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综合自动化(一)②

放大字体  缩小字体 发布日期:2021-07-22  作者:陈立秋  浏览次数:340
核心提示:陈立秋,中国纺织工程学会染整专业委员会特聘首席专家,获得中国染整行业终身荣誉奖。现从事染整工程的创新工作。
 1.2 步进电动机传动
步进电动机传动是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下,电动机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电动机加一个脉冲信号,电动机则转过一个步距角。这一线性关系的存在,加上步进电动机只有周期性的误差而无累积误差等特点,使得在速度、位置等控制领域用步进电动机来控制变得非常简单。虽然步进电动机已被广泛地应用,但步进电动机并不能像普通的直流电动机、交流电动机在常规条件下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。
增量运动控制单元是一种输出跟随输人脉冲链室阶梯状运动的机电控制系统。增量控制的含义是指输出的增量与此时此刻的输人脉冲数的增量成正比,当输入脉冲数的增量为零时,系统的输出维持不变。增量运动控制单元由脉冲发生器、环形分配器、开关式功率放大器、步进电动机、传动机构和工作装置等组成,如图6所示。
 
 步进电劫机是增量运动控制单元的执行元件。步进电动机是由脉冲信号控制的特种电动机,对应一个电脉冲,电动机将产生一个恒定量的步进运动,即电动机运动的步数由脉冲数确定,运动方向由脉冲相序确定,而在一定时间内电动机对脉冲链的响应角度由脉冲频率决定。在电动机驱动能力和频响能力允许的范围内,这些关系不会因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化。由于增量运动控制单元可以直接实现数字信号转换,在没有反馈的情况下可以保证一定的控制精度,可以在较宽的范围内通过玫变脉冲频率来调速。
(1)脉冲信号的产生。脉冲信号一般由单片机或CPU产生,一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4,电动机转速越高,占空比则越大。
(2)环形分配器(又名脉冲分配器)。步进电动机有二、三、五相电动机,以二相电动机工作方式为例,有二相四拍和二相八拍两种,具体分配如下:二相四拍,步距角为1.8°;二相八拍,步距角为0.9°。
(3)功率放大。功率放大是驱动系统最重要的部分。步进电动机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流(而样本上的电流均为静态电流) 。平均电流越大电动机力矩越大,要达到平均电流大就需要驱动系统尽量克服电动机的反电势,因而不同的场合需采取不同的驱动方式。到目前为止,驱动方式一般有以下几种:恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。为尽量提高电动机的动态性能,将信号分配、功率放大组成步进电动机的驱动电源。
1.3 步进电动机和交流伺服电动机性能的比较
(1)控制精度不同。两相混合式步进电劫机步距角一般为3.6°、1.8°,五相混合式步进电动机步距角一般为0.72°、0.36°。也有一些高性能的步进电动机步距角更小,如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电动机,其步距角为0.09°;德国百格拉公司(BERGER IAHR)生产的三相混合式步进电动机,其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°,兼容了两相和五相混合式步进电动机的步距角。交流伺服电动机的控制精度由电动机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电动机为例,对于带标准2500线编码器的电动机而言,由于驱动器内部采用了四倍频投术,其脉冲当量为360°/10000 =0.036°。对于带17位编码器的电动机而言,驱动器每接收217=131072个脉冲,电动机转一圈,即其脉冲当量为360° /131072=9. 89″。是步距角为1.8°的步进电动机脉冲当量的1/655。
(2)低频特性不同。步进电动机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关,一般认为振动频率为电动机空载起跳频率的一半。这种由步进电动机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电动机工作在低速时,一般应采用阻尼投术来克服低频振动现象,比如在电动机上加阻尼器,或驱动器上采用细分技术等。
交流伺服电动机运转非常平稳,即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能,可涵盖机械的刚性不足,并且系统内部具有频率解析机能(FFT),可检测出机械的共振点,便于系统调整。
(3)矩频特性不同。步进电动机的输出力矩随转速升高而下降,且在较高转逮时会急剧下降,所以其最高工作转逮一般在300一600r/min交流伺服电动机为恒力矩输出,即在其额定转速(一般为2000r/min或3000r/min)以内,都能输出额定转矩,在额定转速以上为恒功率输出。
(4)过载能力不同。步进电动机一般不具有过载能力。交流伺服电动机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例,它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的3                                           倍,可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电动机因为没有这种过载能力,在选型时为了克服这种惯性力矩,往往需要选取较大转矩的电动机,而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩,便出现了力矩浪费的现象。
(5)运行性能不同。步进电动机的控制为开环控制,启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象,停止时转速过高易出现过冲的现象,所以为保证其控制精度,应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制,驱动器可直接对电动机编码器反馈信号进行采样,内部构成位置环和速度环,一般不会出现步进电动机的丢步或过冲的现象,控制性能更为可靠。
(6)速度响应性能不同。步进电动机从静止加速到工作转速(一般为每分钟几百转)需要200-400ms交流伺服系统的加速性能较好,以松下MSMA400W交流伺服电动机为例,从静止加速到其额定转速3000r/min仅需几毫秒,可用于要求快速启停的控制场合。
综上所述,交流伺服系统虽然在许多性能方面都优于进电动机,但步进电动机控制系统处理得当,其扭矩选择合适,从控制精度和成本的角度上考虑,步进电动机完全可以应用在圆网独立传动上。MBK公司的所有独立传动印花机的圆网传动都采用步进电动机传动。交流伺服电动机由于采用的是编码器闭环控制,有较大的过载能力,不会像步进电动机那样负载突变而产生丢步现象、电动机少转及逃花现象。
 
 
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