步进电机驱动减少了共振问题

加利福尼亚州Rohnert Park-步进电机发现自己处于各种运动控制应用中，从平凡到关键任务。例如，在X射线天文卫星上，步进电机驱动一个必不可少的望远镜校准系统。在车间，步进电机控制金属冲压中使用的板料供料器。但他们有自己的极限。高度无阻尼 - 大多数阻尼比为0.02至0.04 - 步进电机存在稳定性问题。Compumotor电源产品部经理斯图尔特·古德尼克说：“动态模型就像弹簧上的质量。”与弹簧和质量一样，步进电机可以以延长其稳定时间的方式产生共振，对抗高速运动，并导致全步进电机的不稳定性，速度约为1.0 rps。

该公司称，Compumotor的一款名为Zeta的新驱动器是第一个在整个操作范围内解决这些问题的驱动器。它不会改变电机。

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它具有多项可获得专利的功能，可大大提高低速和高速阻尼，提高产量，并提供更多可用扭矩。工程师们认为，在某些情况下，驱动器可能会为新应用打开大门甚至更换伺服电机。

Zeta的秘诀在于三种不同的技术：电子粘度，主动阻尼和失速检测。独特的是，所有三个都关闭电机产生的信号，因此需要单独的传感器和编码器。

电子粘度会阻止系统在尝试停止时发生振铃，减少单个移动的持续时间，并提高吞吐量。“我们找到了一种在低速下使电流回路失谐的方法，”电子工程师Christopher Botka说。“净效应是我们引入了一个非常强大的粘性术语。”在低于3转/分钟的速度下，电子粘度使阻尼比从0.20增加到0.25，与无阻尼系统相比，切割沉降时间减少了一个数量级。

相比之下，主动阻尼仅在3 rps以上起作用(内置滞后可防止其与交叉点处的电子粘度发生冲突)。它可以减少振动，抵消15至20转/分钟的中频共振，并增加电机的可用扭矩。与竞争的被动阻尼技术不同，可以在驱动电动机时应用主动阻尼，而不仅仅是在移动结束时。它也可以用于微步进驱动器，而被动阻尼则不能。

有源阻尼需要反馈信号以形成类似于伺服电动机的闭环系统。信号通常由转速计或其他传感器提供。虽然这种技术自20世纪80年代开始使用，但转速计的费用和脆弱性限制了它的使用。

然而，对于Zeta，工程师开发了一种无传感器主动阻尼方法，该方法使用电机反电动势产生的信号。“你知道这个反电动势就在那里，”博特卡说，“我们问道，我们能用这些信号来提取位置吗?”

确实存在。Goodnick解释说，Zeta使用电机端电压和电流作为电子观察者。通过查看发送的信号和返回的信号，工程师找到了一种提取转子动力学的方法。“我们提取相位信息，告诉转子看到多少扭矩，”他说。“我们对信号进行缩放，找到转子的速度，然后与命令信号进行差异，以创建一个有效的回路。”

Zeta与摩擦环和铁磁流体阻尼器等传统解决方案形成鲜明对比。前者减少了可用扭矩并最终磨损，后者增加了惯性和成本 - 铁磁流体阻尼器的价格可能是步进电机本身成本的四倍。产品规划经理John Walewander表示，在速度大于3 rps时，阻尼比为0.45，“Zeta超过了铁磁流体阻尼器不会给电机带来任何变化”。

主动阻尼还消除了客户选择超大型电机以解决中频(15至20 rps)共振，振铃和瞬态行为的需要。“我们通常建议客户拨打50%的扭矩安全余量，”Goodnick说，“但你不需要使用这种驱动器。”

在研究无传感器主动阻尼的18个月中，工程师们还发现了一种检测失速的方法。“当转子与定子失去同步时，我们使用电机端子寻找能量脉冲，”Botka解释道。此功能可以为客户节省添加编码器的费用。

虽然该公司没有就改进的高速性能提出具体要求，但在为Design News进行的演示中，工程师们使用标准尺寸23的电机运行速度超过300 rps。相比之下，典型的电机和驱动器的最大转速为50至150 rps，他们声称。

对泽塔的能力持怀疑态度?不要把Compumotor的话当作它。明尼苏达州圣保罗市3M公司的高级设计工程师Mary Slaw-ski在研发项目中使用了Zeta。该应用要求线性定位精度为0.002英寸，电机转速为0.9 rps。“我们使用的是Compumotor的S-Drive，你可以听到它抱怨，”Slawski说。

在尝试Zeta之后，她相信应用程序现在可以开环运行。“抗共振电路非常不可思议，”她说。“我从来没有见过那种安静缓慢的步进电机。”