高速旋转突破制约、创造新价值—步进电机

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为生产线生产效率的进一步提高作出贡献的步进电机

"提高制造业生产效率的关键是什么?"
这个问题有多种答案,"缩短生产节拍"应该是其中之一吧。生产节拍是指生产一件产品所需的时间。如果能够缩短生产节拍,在相同的时间内,就可以生产出更多产品,这也关系到工作效率的提高。

ASPINA启动了一个项目通过提升电机性能,以帮助客户解决"希望缩短生产节拍,提高生产效率"的课题。

安装在半导体制造设备等中的电机,主流产品是利用编码器形成闭环控制位置的伺服电机。另一种是不使用编码器、通过开环控制位置的步进电机。与伺服电机相比,它的优点是体积小、高效节能、低振动,但缺点是停转精度低,不适合用于高速旋转。

因此,如果能够开发出一款既发挥步进电机的优点,又能实现伺服电机一样停转精度、高速旋转的电机,也许将有助于更有效地提升制造工艺自身的加工速度、提高客户的工作效率。

在此背景下,ASPINA凭借编码器形成的闭环驱动和独有的控制软件,开发出了既发挥了步进电机的优点,同时停转精度高、可以高速旋转的步进电机。

"弱化磁场"结合独有的电流矢量控制实现高速旋转

提高步进电机的停转精度这一点,已经通过像伺服电机一样利用编码器形成闭环进行控制而实现了。但是,步进电机的高速旋转的实现,则需要开发新的电流控制方法。

与伺服电机相比,步进电机很难实现高速旋转,原因在于它的运动机制。

电机是通过电流产生磁场,利用磁力带动轴的旋转,其结构和发电机是一样的。只不过发电机是反过来,通过轴的旋转产生电。因此,电机带动轴的旋转,也会产生新的电力(反电动势)。电机一旦高速旋转,反电动势就会加大,导致电机的驱动电压和发电生成的电压(反向电压)相互牵制,从某个时间点开始,转数无法继续增加。

步进电机是控制电流,将轴的转动转换为精细的步进运动,所以与伺服电机相比,内部有很多磁极。这很容易造成强大的反电动势,很难高速旋转。

为此,ASPINA决定采用一种名为"弱化磁场"的方法。具体步骤是,首先进行电流矢量控制,将电流分解为转矩电流(q轴)和励磁电流(d轴)两类,各自独立控制。然后,在反向电压伴随电机旋转加快而上升,与驱动电压相互牵制之前,单独减弱励磁电流,从而降低反电动势。

但是,如果不能准确控制"弱化磁场",反而会降低电机的工作效率。不仅如此,它还会造成电机速度持续加快,陷入失控状态。为了避免上述情况,我们在计算"弱化磁场"的基础上,追加了控制转矩电流,研究制定出了独有的电流矢量控制的计算方法。

对比原有产品,新产品在高速区域也可以旋转

通过上述方法,ASPINA实现了独有的步进电机。该产品利用编码器形成闭环,停转精度高,而且在反向电压大幅超过电机驱动电压的范围内,也可以高速旋转。

提高产品成熟度、全面覆盖客户需求

根据客户用途和需求,电机外加的负载情况和旋转速度的范围各不相同。因此,在商品化的过程中,需要构建全面覆盖这些用途和需求的算法、开发相关软件。

ASPINA模拟客户使用步进电机的设备,制作出多款负载测试夹具,通过实施改变各种惯性力矩及摩擦负载等、数量庞大的运动试验,从而完善了核心技术,提高了产品的成熟度。

同时还召集实际使用电机的客户和ASPINA的技术人员进行实验及验证,其结果得到了高度评价。
工程师们将各自的知识、经验和技术集思广益,投入核心技术开发、产品性能开发、性能评估等各要素的开发中,由此推进产品开发。

CSB-BZ 伺服驱动器

追求耗电低、速度快、精度高的位置控制,服务更多客户

采用本次开发的步进电机,可以在高速旋转的同时,准确控制位置,非常有助于削减制造工艺的浪费、缩短生产节拍。

步进电机原本就可以通过低电量,产生与伺服电机同等的转矩。而且,步进电机由于磁极精细,所以定位点多。因此,发挥其体积小(节省空间)、高效(节电)、低振动的特点,不仅可以用于制造设备,还可以用于此前未使用步进电机的产品。例如:将其用于照相机驱动,可以降低图像抖动;用于轻小型搬运,可以减少振动对搬运物的影响。

ASPINA未来还计划在步进电机上安装驱动器、控制器的配线及电路等,努力开发出一体化等产品。