αSTEP AZ 系列步進電機優(yōu)勢：消除外部傳感器

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

出于多種原因，使用已經(jīng)集成到機器組件（如電機）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，并為機器設(shè)計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)計注意事項，以便更好地了解內(nèi)置傳感器的優(yōu)勢。

什么是傳感器？

在最一般的術(shù)語中，傳感器是將物理參數(shù)（溫度、濕度、速度、距離等）轉(zhuǎn)換為電信號的設(shè)備，控制系統(tǒng)可以將其用于驗證目的。在工業(yè)自動化中，機械開關(guān)和存在傳感器是用于確定特定位置是否存在物理移動負載的傳感器類型。如果機器過程變得不穩(wěn)定，則電機有必要移回其“原始”位置以重新開始運行。

歸位操作的重要性

在需要高位置精度的 CNC 路由器或 3D 打印機中，“原”或“零”位置對于伺服或步進電機開始計算其“步數(shù)”的位置至關(guān)重要。即使對于帶有增量編碼器的電機，也需要外部機械開關(guān)或存在傳感器來可靠地物理確定起始位置。如果沒有起始位置，電機可以從任何旋轉(zhuǎn)角度啟動，任何后續(xù)運動都會不準(zhǔn)確。為了確保安全或避免損壞，需要更多的傳感器來確定上限和下限，以限制電機運動。如果觸發(fā)任何“限位”傳感器，機器將發(fā)出警報，并且需要進行“歸位”操作以將電機重置回其起始位置。

圖 2 顯示了電機與滾珠/絲杠耦合以進行線性運動的典型歸位序列。有 3 個傳感器：-LS、HOME 和 +LS。首先，請注意電機并不完全位于 HOME 傳感器上。此時，命令電機開始正常運行，正向 +LS 傳感器。由于電機不在它應(yīng)該啟動的位置，它最終會將負載移動到預(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，電機將需要反轉(zhuǎn)方向并將負載移向 HOME 傳感器以自行復(fù)位。一旦它觸發(fā)并通過 HOME 傳感器，電機將反轉(zhuǎn)其方向回到 HOME 傳感器，直到它再次被觸發(fā)。此時，電機停止，歸位序列完成。

機械開關(guān)和存在傳感器

機械開關(guān)，也稱為限位開關(guān)，工作方式類似于電燈開關(guān)，常用于工業(yè)自動化。

機械開關(guān)是簡單的機電設(shè)備，其中執(zhí)行器機械連接到一組電觸點。

當(dāng)物體或負載與機械開關(guān)上的執(zhí)行器接觸時，觸點閉合（或打開）以建立（或斷開）可用作驗證信號的電氣連接。由于機械開關(guān)具有最多的運動部件，因此需要額外的設(shè)計考慮以便將來進行維護。限位開關(guān)與其他類型的存在傳感器之間的主要區(qū)別在于，限位開關(guān)需要移動負載的物理接觸。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，移動負載上可能需要一個“標(biāo)志”才能工作。“標(biāo)志”是負載上可以很容易被傳感器檢測到的部分。

接近傳感器通常會發(fā)射電磁場并尋找電磁場的變化。一旦檢測到磁場發(fā)生變化，它就可以向運動控制器或 PLC 輸出電信號。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)境中運行。它們的檢測范圍通常為 1~10 mm。對于更長的范圍，需要更大的傳感器。重復(fù)精度在 0.1~0.5 mm 時不太好，溫度會影響傳感精度。

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

光電傳感器是高精度定位和良好可重復(fù)性的理想選擇，因為它們在 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距離傳感，但它們對惡劣環(huán)境很敏感。例如，灰塵會降低這些傳感器中使用的光學(xué)系統(tǒng)。對齊也可能是一個需要進一步考慮的問題。

激光型光電傳感器提供最佳特性，例如遠距離傳感和精度，但成本增加。與其他傳感器相比，激光可提供亞微米級（小于 0.001 毫米）的精度、高可重復(fù)性和更長的檢測范圍。一些激光傳感器允許對精確的檢測范圍進行編程。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。對于激光傳感器，對準(zhǔn)需要非常精確。

傳感器選擇的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

傳統(tǒng)上，在設(shè)計控制系統(tǒng)之前，首先根據(jù)應(yīng)用確定電機的尺寸。最近市場對 IIOT（工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)）通信的需求正在扭轉(zhuǎn)這一過程。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（人機界面），然后通過離散 I/O 將電動機、驅(qū)動器、運動控制器和/或傳感器等組件集成到 PLC 或 HMI或現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。在設(shè)計過程的早期而不是之后考慮所有機器組件非常重要。

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度。有時，可能需要接線端子來擴展傳感器信號。由于每個傳感器都需要電源和輸出接線，用于工業(yè)機器的 10 個傳感器使用 40 根電線，因此需要進一步投入工時來組裝連接器和電纜。

需要集成傳感器

確認應(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器設(shè)計中選擇的運動控制器或 PLC 的輸入電路規(guī)格。其中一些規(guī)范是開/關(guān)狀態(tài)、電壓水平、電流要求甚至是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。一個常見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，您的機器設(shè)計需要考慮所有必需組件的兼容性和空間。

限位開關(guān)是最便宜的傳感設(shè)備。它們的價格范圍很廣，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)常在移動負載上使用金屬“旗幟”，溫度或外部磁場會影響傳感精度。

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，這會增加總成本。他們對自己的環(huán)境和陣營很敏感。然而，它們提供最高的精度、最佳的可重復(fù)性和最長的感應(yīng)范圍。

對我們自己的工廠生產(chǎn)機器之一進行的一項研究表明，對于 XYZ 運動的 3 個軸，需要 9 個傳感器（每個 10 美元）、9 根電纜（每個 10 美元）、3 個狗（每個 1 美元）和 3 個傳感器導(dǎo)軌（每個 5 美元）總費用為 198 美元。該機器還包括其他組件，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)計也很重要。

測試

下一步是實際測試傳感器以確認它們是否按預(yù)期工作。您需要驗證傳感器是否安裝在正確的位置，以確定正確的位置。這通常需要對電機的歸位操作進行重復(fù)測試。這是耗時的，因為歸位操作需要以比正常操作慢的速度執(zhí)行。

在確認您的傳感器系統(tǒng)按預(yù)期工作后，您還需要制定維護計劃以防止現(xiàn)場故障。

維護

與任何電氣或機械組件一樣，這些傳感器需要根據(jù)環(huán)境和使用情況不時更換。如果一個傳感器出現(xiàn)故障，就會使整個機器過程變得不可靠。機器需要關(guān)閉，這意味著您公司的產(chǎn)量和利潤會減少。您還需要擁有技能和經(jīng)驗的維護工程師來幫助防止這些故障或在它們意外發(fā)生時解決這些問題。

維護計劃因所選傳感器的類型而異。一些傳感器比其他傳感器對其環(huán)境更敏感。灰塵和油污等因素會縮短光電傳感器的使用壽命。需要定期檢查傳感器的對齊情況，特別是如果它是激光傳感器。電機機構(gòu)發(fā)出的顫動可能會導(dǎo)致傳感器隨時間推移發(fā)生偏移。

當(dāng)我們討論維護主題時，了解實時監(jiān)控功能是我們 AZ 系列驅(qū)動器的標(biāo)準(zhǔn)配置很有用。可以通過離散 I/O 或現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)訪問實時存儲的驅(qū)動器數(shù)據(jù)，例如警報歷史記錄、輸入電壓、電機位置、速度、溫度和扭矩。了解電機和驅(qū)動器的狀態(tài)有助于規(guī)劃維護計劃或進行故障排除。

AZ系列優(yōu)勢

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

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

隨著生產(chǎn)效率要求變得越來越苛刻，跟蹤電機絕對位置的能力在工業(yè)自動化中變得越來越重要。如果您的機器中沒有絕對位置傳感器，則意味著電機可能會失去其已知位置，并且電機運行需要重新從頭開始。在此期間，您的機器不生產(chǎn)，甚至可能生產(chǎn)出有缺陷的產(chǎn)品。AZ系列無需檢測外部原點傳感器，可直接高速移動至絕對式機械傳感器記錄的原點位置。

AZ 傳感器如何工作？

這種新型絕對式機械傳感器的技術(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電阻檢測磁場的角度。

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

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指向不同的方向。安裝在電路板上（也安裝在電機背面）的磁阻傳感器可以確定這些齒輪上磁極產(chǎn)生的磁場的角度，然后通過類似的算法計算轉(zhuǎn)子的絕對位置掛鐘的時針、分針和秒針的概念。可以準(zhǔn)確可靠地跟蹤高達1800 轉(zhuǎn)的絕對位置電機。

由于可以通過按鈕或軟件點擊輕松設(shè)置絕對起始位置并將其存儲在非易失性存儲器中，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題（例如接線、測試和維護）也從您的機器設(shè)計中消除；從而減少需要擔(dān)心的問題。為了承受苛刻的環(huán)境，AZ 系列電機還具有IP66等級，既防塵又防水。

一些伺服電機配備了絕對編碼器，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)上是機械的，因此不需要電池供電。停電后，我們的 AZ 系列電機可以立即恢復(fù)運行，無需執(zhí)行歸位操作。

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

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 系列步進電機時的歸位停止精度。

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

首先，我們測試了光電傳感器在不同速度下的歸位操作。請務(wù)必注意圖 14，較高的速度會導(dǎo)致較低的停止精度。這是因為在更高的速度下，傳感器完全停止電機需要更長的時間。在 60 RPM 時，我們發(fā)現(xiàn)過沖誤差在 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)我們在沒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，我們可以在高達 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，以幫助提高機器的吞吐量。如圖 15所示，一旦 AZ 電機穩(wěn)定停止，停止精度為1 微米或更小。

概括

總之，在選擇和維護外部傳感器時需要考慮許多因素，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)的問題，例如接線、維護和停止精度的不一致。機器制造商需要投入更多時間或雇用更多員工，以確保每個組件都得到妥善集成和維護，從而確保機器的高效生產(chǎn)。

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