αSTEP AZ 系列步進(jìn)電機(jī)優(yōu)勢(shì)：消除外部傳感器

如今，傳感技術(shù)無(wú)處不在。傳感器用于檢測(cè)智能手機(jī)上的人體觸摸、房間內(nèi)的環(huán)境溫度，甚至用于糖尿病檢測(cè)的非侵入式血糖測(cè)量。在本文中，我們將重點(diǎn)介紹專門用于歸位和限制電機(jī)操作的最常用的外部傳感器。

出于多種原因，使用已經(jīng)集成到機(jī)器組件（如電機(jī)）中的內(nèi)置傳感器可能更有意義。我們的新型 AlphaStep AZ 系列電機(jī)提供獲得專利的內(nèi)置位置跟蹤傳感器，可以消除本文中討論的大多數(shù)外部傳感器，并為機(jī)器設(shè)計(jì)人員提供更好性能的替代方案。

讓我們首先了解這些傳感器的基本特性及其必要的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，以便更好地了解內(nèi)置傳感器的優(yōu)勢(shì)。

什么是傳感器？

在最一般的術(shù)語(yǔ)中，傳感器是將物理參數(shù)（溫度、濕度、速度、距離等）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的設(shè)備，控制系統(tǒng)可以將其用于驗(yàn)證目的。在工業(yè)自動(dòng)化中，機(jī)械開(kāi)關(guān)和存在傳感器是用于確定特定位置是否存在物理移動(dòng)負(fù)載的傳感器類型。如果機(jī)器過(guò)程變得不穩(wěn)定，則電機(jī)有必要移回其“原始”位置以重新開(kāi)始運(yùn)行。

歸位操作的重要性

在需要高位置精度的 CNC 路由器或 3D 打印機(jī)中，“原”或“零”位置對(duì)于伺服或步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始計(jì)算其“步數(shù)”的位置至關(guān)重要。即使對(duì)于帶有增量編碼器的電機(jī)，也需要外部機(jī)械開(kāi)關(guān)或存在傳感器來(lái)可靠地物理確定起始位置。如果沒(méi)有起始位置，電機(jī)可以從任何旋轉(zhuǎn)角度啟動(dòng)，任何后續(xù)運(yùn)動(dòng)都會(huì)不準(zhǔn)確。為了確保安全或避免損壞，需要更多的傳感器來(lái)確定上限和下限，以限制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。如果觸發(fā)任何“限位”傳感器，機(jī)器將發(fā)出警報(bào)，并且需要進(jìn)行“歸位”操作以將電機(jī)重置回其起始位置。

圖 2 顯示了電機(jī)與滾珠/絲杠耦合以進(jìn)行線性運(yùn)動(dòng)的典型歸位序列。有 3 個(gè)傳感器：-LS、HOME 和 +LS。首先，請(qǐng)注意電機(jī)并不完全位于 HOME 傳感器上。此時(shí)，命令電機(jī)開(kāi)始正常運(yùn)行，正向 +LS 傳感器。由于電機(jī)不在它應(yīng)該啟動(dòng)的位置，它最終會(huì)將負(fù)載移動(dòng)到預(yù)期的操作范圍之外并觸發(fā) +LS 限位傳感器。發(fā)生這種情況時(shí)，電機(jī)將需要反轉(zhuǎn)方向并將負(fù)載移向 HOME 傳感器以自行復(fù)位。一旦它觸發(fā)并通過(guò) HOME 傳感器，電機(jī)將反轉(zhuǎn)其方向回到 HOME 傳感器，直到它再次被觸發(fā)。此時(shí)，電機(jī)停止，歸位序列完成。

機(jī)械開(kāi)關(guān)和存在傳感器

機(jī)械開(kāi)關(guān)，也稱為限位開(kāi)關(guān)，工作方式類似于電燈開(kāi)關(guān)，常用于工業(yè)自動(dòng)化。

機(jī)械開(kāi)關(guān)是簡(jiǎn)單的機(jī)電設(shè)備，其中執(zhí)行器機(jī)械連接到一組電觸點(diǎn)。

當(dāng)物體或負(fù)載與機(jī)械開(kāi)關(guān)上的執(zhí)行器接觸時(shí)，觸點(diǎn)閉合（或打開(kāi)）以建立（或斷開(kāi)）可用作驗(yàn)證信號(hào)的電氣連接。由于機(jī)械開(kāi)關(guān)具有最多的運(yùn)動(dòng)部件，因此需要額外的設(shè)計(jì)考慮以便將來(lái)進(jìn)行維護(hù)。限位開(kāi)關(guān)與其他類型的存在傳感器之間的主要區(qū)別在于，限位開(kāi)關(guān)需要移動(dòng)負(fù)載的物理接觸。它們還需要最多的安裝空間。

接近傳感器是一種存在傳感器。根據(jù)所使用的接近傳感器的類型，移動(dòng)負(fù)載上可能需要一個(gè)“標(biāo)志”才能工作。“標(biāo)志”是負(fù)載上可以很容易被傳感器檢測(cè)到的部分。

接近傳感器通常會(huì)發(fā)射電磁場(chǎng)并尋找電磁場(chǎng)的變化。一旦檢測(cè)到磁場(chǎng)發(fā)生變化，它就可以向運(yùn)動(dòng)控制器或 PLC 輸出電信號(hào)。接近傳感器包括兩種類型：電感式和電容式。電感式接近傳感器可以檢測(cè)黑色金屬物體。這通常是使用“標(biāo)志”的地方。電容式接近傳感器可以檢測(cè)非金屬物體，但技術(shù)成本更高。接近傳感器相當(dāng)容易安裝和操作，并且可以在惡劣的環(huán)境中運(yùn)行。它們的檢測(cè)范圍通常為 1~10 mm。對(duì)于更長(zhǎng)的范圍，需要更大的傳感器。重復(fù)精度在 0.1~0.5 mm 時(shí)不太好，溫度會(huì)影響傳感精度。

光電傳感器是另一種類型的存在傳感器，它發(fā)出可見(jiàn)光或紅外光，并在接收器上尋找偏轉(zhuǎn)信號(hào)。一旦接收器檢測(cè)到從負(fù)載上的標(biāo)志偏轉(zhuǎn)的足夠光信號(hào)，它就可以向運(yùn)動(dòng)控制器或 PLC 發(fā)送電信號(hào)。

光電傳感器是高精度定位和良好可重復(fù)性的理想選擇，因?yàn)樗鼈冊(cè)?1 毫米以下提供出色的傳感精度。由于這些傳感器使用光學(xué)器件，因此它們比其他類型的傳感器更適合遠(yuǎn)距離傳感，但它們對(duì)惡劣環(huán)境很敏感。例如，灰塵會(huì)降低這些傳感器中使用的光學(xué)系統(tǒng)。對(duì)齊也可能是一個(gè)需要進(jìn)一步考慮的問(wèn)題。

激光型光電傳感器提供最佳特性，例如遠(yuǎn)距離傳感和精度，但成本增加。與其他傳感器相比，激光可提供亞微米級(jí)（小于 0.001 毫米）的精度、高可重復(fù)性和更長(zhǎng)的檢測(cè)范圍。一些激光傳感器允許對(duì)精確的檢測(cè)范圍進(jìn)行編程。由于我們正在處理激光，因此需要考慮預(yù)防措施以防止與人眼直接接觸。對(duì)于激光傳感器，對(duì)準(zhǔn)需要非常精確。

傳感器選擇的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

傳統(tǒng)上，在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)之前，首先根據(jù)應(yīng)用確定電機(jī)的尺寸。最近市場(chǎng)對(duì) IIOT（工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)）通信的需求正在扭轉(zhuǎn)這一過(guò)程。現(xiàn)在通常首先選擇 PLC（可編程邏輯控制器）或某種形式的 HMI（人機(jī)界面），然后通過(guò)離散 I/O 將電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、運(yùn)動(dòng)控制器和/或傳感器等組件集成到 PLC 或 HMI或現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)。在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期而不是之后考慮所有機(jī)器組件非常重要。

要確定您的應(yīng)用需要哪種類型的傳感器，您首先需要考慮的一些標(biāo)準(zhǔn)是精度、環(huán)境限制、測(cè)量范圍、校準(zhǔn)、分辨率、成本和可重復(fù)性。由于最終需要更換傳感器，因此您需要確定易于維修的傳感器位置以及必要的電纜長(zhǎng)度。有時(shí)，可能需要接線端子來(lái)擴(kuò)展傳感器信號(hào)。由于每個(gè)傳感器都需要電源和輸出接線，用于工業(yè)機(jī)器的 10 個(gè)傳感器使用 40 根電線，因此需要進(jìn)一步投入工時(shí)來(lái)組裝連接器和電纜。

需要集成傳感器

確認(rèn)應(yīng)用所需的傳感器類型后，需要與 PLC 兼容。這些傳感器需要滿足機(jī)器設(shè)計(jì)中選擇的運(yùn)動(dòng)控制器或 PLC 的輸入電路規(guī)格。其中一些規(guī)范是開(kāi)/關(guān)狀態(tài)、電壓水平、電流要求甚至是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。一個(gè)常見(jiàn)的查詢通常涉及確定兼容的傳感器類型以及如何連接傳感器。例如，如果您的 PLC 只接受 NPN 輸出型傳感器，則您不能使用 PNP 輸出型傳感器。您還需要考慮您使用的是常開(kāi)電路還是常閉電路。

外部傳感器的成本

在構(gòu)建傳感器電路之前，您需要先提出物料清單。這些不僅包括正確類型和數(shù)量的傳感器，而且您還需要確定必要的電纜長(zhǎng)度、電纜支架安裝支架和連接器。您可能還必須自己構(gòu)建其中的一些。同時(shí)，您的機(jī)器設(shè)計(jì)需要考慮所有必需組件的兼容性和空間。

限位開(kāi)關(guān)是最便宜的傳感設(shè)備。它們的價(jià)格范圍很廣，從不到 1 美元起。然而，他們也是最失敗的。

接近傳感器的成本在 3 到 30 美元之間。它們相當(dāng)容易安裝和使用，并且可以承受惡劣的環(huán)境。但是，您需要經(jīng)常在移動(dòng)負(fù)載上使用金屬“旗幟”，溫度或外部磁場(chǎng)會(huì)影響傳感精度。

光電傳感器更貴，在 40 到 150 美元之間（激光類型更貴）并且可能需要額外的放大器，這會(huì)增加總成本。他們對(duì)自己的環(huán)境和陣營(yíng)很敏感。然而，它們提供最高的精度、最佳的可重復(fù)性和最長(zhǎng)的感應(yīng)范圍。

對(duì)我們自己的工廠生產(chǎn)機(jī)器之一進(jìn)行的一項(xiàng)研究表明，對(duì)于 XYZ 運(yùn)動(dòng)的 3 個(gè)軸，需要 9 個(gè)傳感器（每個(gè) 10 美元）、9 根電纜（每個(gè) 10 美元）、3 個(gè)狗（每個(gè) 1 美元）和 3 個(gè)傳感器導(dǎo)軌（每個(gè) 5 美元）總費(fèi)用為 198 美元。該機(jī)器還包括其他組件，例如攝像頭和氣源，這些組件也需要電纜，因此電纜位置的設(shè)計(jì)也很重要。

測(cè)試

下一步是實(shí)際測(cè)試傳感器以確認(rèn)它們是否按預(yù)期工作。您需要驗(yàn)證傳感器是否安裝在正確的位置，以確定正確的位置。這通常需要對(duì)電機(jī)的歸位操作進(jìn)行重復(fù)測(cè)試。這是耗時(shí)的，因?yàn)闅w位操作需要以比正常操作慢的速度執(zhí)行。

在確認(rèn)您的傳感器系統(tǒng)按預(yù)期工作后，您還需要制定維護(hù)計(jì)劃以防止現(xiàn)場(chǎng)故障。

維護(hù)

與任何電氣或機(jī)械組件一樣，這些傳感器需要根據(jù)環(huán)境和使用情況不時(shí)更換。如果一個(gè)傳感器出現(xiàn)故障，就會(huì)使整個(gè)機(jī)器過(guò)程變得不可靠。機(jī)器需要關(guān)閉，這意味著您公司的產(chǎn)量和利潤(rùn)會(huì)減少。您還需要擁有技能和經(jīng)驗(yàn)的維護(hù)工程師來(lái)幫助防止這些故障或在它們意外發(fā)生時(shí)解決這些問(wèn)題。

維護(hù)計(jì)劃因所選傳感器的類型而異。一些傳感器比其他傳感器對(duì)其環(huán)境更敏感。灰塵和油污等因素會(huì)縮短光電傳感器的使用壽命。需要定期檢查傳感器的對(duì)齊情況，特別是如果它是激光傳感器。電機(jī)機(jī)構(gòu)發(fā)出的顫動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致傳感器隨時(shí)間推移發(fā)生偏移。

當(dāng)我們討論維護(hù)主題時(shí)，了解實(shí)時(shí)監(jiān)控功能是我們 AZ 系列驅(qū)動(dòng)器的標(biāo)準(zhǔn)配置很有用。可以通過(guò)離散 I/O 或現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)，例如警報(bào)歷史記錄、輸入電壓、電機(jī)位置、速度、溫度和扭矩。了解電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)有助于規(guī)劃維護(hù)計(jì)劃或進(jìn)行故障排除。

AZ系列優(yōu)勢(shì)

正如文章開(kāi)頭提到的，有時(shí)使用帶有內(nèi)置位置跟蹤傳感器（例如編碼器）的電機(jī)可能更有意義。我們的 AZ 系列閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)在電機(jī)背面配備內(nèi)置絕對(duì)式機(jī)械傳感器，可提供與絕對(duì)式編碼器相同的功能，并且無(wú)需外部傳感器。

這種多旋轉(zhuǎn)位置傳感器集成到 AZ 電機(jī)的背面，并與其專用驅(qū)動(dòng)器一起跟蹤電機(jī)的絕對(duì)位置并提供快速、可靠的歸位。

隨著生產(chǎn)效率要求變得越來(lái)越苛刻，跟蹤電機(jī)絕對(duì)位置的能力在工業(yè)自動(dòng)化中變得越來(lái)越重要。如果您的機(jī)器中沒(méi)有絕對(duì)位置傳感器，則意味著電機(jī)可能會(huì)失去其已知位置，并且電機(jī)運(yùn)行需要重新從頭開(kāi)始。在此期間，您的機(jī)器不生產(chǎn)，甚至可能生產(chǎn)出有缺陷的產(chǎn)品。AZ系列無(wú)需檢測(cè)外部原點(diǎn)傳感器，可直接高速移動(dòng)至絕對(duì)式機(jī)械傳感器記錄的原點(diǎn)位置。

AZ 傳感器如何工作？

這種新型絕對(duì)式機(jī)械傳感器的技術(shù)基于稱為 ABZO 傳感器的磁阻傳感技術(shù)（如圖 9 所示）。這些傳感器可以通過(guò)電阻檢測(cè)磁場(chǎng)的角度。

內(nèi)置絕對(duì)式機(jī)械傳感器的結(jié)構(gòu)包括一個(gè)連接到轉(zhuǎn)子（電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件）的主要一級(jí)齒輪，然后一系列齒輪也連接到一級(jí)齒輪。

所有齒輪都在特定位置安裝了磁鐵。由于這些齒輪的齒數(shù)不同，安裝在這些齒輪上的磁鐵會(huì)指向不同的方向。安裝在電路板上（也安裝在電機(jī)背面）的磁阻傳感器可以確定這些齒輪上磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)的角度，然后通過(guò)類似的算法計(jì)算轉(zhuǎn)子的絕對(duì)位置掛鐘的時(shí)針、分針和秒針的概念。可以準(zhǔn)確可靠地跟蹤高達(dá)1800 轉(zhuǎn)的絕對(duì)位置電機(jī)。

由于可以通過(guò)按鈕或軟件點(diǎn)擊輕松設(shè)置絕對(duì)起始位置并將其存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中，因此不需要外部傳感器。

隨著外部傳感器的消除，所有類型傳感器的問(wèn)題（例如接線、測(cè)試和維護(hù)）也從您的機(jī)器設(shè)計(jì)中消除；從而減少需要擔(dān)心的問(wèn)題。為了承受苛刻的環(huán)境，AZ 系列電機(jī)還具有IP66等級(jí)，既防塵又防水。

一些伺服電機(jī)配備了絕對(duì)編碼器，但其中許多本質(zhì)上是光學(xué)編碼器，需要使用電池供電。由于我們的傳感器本質(zhì)上是機(jī)械的，因此不需要電池供電。停電后，我們的 AZ 系列電機(jī)可以立即恢復(fù)運(yùn)行，無(wú)需執(zhí)行歸位操作。

憑借我們獲得專利的Alpha Step Keep-in-Step技術(shù)，AZ 系列具有獨(dú)立的位置校正功能（類似于伺服電機(jī)系統(tǒng)）以避免錯(cuò)過(guò)步數(shù)。這確保了定位應(yīng)用的額外位置精度和安心。該技術(shù)還使用電機(jī)的位置傳感器來(lái)優(yōu)化電機(jī)繞組內(nèi)相位切換的時(shí)間，以獲得最佳性能。在下一節(jié)中，我們將展示一些實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)比較停止精度。

歸位停止精度比較

現(xiàn)在讓我們比較使用外部傳感器與使用我們的 AZ 系列步進(jìn)電機(jī)時(shí)的歸位停止精度。

我們的測(cè)試裝置包括安裝在我們的一個(gè)線性滑軌上的 AZ 電機(jī)、AZ 專用驅(qū)動(dòng)器、外部光電傳感器和激光測(cè)距裝置。然后我們進(jìn)行了測(cè)試并記錄了以毫米為單位的誤差與以秒為單位的時(shí)間。不同的顏色顯示用于測(cè)試的不同 RPM。

首先，我們測(cè)試了光電傳感器在不同速度下的歸位操作。請(qǐng)務(wù)必注意圖 14，較高的速度會(huì)導(dǎo)致較低的停止精度。這是因?yàn)樵诟叩乃俣认拢瑐鞲衅魍耆Ｖ闺姍C(jī)需要更長(zhǎng)的時(shí)間。在 60 RPM 時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)過(guò)沖誤差在 0.03 到 0.05 毫米之間。從10 到 60 RPM ，我們有大約45 微米的停止精度變化。

當(dāng)我們?cè)跊](méi)有外部傳感器的情況下使用 AZ 系列執(zhí)行相同的歸位操作時(shí)，我們可以在高達(dá) 3000 RPM 的速度下提供 3 弧分的停止精度。這意味著您可以獲得更快、更一致的停止精度，以幫助提高機(jī)器的吞吐量。如圖 15所示，一旦 AZ 電機(jī)穩(wěn)定停止，停止精度為1 微米或更小。

概括

總之，在選擇和維護(hù)外部傳感器時(shí)需要考慮許多因素，例如傳感器的特性、環(huán)境限制和規(guī)范。我們還討論了與外部傳感器相關(guān)的問(wèn)題，例如接線、維護(hù)和停止精度的不一致。機(jī)器制造商需要投入更多時(shí)間或雇用更多員工，以確保每個(gè)組件都得到妥善集成和維護(hù)，從而確保機(jī)器的高效生產(chǎn)。

隨著當(dāng)前追求工程效率和加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的趨勢(shì)，帶有內(nèi)置位置傳感器的 AZ 系列步進(jìn)電機(jī)消除了許多與外部傳感器相關(guān)的問(wèn)題，并為工業(yè)機(jī)器應(yīng)用提供了理想的集成產(chǎn)品解決方案。立即與我們的 OEM 銷售團(tuán)隊(duì)安排演示，以了解有關(guān) AZ 系列的更多信息。