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配套的直流微型驅動和運動控制器

2021年08月26日 14:30 ? 次閱讀

選擇合作伙伴要謹慎。體積小、功率大的直流電機在集成化程度不斷提高的系統研發過程中發揮了至關重要的作用。從醫療和實驗室技術到航天、機器人、光學和光電學、以及工業機械和設備領域,這類電機在眾多應用領域內都是理想的驅動技術。

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但只有在和減速箱、編碼器以及運動控制器等其它部件組合的情況下,它們才能真正構成適合應用需求的驅動或定位系統。為了確保運行可靠性,正確選擇配套部件至關重要。所有部件都必須與電機兼容,并符合技術要求。如果選擇了錯誤的控制器,嚴重時可能導致電機損壞。

在為驅動系統選擇運動控制器時,應該先回答幾個重要的問題。比如,最基本的是需要執行什么樣的運動過程,以及對電機控制器有哪些要求?驅動裝置是采用持續工作還是啟停模式?是否需要實現精確定位?驅動裝置的負載類型?負載周期如何?需不需要減速箱?哪種電機最適合應用需求?根據以上問題的答案即可完成運動控制器的選型。運動控制器和電機絕不可隨意搭配,這一點不容忽視。尤其是直流微電機的設計獨特,因此它們有特殊的要求。

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過熱風險

FAULHABER直流微型電機和微電機的核心部件是獲得專利的,自承式、無鐵芯、斜繞型轉子線圈,它采用電刷換向,并圍繞著一個固定的磁體旋轉。由于外形像鐘,該電機通常也被稱為鐘形電樞電機。它的設計不僅具有實用的特點,還決定了運動控制器的選擇。

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由于氣隙對稱,它不會形成齒槽轉矩,這也確保精密的定位和優異的調速控制。負載和轉速、電流和轉矩、電壓和轉速之間保持線性關系由于繞組的尺寸幾乎占到整個電機的直徑,因此相對于它們體積和重量,該類電機能夠比傳統電機實現更高的效率和轉矩。轉子的低慣量還確保極低的電氣時間常數。因此這類電機具有高動態和可承受高負載的優勢。對于伺服應用來說,只要電機繞組的溫度得到監控,通常均可在過載模式下實現三倍的持續轉矩。但由于空間有限,直徑不超過22 mm的電機不帶內置溫度傳感器。 所以如果微電機只是與任意一臺控制器組合,那么在最嚴重的情況下繞組可能被完全燒毀。

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FAULHABER運動控制器專門針對微型驅動和微驅動研制,并在真實工作條件下經過嚴格測試,因此可以有效避免類似問題。它們通過復雜的建模計算,為相應電機型號“預測”繞組溫度。這意味著可以充分利用電機的全部動態潛力,比如用于快速定位。在繞組溫度過高前可及時降低電流。通過FAULHABER MoTIon Manager軟件的“電機選型對話窗”,可以將參數輕松傳輸到驅動控制器。

通過保存在控制器內的模型可以對應用內部的熱學數據進行分析,達到改善控制器的目的。電機的冷卻效果如何?在高環境溫度下是否需要限制功率。是否安裝了減速箱和編碼器?以在人工氣候室內循環工作的驅動裝置為例,電機控制器通過保存的模型對人工氣候室控制器內的環境溫度參數進行跟蹤,從而利用這些附加信息,實現電機的最大功率。在負載周期明確的情況下,也是如此。電機的設計體積可以縮小,尤其是應用在移動設備上時這具有很大的優勢。

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雖然低電氣時間常數有利于動態過程,但驅動控制器內常見的脈寬調制(PWM)卻可能導致額外損失。FAULHABER無芯電機的典型電氣時間常數約為10 μs。如果PWM頻率低于50 kHz,在很多情況下就已無法實現產品參數表內的持續轉矩,否則電機可能出現過熱。這也是為什么在選擇電機控制器的時候要確保足夠高的PWM頻率的原因。對于FAULHABER運動控制器來說,該值在78–100 kHz范圍內(實際值取決于具體型號)。根據調制類型,作用于電機的頻率最高可達200 kHz,這完全符合小型電機的要求。

功率強大體積小

雖然已經過多年的試驗和測試,MC V3.0系列運動控制器受其體積以及內置電機電流測量分辨率的影響,對FAULHABER微電機的可應用性有限。新型MC 3001 B/P應運而生。無論從體積還是電流測量分辨率來說,它都是第一款真正適合小型伺服驅動裝置的運動控制器。該運動控制器的最高電源電壓為30 V,體積16 x 27 x 2.6 mm(寬 x 長 x 高),持續電流可達1 A,峰值電流5 A。如果應用于較低的電源電壓,比如12 V系統內,可輕松實現高達2 A的持續電流。與同一系列的其它大型控制器相比,它們在功能上毫不遜色。它們的輸入輸出選項以及編碼器接口與同系列其它產品完全相同。通信接口包括USBRS232和CANopen。此外,還可以在客戶定制的主板(母板)上裝配一個緊湊型EtherCAT接口。

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該控制器有兩種不同型號:帶扁平板對板連接器的MC 3001 B型控制器適合需要在一個主板上安裝多臺驅動控制器的應用場合。MC 3001 P型控制器帶排針式連接器,連接器三側的排針間距為2.54 mm。這更適合安裝在結構特殊的設備內,比如實驗室的多軸自動化設備。這樣,即使是最小的FAULHABER直流電機,也能搭配尺寸和功能最適合的運動控制器

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