αSTEP AZ系列步进电机优势：消除外部传感器

αSTEP AZ 系列步进电机优势：消除外部传感器

如今，传感技术无处不在。传感器用于检测智能手机上的人体触摸、房间内的环境温度，甚至用于糖尿病检测的非侵入式血糖测量。在本文中，我们将重点介绍专门用于归位和限制电机操作的最常用的外部传感器。

出于多种原因，使用已经集成到机器组件（如电机）中的内置传感器可能更有意义。我们的新型 AlphaStep AZ 系列电机提供获得专利的内置位置跟踪传感器，可以消除本文中讨论的大多数外部传感器，并为机器设计人员提供更好性能的替代方案。

让我们首先了解这些传感器的基本特性及其必要的设计注意事项，以便更好地了解内置传感器的优势。

什么是传感器？

在最一般的术语中，传感器是将物理参数（温度、湿度、速度、距离等）转换为电信号的设备，控制系统可以将其用于验证目的。在工业自动化中，机械开关和存在传感器是用于确定特定位置是否存在物理移动负载的传感器类型。如果机器过程变得不稳定，则电机有必要移回其“原始”位置以重新开始运行。

归位操作的重要性

在需要高位置精度的 CNC 路由器或 3D 打印机中，“原”或“零”位置对于伺服或步进电机开始计算其“步数”的位置至关重要。即使对于带有增量编码器的电机，也需要外部机械开关或存在传感器来可靠地物理确定起始位置。如果没有起始位置，电机可以从任何旋转角度启动，任何后续运动都会不准确。为了确保安全或避免损坏，需要更多的传感器来确定上限和下限，以限制电机运动。如果触发任何“限位”传感器，机器将发出警报，并且需要进行“归位”操作以将电机重置回其起始位置。

图 2 显示了电机与滚珠/丝杠耦合以进行线性运动的典型归位序列。有 3 个传感器：-LS、HOME 和 +LS。首先，请注意电机并不完全位于 HOME 传感器上。此时，命令电机开始正常运行，正向 +LS 传感器。由于电机不在它应该启动的位置，它最终会将负载移动到预期的操作范围之外并触发 +LS 限位传感器。发生这种情况时，电机将需要反转方向并将负载移向 HOME 传感器以自行复位。一旦它触发并通过 HOME 传感器，电机将反转其方向回到 HOME 传感器，直到它再次被触发。此时，电机停止，归位序列完成。

机械开关和存在传感器

机械开关，也称为限位开关，工作方式类似于电灯开关，常用于工业自动化。

机械开关是简单的机电设备，其中执行器机械连接到一组电触点。

当物体或负载与机械开关上的执行器接触时，触点闭合（或打开）以建立（或断开）可用作验证信号的电气连接。由于机械开关具有最多的运动部件，因此需要额外的设计考虑以便将来进行维护。限位开关与其他类型的存在传感器之间的主要区别在于，限位开关需要移动负载的物理接触。它们还需要最多的安装空间。

接近传感器是一种存在传感器。根据所使用的接近传感器的类型，移动负载上可能需要一个“标志”才能工作。“标志”是负载上可以很容易被传感器检测到的部分。

接近传感器通常会发射电磁场并寻找电磁场的变化。一旦检测到磁场发生变化，它就可以向运动控制器或 PLC 输出电信号。接近传感器包括两种类型：电感式和电容式。电感式接近传感器可以检测黑色金属物体。这通常是使用“标志”的地方。电容式接近传感器可以检测非金属物体，但技术成本更高。接近传感器相当容易安装和操作，并且可以在恶劣的环境中运行。它们的检测范围通常为 1~10 mm。对于更长的范围，需要更大的传感器。重复精度在 0.1~0.5 mm 时不太好，温度会影响传感精度。

光电传感器是另一种类型的存在传感器，它发出可见光或红外光，并在接收器上寻找偏转信号。一旦接收器检测到从负载上的标志偏转的足够光信号，它就可以向运动控制器或 PLC 发送电信号。

光电传感器是高精度定位和良好可重复性的理想选择，因为它们在 1 毫米以下提供出色的传感精度。由于这些传感器使用光学器件，因此它们比其他类型的传感器更适合远距离传感，但它们对恶劣环境很敏感。例如，灰尘会降低这些传感器中使用的光学系统。对齐也可能是一个需要进一步考虑的问题。

激光型光电传感器提供最佳特性，例如远距离传感和精度，但成本增加。与其他传感器相比，激光可提供亚微米级（小于 0.001 毫米）的精度、高可重复性和更长的检测范围。一些激光传感器允许对精确的检测范围进行编程。由于我们正在处理激光，因此需要考虑预防措施以防止与人眼直接接触。对于激光传感器，对准需要非常精确。

传感器选择的设计标准

传统上，在设计控制系统之前，首先根据应用确定电机的尺寸。最近市场对 IIOT（工业物联网）通信的需求正在扭转这一过程。现在通常首先选择 PLC（可编程逻辑控制器）或某种形式的 HMI（人机界面），然后通过离散 I/O 将电动机、驱动器、运动控制器和/或传感器等组件集成到 PLC 或 HMI或现场总线网络。在设计过程的早期而不是之后考虑所有机器组件非常重要。

要确定您的应用需要哪种类型的传感器，您首先需要考虑的一些标准是精度、环境限制、测量范围、校准、分辨率、成本和可重复性。由于最终需要更换传感器，因此您需要确定易于维修的传感器位置以及必要的电缆长度。有时，可能需要接线端子来扩展传感器信号。由于每个传感器都需要电源和输出接线，用于工业机器的 10 个传感器使用 40 根电线，因此需要进一步投入工时来组装连接器和电缆。

需要集成传感器

确认应用所需的传感器类型后，需要与 PLC 兼容。这些传感器需要满足机器设计中选择的运动控制器或 PLC 的输入电路规格。其中一些规范是开/关状态、电压水平、电流要求甚至是网络协议。一个常见的查询通常涉及确定兼容的传感器类型以及如何连接传感器。例如，如果您的 PLC 只接受 NPN 输出型传感器，则您不能使用 PNP 输出型传感器。您还需要考虑您使用的是常开电路还是常闭电路。

外部传感器的成本

在构建传感器电路之前，您需要先提出物料清单。这些不仅包括正确类型和数量的传感器，而且您还需要确定必要的电缆长度、电缆支架安装支架和连接器。您可能还必须自己构建其中的一些。同时，您的机器设计需要考虑所有必需组件的兼容性和空间。

限位开关是最便宜的传感设备。它们的价格范围很广，从不到 1 美元起。然而，他们也是最失败的。

接近传感器的成本在 3 到 30 美元之间。它们相当容易安装和使用，并且可以承受恶劣的环境。但是，您需要经常在移动负载上使用金属“旗帜”，温度或外部磁场会影响传感精度。

光电传感器更贵，在 40 到 150 美元之间（激光类型更贵）并且可能需要额外的放大器，这会增加总成本。他们对自己的环境和阵营很敏感。然而，它们提供最高的精度、最佳的可重复性和最长的感应范围。

对我们自己的工厂生产机器之一进行的一项研究表明，对于 XYZ 运动的 3 个轴，需要 9 个传感器（每个 10 美元）、9 根电缆（每个 10 美元）、3 个狗（每个 1 美元）和 3 个传感器导轨（每个 5 美元）总费用为 198 美元。该机器还包括其他组件，例如摄像头和气源，这些组件也需要电缆，因此电缆位置的设计也很重要。

测试

下一步是实际测试传感器以确认它们是否按预期工作。您需要验证传感器是否安装在正确的位置，以确定正确的位置。这通常需要对电机的归位操作进行重复测试。这是耗时的，因为归位操作需要以比正常操作慢的速度执行。

在确认您的传感器系统按预期工作后，您还需要制定维护计划以防止现场故障。

维护

与任何电气或机械组件一样，这些传感器需要根据环境和使用情况不时更换。如果一个传感器出现故障，就会使整个机器过程变得不可靠。机器需要关闭，这意味着您公司的产量和利润会减少。您还需要拥有技能和经验的维护工程师来帮助防止这些故障或在它们意外发生时解决这些问题。

维护计划因所选传感器的类型而异。一些传感器比其他传感器对其环境更敏感。灰尘和油污等因素会缩短光电传感器的使用寿命。需要定期检查传感器的对齐情况，特别是如果它是激光传感器。电机机构发出的颤动可能会导致传感器随时间推移发生偏移。

当我们讨论维护主题时，了解实时监控功能是我们 AZ 系列驱动器的标准配置很有用。可以通过离散 I/O 或现场总线网络访问实时存储的驱动器数据，例如警报历史记录、输入电压、电机位置、速度、温度和扭矩。了解电机和驱动器的状态有助于规划维护计划或进行故障排除。

AZ系列优势

正如文章开头提到的，有时使用带有内置位置跟踪传感器（例如编码器）的电机可能更有意义。我们的 AZ 系列闭环步进电机在电机背面配备内置绝对式机械传感器，可提供与绝对式编码器相同的功能，并且无需外部传感器。

这种多旋转位置传感器集成到 AZ 电机的背面，并与其专用驱动器一起跟踪电机的绝对位置并提供快速、可靠的归位。

随着生产效率要求变得越来越苛刻，跟踪电机绝对位置的能力在工业自动化中变得越来越重要。如果您的机器中没有绝对位置传感器，则意味着电机可能会失去其已知位置，并且电机运行需要重新从头开始。在此期间，您的机器不生产，甚至可能生产出有缺陷的产品。AZ系列无需检测外部原点传感器，可直接高速移动至绝对式机械传感器记录的原点位置。

AZ 传感器如何工作？

这种新型绝对式机械传感器的技术基于称为 ABZO 传感器的磁阻传感技术（如图 9 所示）。这些传感器可以通过电阻检测磁场的角度。

内置绝对式机械传感器的结构包括一个连接到转子（电机的旋转部件）的主要一级齿轮，然后一系列齿轮也连接到一级齿轮。

所有齿轮都在特定位置安装了磁铁。由于这些齿轮的齿数不同，安装在这些齿轮上的磁铁会指向不同的方向。安装在电路板上（也安装在电机背面）的磁阻传感器可以确定这些齿轮上磁极产生的磁场的角度，然后通过类似的算法计算转子的绝对位置挂钟的时针、分针和秒针的概念。可以准确可靠地跟踪高达1800 转的绝对位置电机。

由于可以通过按钮或软件点击轻松设置绝对起始位置并将其存储在非易失性存储器中，因此不需要外部传感器。

随着外部传感器的消除，所有类型传感器的问题（例如接线、测试和维护）也从您的机器设计中消除；从而减少需要担心的问题。为了承受苛刻的环境，AZ 系列电机还具有IP66等级，既防尘又防水。

一些伺服电机配备了绝对编码器，但其中许多本质上是光学编码器，需要使用电池供电。由于我们的传感器本质上是机械的，因此不需要电池供电。停电后，我们的 AZ 系列电机可以立即恢复运行，无需执行归位操作。

凭借我们获得专利的Alpha Step Keep-in-Step技术，AZ 系列具有独立的位置校正功能（类似于伺服电机系统）以避免错过步数。这确保了定位应用的额外位置精度和安心。该技术还使用电机的位置传感器来优化电机绕组内相位切换的时间，以获得最佳性能。在下一节中，我们将展示一些实际测试数据来比较停止精度。

归位停止精度比较

现在让我们比较使用外部传感器与使用我们的 AZ 系列步进电机时的归位停止精度。

我们的测试装置包括安装在我们的一个线性滑轨上的 AZ 电机、AZ 专用驱动器、外部光电传感器和激光测距装置。然后我们进行了测试并记录了以毫米为单位的误差与以秒为单位的时间。不同的颜色显示用于测试的不同 RPM。

首先，我们测试了光电传感器在不同速度下的归位操作。请务必注意图 14，较高的速度会导致较低的停止精度。这是因为在更高的速度下，传感器完全停止电机需要更长的时间。在 60 RPM 时，我们发现过冲误差在 0.03 到 0.05 毫米之间。从10 到 60 RPM ，我们有大约45 微米的停止精度变化。

当我们在没有外部传感器的情况下使用 AZ 系列执行相同的归位操作时，我们可以在高达 3000 RPM 的速度下提供 3 弧分的停止精度。这意味着您可以获得更快、更一致的停止精度，以帮助提高机器的吞吐量。如图 15所示，一旦 AZ 电机稳定停止，停止精度为1 微米或更小。

概括

总之，在选择和维护外部传感器时需要考虑许多因素，例如传感器的特性、环境限制和规范。我们还讨论了与外部传感器相关的问题，例如接线、维护和停止精度的不一致。机器制造商需要投入更多时间或雇用更多员工，以确保每个组件都得到妥善集成和维护，从而确保机器的高效生产。

随着当前追求工程效率和加快产品开发的趋势，带有内置位置传感器的 AZ 系列步进电机消除了许多与外部传感器相关的问题，并为工业机器应用提供了理想的集成产品解决方案。立即与我们的 OEM 销售团队安排演示，以了解有关 AZ 系列的更多信息。