,能使用于1:1000~10000的调速范围。

  5、体积小、质量小、轴向尺寸短。

  6、能经受得起苛刻的运行条件,可进行十分频繁的正反向和加减速运行,并能在短时间内承受过载。

  目前,由于高起动转矩、大转矩、低惯量的交、直流伺服步进电机在工业机器人中得到广泛应用,一般负载1000N(相当100kgf)以下的工业机器人大多采用步进电机伺服驱动系统。所采用的关节驱动步进电机主要是AC伺服步进电机和DC伺服步进电机。其中,交流伺服电机、直流伺服电机直接驱动,均采用位置闭环控制,一般应用于高精度、高速度的机器人驱动系统中。步进电机驱动系统多适用于对精度、速度要求不高的小型简易机器人开环系统中。交流伺服电机由于采用电子换向,无换向火花,在易燃易爆环境中得到了广泛的使用。机器人关节驱动电动机的功率范围一般为0.1~10kW。工业机器人驱动系统中所采用的电动机。

  二、电机大致可细分为以下几种

  1、交流伺服电机

  包括同步型交流伺服电动机及反应式步进电动机等。

  2、直流伺服电机

  包括小惯量永磁直流伺服电动机、印制绕组直流伺服电动机、大惯量永磁直流伺服电动机、空心杯电枢直流伺服电动机。

  3、步进电机

  包括永磁感应步进电机。速度传感器多采用测速发电机和旋转变压器;位置传感器多用光电码盘和旋转变压器。近年来,国外机器人制造厂家已经在使用一种集光电码盘及旋转变压器功能为一体的混合式光电位置传感器,伺服电动机可与位置及速度检测器、制动器、减速机构组成伺服电动机驱动单元。机器人驱动系统要求传动系统间隙小、刚度大、输出扭矩高以及减速比大。

  三、常用的驱动器控制

  1、直流伺服电机驱动器

  直流伺服电动机驱动器多采用脉宽调制(PWM)伺服驱动器,通过改变脉冲宽度来改变加在电动机电枢两端的平均电压,从而改变电动机的转速。

  PWM伺服驱动器具有调速范围宽、低速特性好、响应快、效率高、过载能力强等特点,在工业机器人中常作为直流伺服电动机驱动器。

  2、同步式交流伺服电机驱动器

  同直流伺服电机驱动系统相比,同步式交流伺服电机驱动器具有转矩转动惯量比高、无电刷及换向火花等优点,在工业机器人中得到广泛应用。同步式交流伺服电机驱动器通常采用电流型脉宽调制(PWM)相逆变器和具有电流环为内环、速度环为外环的多闭环控制系统,以实现对三相永磁同步伺服电机的电流控制。根据其工作原理、驱动电流波形和控制方式的不同,它又可分为两种伺服系统:(1)矩形波电流驱动的永磁交流伺服系统。(2)正弦波电流驱动的永磁交流伺服系统。采用矩形波电流驱动的永磁交流伺服电动机称为无刷直流伺服电动机,采用正弦波电流驱动的永磁交流伺服电动机称为无刷交流伺服电动机。

  3、步进电机驱动器

  步进电机是将电脉冲信号变换为相应的角位移或直线位移的元件,它的角位移和线位移量与脉冲数成正比。转速或线速度与脉冲频率成正比。在负载能力的范围内,这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化,误差不长期积累,步进电动机驱动系统可以在较宽的范围内,通过改变脉冲频率来调速,实现快速起动、正反转制动。作为一种开环数字控制系统,在小型机器人中得到较广泛的应用。但由于其存在过载能力差、调速范围相对较小、低速运动有脉动、不平衡等缺点,一般只应用于小型或简易型机器人中。

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