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技术支持

常见问题

通过常见问题,您将了解到有关步进电机、无刷直流电机、即插即用电机、线性执行器和电机控制器的一般信息。

BLDC Motors
Does the motor have a preferred rotation direction?

The BLDC itself has no preferred rotation direction, but the hall sensors can only be adjusted with a certain tolerance to the motor. This may result in a better behavior in one direction. To compensate for this effect, adjust the load angle values of the controllers of the SMCI series.

My BLDC motor with encoder only vibrates and doesn’t move at all.

Possible solution: reverse encoder direction, select the correct motor type/hall mode.

How is the “Hall mode” determined?
步进电机
问:步进电机应该在什么温度下存放?

答:步进电机应在-20°C 到+70°C的温度下存放。并避免冷凝和腐蚀。

当运行SP电机时需要注意什么?

电机升温是通过停机时的额定电流和额定电压定义的。当电机在双极控制下工作时,电压会升高,由此可造成持续运行的电机超过允许的最高温度并损毁。

因此,在持续运行时应注意,相电流与供给电压的乘积(= 功率)不得超过额定电流与额定电压的乘积(= 额定功率)。

Is the motor current specified in the data sheet a peak value or an effective (RMS) value?

The current specified in the data sheet is always an effective (RMS) value.

步进电机能否打开?

不能,因为在打开步进电机时,转子将与定子发生接触,磁性会降低。这就是说,电机的转矩会显著降低。这主要涉及到矫顽磁力较小的磁铁(例如铝镍钴合金磁铁),它们很容易偏离非线性磁化曲线上的最佳工作点,由此使磁化曲线变弱。对于高品质的钕磁铁而言,若没有合适的工具,打开时操作稍有不当便会导致磁铁碎裂或出现轻微裂缝,并由此造成永久性的磁损伤。

转矩是否取决于电流和电压?

当磁化处于磁化特征曲线的线性区域内——即尚未进入饱和区时,转矩便与电流(P = I² * R)或所产生磁通量直接成正比。这意味着:当电流增加一倍时,功率将达到原来的四倍。(示例:ST4118L1206-1W = 0.6A² * 3.1 = 1.11W,当额定电流翻倍时 = 1.2A² * 3.1 = 4.44W)因为电压必须“驱动”流经绕组的电流(P = U² / R),从而使其流动起来,电功率 P = U * I 或 P = U * (U / R) = U² / R,功率或转矩(P = Md * n = P / n(常量) = Md)同样随电压以正比关系增加。这意味着:当电压增加一倍时,功率达到原来的四倍。(示例:ST4118L1206-1W = 1.855V² / 3.1 = 1.11W,当额定电压翻倍时 = 3.71V² / 3.1 = 4.44W)。

这适用于恒定电压控制器,其前提条件是:电流能够随着电压升高而增大,且不会因阻抗(R² + X² 的根)而减小。当电压高于电机额定电压时,必须通过一个串联电阻来对电流进行限制。使用恒定电流控制器时,电流会在到达转矩拐点之前保持恒定。此时,仅功率会以正比关系增加,转矩则保持恒定。当电流远高于转矩拐点时,尤其是在电压为24V时,转矩才会大幅下降(由于感应电压升高、阻抗与转速成正比增大,额定电流沿渐进线减小)。在此处,功率或转矩才会开始与电压成正比关系增加。(以ST5918M3008–P为例,当转速为约500 rpm时,24V和48V时的转矩均为约0.9Nm。在1000 rpm和24V时,功率 = 0.65Nm * 1000 rpm * 3.14/30 = 68W,在48V和2000 rpm时,功率 = 0.65Nm * 2000 rpm * 3.14/30 = 136W。)这就是说,随着电压成比例的升高,功率将相应的增加。唯一的问题是:涡流损失以及由此导致的功率损耗将随转速二次幂增大;为了避免温度过高,电压升高设有限值。

为什么步进电机在高转速和较低转速运行时更容易失步?

当电机的频率或转速较低时,谐振性能仍十分显著,EMK随转速以正比关系增大;因此,电流越来越小(I = (UV – UEMK) / R),转矩大幅降低。
在两种情况下,转矩储备不足都会造成:当负荷短时间增加或转矩出现小峰值时,电机失步或失去同步,并可能停转。通过提高电源电压,或使用在相同转矩时绕组电阻或电感系数更低的电机,可以解决这个问题。

步进电机有哪些基本规格?

步进电机有三种特定规格:

I. 磁阻电机

II. 永磁电机

III. 混合电机

除了低成本的永磁电机之外,纳诺达克主要提供混合电机。混合电机将磁阻电机和永磁电机的优点集于一身。其步进分辨率高,重复精度高,在高转速运行时可达到卓越的保持转矩及额定转矩。

每转的步进角和步数

步进电机每转一圈所行进的步数由极对、相绕组或定子绕组的数量决定。z = p * m。2相混合步进电机的转子由50个软磁齿构成,它们通过齿间的磁铁分别形成北极和南极;2个相则缠绕在90°错位的极靴的四个绕组A + A/和B + B/上。
详情请参见动画
另一个特征是步进电机整步的步进角。a = 360° / z 或 a = 360° / p * m。STxx18..系列步进电机 的步数/转:z = p * m = 50*4 = 200 步;STxx09系列的步进角 = a = 360° / p * m = 360° / 100 * 4 = 0.9°/步。

电机能否以高于铭牌参数的电压运行?

 

铭牌参数仅适用于恒定电压模式,事实上该模式目前几乎已不再使用,它被成本低且效率得到大幅提升的恒定电流驱动器所取代,例如IMT901或SMC(I)。在接通铭牌参数电压时,经过一段时间(i = U / R (1 – e^(-τ(L/R))之后,电机达到额定电流(I= U/R)以及转矩。

为了减小电流缓慢增加所造成的影响,目前采用先进的恒定电流控制器来控制电机,在大幅升高的电压下运行电机,从而在达到更高转矩的同时达到更高的转速。

相应地,额定电流成为一个极为重要的参数,因为转矩与电流成正比,因此电流便成为代表转矩的固定变量。此外,电流还说明了电机的最大功率损耗(P = I² * R),在占空比为100%时不应超过额定电流。

 

在电压下降时,电流为什么会增大?

在一个封闭的机械系统中,根据能量守恒定律,电势能和动能的总和是始终不变的。
能量守恒定律的存在被一再证实,我们相信该定律也适用于ST5918M3008电机。
在24V和48V下,外部转矩均为0.65 Nm,转速为1000 rpm。无论功率驱动器和电机所使用的电源电压为24V或48V,功率输出皆为P2 = Md * n * 3.14/30 = 0.65 Nm * 1000 * 3.14/30 = 68W。当电压为48V时,电流 I = P / U = 68W / 48V = 1.4 A;而在电压为24V时,电流增加至 68W / 24V = 2.8 A。
此时,不考虑电机、驱动器和电源设备的功率损耗(U电源 * I电源 = P运动 + P损耗),因为最大功耗仅为10%左右,不会影响一般结论的得出。

电压下降会造成哪些影响?

当电机以较高转速工作时(高于约300-500 rpm,视电机绕组而定),电压过低将造成磁场减弱,由此导致转矩与电压降以正比关系降低。从这方面讲,同步电源设备(例如NTS-..) 具有优势,因为它能使电压及额定电流保持恒定,并迅速补偿电压下降。

飞轮质量的转动和加速

在实际应用中,常常需要对转盘(如5 kg、直径30 cm)实施转动,此时,只有尺寸、重量和所需动力是已知的。

首先,必须计算惯性转矩,对于一个围绕对称轴旋转的实心缸(公式 J = 0.5 * m * r²):(J [kg*m^2], m [kg], r [m]) = 0.056 kgm^2 = 562 kgcm^2 = 562000 gcm^2

之后,通过([rad/s^2])计算惯性转矩理论值。例如,转盘1 s应精确转动360°。平均转速便为1 rps,先用0.5 s加速至f = 2 rps,然后再用0.5 s制动至0(三角形特征曲线)。因此,角加速度为:25 rad/s^2 => M = 1.4 Nm。

但请注意:

此处的问题是加速度。因为SM并非从0开始,而是始于某一启动转速(为避免发生谐振,通常需要选择相当高的速度值),实际的加速度明显高于此处的计算值。由于数值难于进行计算/测量(必须评估编码器信号),在已知外部惯性转矩的情况下,通过下述一般规则来选择电机。

所选电机的转子必须达到外部惯性转矩的1/20以上,此处为28125 gcm^2(Jred = Jex / i2)。在这种情况下必须使用变速箱,从而以与减速比成二次幂的关系降低外部惯性转矩:在此处,10:1的变速箱对281 gcm^2的降低系数为100(ST59..的Jm 为..)。因此,ST5818M2008 + GPLE40-2S-12的组合是合适的。

变速箱当然也会限制最大转速——这一点也必须考虑在内,不过在此例中这并不构成问题。

步进电机有哪些应用优点?

步进电机是以数字方式进行控制和调节的驱动装置。可由模拟技术转换至数字技术、采用最新的软件解决方案、价格低廉且使用寿命极长、控制成本低:这便是步进电机备受青睐并得到广泛应用的原因。

a) 可以使用计算机+ PLC(可以直接通过计算机、PLC和微处理器实现控制)。

通过使用计算机,即使在最低级的、分散的机器层面,即插即用驱动电机也能在最大程度上提高生产效率。纳诺达克是全球第一个用工业上常见的即插即用驱动电机满足人们对紧凑、高效和经济的驱动系统要求的供货商。因为这种电机不仅大幅减少紧凑型驱动单元的研发、布线和安装费用,同时也提高电磁兼容性和机器可用性,而且大大简化了调试和售后服务工作。我们针对客户的特定要求不断开发出更多选件。并由此培养出不断翻新的密切伙伴关系,为生产出更加优良、价格更为低廉的终端产品创造便利。

b) 转速稳定

“在负荷波动的情况下没有转速突变”,步进电机无需额外成本就可以满足这个要求,其他任何电机都做不到。而且通过精确地调节转速、同步性或进给比例(例如精确计量泵),可以以数字处理手段使步进电机达到更高和更精确的分辨率。更为精确的调节功能、更好的流程控制和做工,这就是不争的事实。

c) 直接驱动

步进电机在低转速状态下拥有最大转矩,可以用纳诺达克微步驱动以低至约2 rpm的转速实现平稳运行。其他电机往往需要变速箱才能满足这种转速和驱动力要求。直接驱动装置也非常节约系统成本,同时提高运行安全性和使用寿命。因为占用空间变小,同时产生巨大的惯性矩,当然就不再需要变速箱来调节功率和驱动力了。

d) 避免机器损坏和人身伤害

人们经常提到的当电机发生堵转时会“失去同步”性的这个缺点,在某些情况下对于不断提高的安全要求反而是件好事。根据安全规定,步进电机通常不需要连接滑动离合器和超负荷离合器。

e) 定位精准

由于步进角很小,步进电机将空转和瞬态响应都降低到最低程度。即使没有外部路径或者角度传感器,步进电机也能很好地完成转速和定位任务。甚至无需多余成本,用纳诺达克功率输出级提高微步切换就可以提高精度或解析度。所有的纳诺达克步进电机均可以配备成本低廉的编码器,用于识别失步及锁定状态和执行闭环功能。

f) 无需制动器实现高刚性

步进电机在静止时具有极高的保持转矩,因此也具有极高的系统刚性。有了这个功能就不再需要外置制动器,除非 Z 轴方向上还需要一个安全制动器。在实施普通制动时,步进电机也具有优势。当伺服电机停转时,控制器必须全速运行。驱动装置将在设置的零位附近做微小的摆动。在大部分应用中,这都无足轻重。然而,在对镜子(在测量技术任务中,改变激光束的方向)进行定位时,这种摆动可能迅速成为干扰。相反,步进电机则能够直接行进至目标位置,然后停止。

g) 高动力

由于极数高、转子质量轻、空气间隙小,当步进电机与全新的动力型SMCI..闭环控制器 及PD6..即插即用电机 配合使用时,在低于约2000 rpm的转速下,其动力和角加速度将高于伺服电机。这种优点主要体现在下述应用中:小距离和小幅运动必须得到定位或极快的保留,同时起振时间极短或瞬态响应低——例如半导体技术、光学技术或纺织及检测机器。

h) 易于控制

步进电机驱动方案易于实施、价格低廉,因为它采用开放式控制回路,即:工作时无需外部编码器。除了电机外,还需要功率电子装置(驱动器)和合适的电源。转速或位置可通过外部的节拍器(PLC、PC或简单的RC振荡器)进行控制。借助于小型的附加电路板,甚至能够通过模拟输入(0-10V、0-5V或+/-10V)或电位计来设定脉冲,从而以类似于无刷直流电机的方式进行控制。

如何更改电机的旋转方向?

要更改旋转方向,可将两根电机连接线互换,例如将相A和A'互换。一般而言,通过纳诺达克控制器方向输入端上的高或低信号,可更改旋转方向。

有关电机电缆屏蔽的综述

为了防止电流、电感和电容耦合(也包括平行电缆间的耦合)所造成电磁干扰任意传播,应尽可能直接在干扰源上采取去干扰措施。通过一系列措施,可将干扰辐射降至最低。

方法之一是采用不同规格的屏蔽:

带非磁性薄膜或网的电缆屏蔽:

  • 网的高度或厚度与有效的薄膜截面成正比

单侧屏蔽:

  • 必须注意保证具有足够大的电流承载能力:在电气设备最为敏感之处对屏蔽实施接地

双侧屏蔽:

  • 用于交变磁场产生干扰之处

屏蔽中的感应电压产生电流,后者再形成自己的、与最初起源反向的磁场。在屏蔽中,电缆所受到的残留感应作用被减小。

对屏蔽进行双侧接地的做法也有缺点。当电缆始端和末端存在电位差之时,它会强制允许部分电流从屏蔽上流过。由此,接地回路降低了原本的屏蔽效果。此外,配电网耦合或闪电还可能造成屏蔽过载。

若遇到更高频的磁耦合,可以将一侧直接接地,另一侧通过一个电容器接地。电网频率的电流将被阻止,更高的频率将得到补偿。此时常用到10 – 100 nF的低损失陶瓷电容器。

建议使用多长的电机电缆?

电机电缆不应被延长,其长度不宜超过25 m,其最小截面必须符合电流负荷表。较长的连接线会对保持转矩及转矩造成不利影响,尤其是在速度或转速较高之时。当电流增大时间常量 τ = L / RM * RL 变大时,电流时间区下降,转矩以正比关系下降。
电缆应当进行屏蔽,并优先采用成对绞合方式。屏蔽连接在步进电机控制器的PE端子上。必须确保电机电缆连接良好。
纳诺达克可按照客户的特定需求实施电缆生产,产品种类齐全。

使用步进电机时需要加装旋转监控吗?

若步进电机尺寸正确,便是绝对可靠的驱动元件。然而,当步进电机过载时,会永久丢失额定位置分配。这称为"步距错位",被视为步进电机的缺点:因为控制链是开放式的,错误位置不会被识别出来。

通过配有旋转编码器/编码器的附加测量系统,可将测得的实际位置与所需的额定位置进行比较。可能存在的偏差将被识别出来,并通过后续的调节过程进行修正。

纳诺达克可提供成本极低的高分辨率编码器,以进行转速监控。增量式的2和3通道编码器是成本低廉的解决方案,可持续保证功能安全、测量精准。纳诺达克编码器结构尺寸小、重量轻、分辨率高,可适用的温度范围大,能够抵御振动加速。为了便于进行后续安装,所有配有第二根出轴的电机在后侧的盖板上均设有相应的安装孔。

即插即用电机集成有带自动纠正的转速监控功能。

SMCI系列的步进电机控制器配有一个编码器输入端,可以对5V TTL信号进行评估。

若机器上装有直接的测量系统,则将在测量精度的范围内修正机械装置的错误和非线性运动。

处理谐振的提示
  • 微步运行

    微步距越小,谐振问题越小。减小步进角也可减小过振角,减少系统中的显著谐振点。从经验上说,1/8的微步距已经能够实现良好的低振动运行,而低于1/32的微步距几乎不会再有改善。若微步距驱动器未安装或集成电流补偿功能,这将造成电机转矩下降,从而成为某些应用中的弊端。

    减小相电流

    转矩储备越高,产生谐振越大。因此,空转时产生谐振最大,测试时的谐振最为剧烈。出于这个原因,应尽可能在应用中实施测试;因为在应用条件下通常有摩擦力矩存在,从而对整个系统形成阻尼。减小相电流不仅能够降低振动趋势,还会降低刚性:若驱动器未集成电流补偿功能,在评估定位精度时必须考虑这一影响。

    改变步进频率

    步进电机空转时的基本谐振为约70-100 Hz(整步),当基本谐振倍增或协调时,共振会相应地增强或减弱。若过程允许,可通过最简单的方法避开谐振频率:选择更高或更低的频率运行,必要时可接入变速箱或改变减速比。稍稍偏离临界步进频率即可获得不错的效果。

    增加摩擦

    一般而言,摩擦可对系统形成阻尼,使过振角变小。然而,摩擦会减小储备转矩,从而使效率降低。

    安装减震器

    纳诺达克提供的减震器可减小过振角,吸收振动能量。由此,谐振频率大幅降低,因为振动转子与外部质量之间的速度差也被减小。安装减震器还能大幅降低运转噪音。

    改变斜坡陡度

    当电机的加速度相对较慢时,电机启动时可能再次到达谐振点,从而导致系统不稳定。相反,陡斜坡的支持点更少,由于加速度大,转矩储备减小,系统阻尼更大。

    降低振动趋势

    微布距不仅降低了振动趋势,发生振动的危险也随着电源电压的降低而减小,因为电流增大的速度变慢了。

谐振是什么?

通过自身的转子惯性矩和磁性保持力,每个步进电机都会形成一个具有低自阻尼的振动系统。这种系统可能引发振动,从而叠加在原本的步进运动上,并会造成转矩下降、失步甚至改变转动方向。

您可将步进电机比作同步电机或弹簧振动系统——其中,转子紧随励磁场发生运动。励磁场越大,刚性越高,振动趋势和自谐振频率越明显。

在自谐振时,转子丢失定子旋转场或同步性,转矩损失增大,以至于电机会在短时间后发生松脱,电机通常无法再次啮合,最终处于停转状态。此时,若在自谐振频率附近运行电机,转子可能“摇摆”或向上振荡,电机失去同步。谐振将造成巨大的运转噪音。

因此,在理想的情况下,应当先在步进电机的法兰上装好负载,然后再投入运行。这种基本负载可起到阻尼作用,通常已能够实现低振动运行和安全频率启动。在极少的情况下,电机能在后续的旋转场相中再次达到同步。由于在正或负旋转方向上的过载/过振时间短,转子将落入后续的稳定旋转场位置中。

由于步进电机的谐振是由其结构决定的,因而,通过使用特殊的过程只能降低或部分消除谐振。

最高允许温度是多少度?

纳诺达克ST系列标准电机的绝缘等级为 B = 130 °C。绕组和滚珠轴承的温度不得超过该值。(SP系列产品的绝缘等级为 E = 120°C,该值适用于滑动轴承)。

若怀疑温度过高,建议用合适的温度传感器来测量步进电机的表面,测量时可选取不同的点位,从而根据冷却面来确定过热位置。步进电机表面的温度不得 > 100°C,否则将造成无法修复的损坏。导致达到该温度的原因(例如环境温度过高、低占空比时电流达到中等或高强度),则是无关紧要的。

在额定电流运行时,步进电机的温度将升高80°C;这意味着,当环境温度为50°C时,持续运行时绕组/轴承的温度将达到最大允许的电机温度值130°C。

通过加装更大的法兰面(优先选择铝材质,因为铝比钢的冷却能力高4倍)或用风扇强制进行空气流通,可达到更好的空气对流效果,从而使电机得到更好的冷却。在当前的电机尺寸条件下,这可提高功率产出

电机的温度越低,轴承的寿命越长。

转速增加时的温度升高

除了铜损外,在转速增加时,反复磁化损失同样会增大。这也称为铁损,它随频率二次幂增大。

若电机在高电源电压下运行,额定电流可在绕组中在相对长的时间内保持恒定。由此,扭矩特性曲线也在很长时间内保持恒定,很久之后才会下降。

在中等电源电压(48-70 V)条件下,额定电流将在更早的时间点上开始减小,这种提早发生的电流强度减小能够补偿铜损;从某一特定转速开始,二次幂增加的铁损也将得到补偿。由此,电机不会剧烈过热,无需加装散热片,使用寿命得到保证。

步进电机在半步运行时的转矩低于整步运行吗?

整步运行

 

在整步运行时,步进电机的转矩最高。然而,步进电机此时的谐振也最为剧烈,这会对转矩造成不利影响。若所需转速与谐振频率接近,更有利的方法是转换至微步运行,因为在该频率下无论如何也无法使用电机的全部转矩。

半步运行

 

动画展示了步进电机在半步运行时的工作原理:2个绕组(相)交替通电。通过对两个相电流I进行矢量和计算或几何加总(电机 = √ Ia2 + Ib2),得出半步运行转矩为整步运行转矩的70.7%。全新的SMCIxx微步距驱动器具有自动电流补偿功能。在半步相期间,处于激活状态的相电流被增大至系数1.4(因为其它的相此时处于关断状态,因而热负荷处在允许范围内)。通过电流增大,半步运行的转矩可达到整步运行转矩的近95%。

四分之一步及更小步距运行

 

与半步运行类似,四分之一步运行时的矢量相电流更小,由此得出的转矩为整步运行转矩的55%左右,1/8步运行时该数值为45%。
纳诺达克SMCI系列的步进电机控制器以及所有全新的即插即用步进电机,都集成了半步运行以及更小步距运行时的自动增加电流功能。由此可达到几乎与整步运行相同(约95%)的转矩。
所有的扭矩特性曲线都记录在1/4步距模式中,并带有电流补偿。
另一个优点是:微步距运行通常需要的能量更少。其原因是剩余波纹度更小,更高的同心度大幅避免了谐振的发生。

单极和双极电路的区别在哪里?

单极控制器适用于5、6和8根引出线的电机,被用于简单、低成本的应用。在最简单的情况下,两个相的中心抽头连接在电源电压正极上,各个半节绕组按照接线图通过四个开关或晶体管(或PLC的四个输出端)交替连接至地线。若使用绕组阻值较高的步进电机,则通过公式I = U / R限制相电流;在高频率运行时,则通过公式I = U / 2 * π * f * L粗略限制相电流。相比之下,单极控制器的转矩只能达到双极控制器转矩的约70%。

双极控制器适用于4、6和8根引出线的电机,被用于高效和高动力的应用。两个相分别通过两个H桥(四个晶体管按照接线图以对角线交替连接)由电源电压正极、经过处于对角线位置的晶体管(若为恒定电流,则经过测量电阻)连接至地线。双极控制器的转矩(铜始终得到全部使用)比单极控制器高出约30%。由于电路集成度高、转矩更大,由恒定电流控制的高效微步距输出级长期以来始终倍受青睐,例如纳诺达克的IMT 901、IMT 902和SMC.. 型号产品。

步进电机有哪些特性?

步进电机具有下述优点:

  • 可在不使用外部线性编码器(开放式控制回路)的情况下实现精准的步距定位
  • 由数字脉冲控制速度和位置
  • 速度与输入频率成正比
  • 步距误差(<5%)不累积(1.8°或0.9°步进电机的误差 = +/- 0.09或0.045°)
  • 在较低转速下即可达到高转矩(与无刷直流电机相比,通常可省去变速箱)
  • 控制电路简单,成本低
  • 刚性高,可将转子停留在其保持位置上,无需制动器。此外,当步进电机在零位停留时,不会围绕着电机轴发生摆动(hunting);相反,伺服电机常常会在此时遇到问题。
  • 加速性能卓越
  • 在低速至中等速度条件下可达到最高功率密度
  • 可堵转,而不会损坏绕组
  • 寿命长(无刷,因此使用寿命仅与轴承有关)
步进电机的结构如何?

步进电机是同步电机。步进电机由一个磁性转子和多个相互错位的定子线圈构成。为了产生磁场,线圈被通上电流。电磁场的极性随着电流方向的反转而发生改变。当这种改变按照已定义的顺序发生时,将产生一个旋转的定子磁场,从而带动转子的刻齿永久磁铁随之发生转动。这样一来,电脉冲便决定了循环磁场的速度,转子将这些脉冲转化为机械旋转运动,以达到已定义的步进角。

在电机两侧,转子均装配有滚珠轴承。因为电机未装配整流器或滑环,因而,电机的寿命取决于滚珠轴承所承受的负载。在以额定负载(参见数据表)运行时,我们电机的L10h使用寿命为约20,000运行小时。

为什么电机采用4/6或8根引出线?

电机引出线的数量表明了电机可使用的运行或控制方式:单极、双极并联、双极串联或使用一个半节绕组。配有8根引出线的步进电机,其运行方式最多,这种电机适用于全部控制方式,因而能够非常灵活地满足各种应用的需要。由于接线方式灵活多变,配有8根引出线的电机通常能够立即投入使用。

配有8根引出线的2或4相步进电机,既可采用单极控制器也可采用双极控制器(并联、串联、一个半节绕组)控制运行。(单极与双极控制的区别--动画链接)

配有6根引出线的步进电机,既可采用单极控制器也可采用双极控制器(串联或一个半节绕组)控制运行。若中心抽头打开,须分别对两个接头实施绝缘。(动画链接)

配有4根引出线的2相步进电机只能双极运行。由于输出功率低(仅用到绕组中铜的1/2),纳诺达克不提供单极功率输出级。

步进电机是什么?

在定位和精准转速控制领域,步进电机的地位已十分稳固。步进电机的典型特征是电信号和旋转运动直接相关。

步进电机将电能转化为精准的机械运动,在每个电脉冲的作用下转动特定的角度。借助于数字脉冲,简单电路也能在无外部反馈(例如编码器)的情况下达到精准的角度值。

早在1950年,步进电机便已投入使用。全新的材料和工艺过程——尤其是数字技术和软件,使步进电机得到极为广泛的传播和应用。新型的控制方式采用极快的数字信号处理器,大幅提高了步进电机的效率,降低了噪音,使其应用领域越来越广泛。

定位示例:在100个脉冲的作用下,1.8°步进电机准确旋转180°

步进电机不仅能够实现完美定位,还能极为精准地达到应用要求的转速,因为旋转速度与脉冲频率成正比,几乎不受外部负载变化的影响。

转速控制示例:在1000脉冲/秒(1000 Hz)的作用下,1.8°步进电机的转速精确达到300 rpm(1000/(360°/1.8°)*60 s= 300 rpm)。

即插即用电机及电机控制器
什么是闭环?

它也被称为通过编码器产生受到磁场控制的正弦换向电流。通过编码器的信号获得转子的位置,并在电机绕组中产生正弦形状的相电流。通过磁场的矢量控制确保定子的磁场与转子的磁场相互垂直,保证磁场强度与所需的转矩完全相符。在绕组中产生的强度受到控制的电流保证电机作用力稳定,使电机运行极为安静,从而实现电机的精确控制。
SMCI系列的控制器以及即插即用电机配有集成的闭环功能,可在失步时在位置运行结束时进行自动平衡。
在闭环运行中,SMCI系列控制器必须安装最低500脉冲/转的3信道编码器或编码器,它们在即插即用电机中已经完成了集成安装。
我们的控制器也集成有一个动力闭环,不仅能够在行驶时补偿步进角误差,还能整步内对负载角误差进行修正和跟踪。
步进电机由此可达到与高动力伺服电机类似的动力性能(可达约2000 rpm)。

除了高动力之外,它还能达到较高的转速,在小转速范围内没有谐振点。其运行噪音明显更低,效率更高,因为使用更小的电流便能达到同样的功率,同时保持低得多的温度,并减少能耗。

dspDrive技术指的是什么?

dspDrive指的是以软件为基础进行电流控制。在新一代纳诺达克硬件中,不再采用集成化模块对电机内的电流进行调节,而是直接通过数字信号处理器进行控制。
相对于既能在绕组中测量电流,又能仅以6到8位来对额定电流预设值进行解析的常见IC(集成电路),这种采用新型dspDrive的设计能够以12位的分辨率来进行总体控制。PI电流控制器的参数既可以根据电机进行调整,也可以由用户依据转速进行调整。
应用方面具有以下优点:
绕组中的正弦波电流使电机具有平稳、低振动的运行状态。调节器的高分辨率确保了不会出现跃迁和噪音,从而导致电机谐振。
在开环运行中也能达到极高的步距角精度和同步性。
通过带有数字信号处理器的半桥直接控制电路,不仅能控制2相还可以控制3相步进电机和无刷直流电机。

How do I connect my RS485 2-wire interface with the RS485 4-wire interface from Nanotec?

Connect RX+ to TX+ and RX- to TX-. Your 2-wire interface must be fast enough to switch between send and receive modes. If this is not the case, the baud rate of the Nanotec interface (115200 bps) must be reduced to 9600 bps for example (e.g. with Nanopro).

What is the function of the red and green LEDs? (both LEDs are not found on all controllers)

The green LED lights up when power is applied to the controller. If the green LED does not light up, the controller must be faulty. This error is caused either by overvoltage in the communication (irreparable) or an incorrect power supply connection. In this case the fuse needs to be replaced. The controller needs to be sent back to us for this purpose. Please use the RMA form for this.

The RED flashes several times when the operating voltage is switched on and then goes out.

The red LED lights up continuously when undervoltage or overheating occurs (LED lights up briefly when the controller is switched off). The LED goes out again when the temperature has dropped and the controller has been switched off and on again.

The red LED flashes slowly and no communication is available. Firmware must be reloaded using the firmware utility.

What must be paid attention to when connecting the N5 to TwinCat?

Some advice when working with EtherCAT/TwinCat:

  • When the object is mapped as PDO, the value is overwritten with the first mapping.
  • The value of the object may also be overwritten when TwinCat boots up. To avoid this, open the TwinCAT System Manager -> click on N5 -> Tab „Startup” – here you find a list of all the values which are sent when the status is changed (p.e. transition „<PS>“ means the value is set when changing the status from Pre-Operational to Safe-Operational). If you wish to always load a value during the start, click on the button „New …“ and save the transition you want (common is „S->O“, from Safe-Operational to Operational). You can also enter Index, Subindex and value.
N5 motor controller: Can I edit the file init.on and copy it into the CONFIG folder of the drive?

Yes, if you follow these steps:

  1. 1. Change the parameters you wish in NanoIP.
  2. 2. Download all  *.ON files.
  3. 3. Open the NanoIP of the target drive N5 and copy the files to the „CONFIG“ folder.
  4. 4. Power the drive off and on in order to load the parameters of the .ON files.
  5. 5. In NanoIP, click on „Save complete configuration“ – this way the parameters are saved in the memory and stay on the drive even after a firmware update. 
What needs to be considered when using the „autotuning“ function of NanoPro?

The controllers of the SMCI series and the Plug & Drive motors of the PDx-N series are equipped with an internal fuse. Therefore an additional external fuse is not required but would be an advantage in case the fuse is blown because then controller won’t need to be opened to replace the fuse (important for IP protection products).

Is an additional fuse required?

The controllers of the SMCI series and the Plug & Drive motors of the PDx-N series are equipped with an internal fuse. Therefore an additional external fuse is not required but would be an advantage in case the fuse is blown because then controller won’t need to be opened to replace the fuse (important for IP protection products).

When is an encoder with line driver recommended and when a line driver converter?

The encoders of the WEDL and NOE series generate an inverted signal in addition to the encoder signal, this leads to better interference immunity and is especially recommended for long lines lengths (> 500 mm) and applications with neighboring interference sources.

The differential signal can be evaluated with a line driver/encoder converter:
Line driver converter for SMCI33/47 (5V): ZK-SMCI-LD
Line driver converter for SMCI35/36 (5V): ZK-SMCI35-LD

定位是如何实现的?

定位用于将步进电机转动至所需的目标位置。其实现方式分为两种:步进电机以启动/停止频率启动,在到达目标位置时停止;或在较高的调节速度下以启动/停止频率启动,然后通过频率斜坡加速至最大频率。在步进电机即将到达目标位置前,通过频率斜坡制动至启动/停止频率,并在所需的位置上停止。

为什么需要使用充电电容/中间回路电容?

在实施制动或停止时,步进电机像一个发电机一样,向电源发出能量,从而导致电源电压升高。由于功率驱动器中所用的晶体管及其它部件对最大允许电压存在限制,因此,制动能量或电压升高可能损坏功率驱动器。通过具有相应耐压强度的大尺寸电容器,能够在一定时间内吸收这部分制动能量,从而对电压进行限制。

除了充电电容外,部分情况下也会使用主动式镇流器电路,以将多余的能量转化为热能,从而限制电压升高。

较之于充电电容,主动式镇流器电路能够更有效地抵御迅速出现的电压尖峰;因为它反应迅速,更主要的是能够独立工作,不受当前可用存储能力的影响。但是,充电电容在各种情况下都是不可或缺的,因为它几乎能够无损失地吸收和释放能量;而主动式镇流器电路所起的是补充性作用——迅速的过压保护。

需要使用哪些电源?

SMC xx系列的所有步进电机驱动器均使用低损失的开关运行(斩波控制器或PWM)来控制电流,因此,所标明的相电流无需再乘以二。此时,必须通过电机的机械功率 P = Md* n * π / 30 加上电机、控制器和电源设备的效率,来计算电源的输出功率。

确定电源功率(单位W)
电源的总功率由动能(在所需转速(单位rpm)和系数π / 30时的必要转矩(单位Nm))和电机、功率输出级和电源设备的功率损耗组成:
P总 = P机械 + Pv(电机 + 输出级 + 电源)

各扭矩特性曲线的示例

  • a) 电机尺寸 42mm – ST4118M1206(2000 rpm,48V,1Wdg.) = 36 W
  • b) 电机尺寸 56mm – ST5918M3008(2000 rpm,48V,并联) = 140 W
  • c) 电机尺寸 56mm – ST5918M3008(1000 rpm,48V,并联) = 90 W
  • d) 电机尺寸 86mm – ST8918L6708(1000 rpm,72V,并联) = 315 W

 

功率损耗与电机的相电流成正比(I² * R),通常以动能的5-7%计算其最大值。
在示例a)(电机尺寸 42)中:动能 * 1.07= 36 * 1.07 = 38 W。
鉴于市场上仅提供特定的标准尺寸,所以本示例选用50W的电源设备。您还可以再连接一个用电设备。
在示例b)中,电源功率必须达到150W,因为步进电机驱动方案要预设约25%的功率储备。这就是说,真实的功率消耗为 0.67 Nm * 0.75 * 2000 * 3.14 / 30 = 105W。
综上所述,此示例中推荐使用150W的电源。
在一定功率储备下,电机和电源设备都会稍微发热。若未掌握最终的转速和转矩数值,但仍需要电机电源,可采用简单的指导值 = 相电流 * (0.7-0.8) * 电源电压,即:1A *0.7 * 24V = 16.8W,由此得出20W的标准电源。

熔断器
熔断器(慢熔式)的电流值应至少为电机相电流的1.5倍。

 

电源的种类和型号
目前使用的电源是开关电源(Power Supply),因为它比配有发电机、整流器和电容滤波器(常导致空转电压过高)的电源设备效率更高,尺寸和重量更小。

通过105-150%的过载保护(Overlast Protection),将识别出范围内的过载峰值,从而对电流进行限制。但您必须确保这不会成为持续性过载(约120%的持续性过载可能不会被识别出来,却会严重降低电源的使用寿命。

充电电容
使用充电电容后,电压波纹应低于2.5Vss ,最低电容大致在2000 µF / A。最低电容还与驱动器允许电压和电源电压的差值有关,并受外部飞轮质量的制动时间及尺寸的影响。无论如何,所选的电容都应满足:减速、制动或突然停止时的反馈能量都能被电容器吸收,且不会造成电压大幅超出功率驱动器的允许电压。

如需为我们的SMCI控制器和即插即用电机配备合适的纳诺达克电源,请在我们网页的配件区查找高性能的电源。

在关断电机控制器时是否会丢失位置?

若要转子在停转时仍然保持其位置,必须对步进电机进行控制/通电。纳诺达克控制器配有一个Enable输入端,通过它可以关闭驱动器,切断电机电流。随后,电机将在下一个稳定的定子-转子位置上锁止,即:电机最多能够向前或向后跳两个整步。再次通电时,将启用相同的步距,转子将被晶体管再次拉入相同的相位。若电压被完全切断,电机将在再次通电时丢失其最终位置,因为它可能在向前或向后跳两个整步之后锁止。

在停转时,步进电机的转矩和输入功率达到最大值。因此,若停转时间较长,推荐使用电流下降功能。

混合步进电机的锁止力矩/自保持转矩较高,以至于电机在停转时也有制动效果——只要负荷力矩不超过自保持转矩。

测算电机功率(一般规则)

在选择步进电机时,需要了解最大转速和最大转矩,最好能够绘制出特征曲线;然而,特征曲线很少能够绘出。

步进电机的机械功率(单位W)通常不会给出。但在众多情况下,完全可以初步估算出哪个系列的产品可能被用到。

计算示例:

转矩10 Nm,转速200 rpm
P = Md (Nm) * n (rpm) * π / 30
或通过极为简单的方法进行粗略计算,P = Md * n * 0.1 (P [W], M [Nm], f [U/s] = 209 W (M [Nm], n [rpm])= 10 * 200 * 0.1 = 200 W(此示例中只能使用ST8918系列中的一款电机)

通过近似公式,可方便地从特征曲线上直接读出功率,而不会发生较大误差。

在达到拐点转速前,步进电机的功率将一直增大,达到拐点后电机将保持较高的转速,因为转矩会随着转速的增加呈近似线性下降之势。

哪种微步距设置最合适?

这在很大程度上取决于具体的转速,主要还受到所需转速范围的影响。若仅需要低/高转速,则适用最大可能/最小可能微步距的规则,因为在低转速时谐振和噪音将大幅降低。不过,在低转速运行时,驱动器应集成有电流补偿功能,从而达到近乎相同的转矩;而在高转速运行时,半步甚至整步模式便足以使电流进入绕组,从而确保外部的节拍器不会过载。
对于转速范围较大的应用,建议驱动器启用自适应频率转换(像SMCI控制器一样),从而在全部转速下达到低噪音的最佳运行性能。若只有简单的驱动器可供使用,半步运行常是不错的协调方案,因为谐振已经比整步时大幅降低。

超过32/1的高微步距分辨率是否具有现实意义?

步进电机驱动器能够实现尽可能高的微步距设置,从而达到高分辨率和高精度,因此常常成为必购之物。然而,当您购买了一个分辨率达1/128的驱动器(按照1.8°步进电机进行计算 = 0.0140625°/步 = 25600 步/转)后,在实施精度测试时却发现情况并没有那么理想。
其中,起到决定作用的是:在当前负载角或当前位置时,微步距中的转矩储备(转矩储备越小,微步距中的偏差越大)。在没有电流补偿的情况下,微步运行时的保持转矩或转矩储备占整步运行时转矩的百分比:1/1=100%、½=70.7%、¼=38%、1/8=19.5%、1/16=10%、1/32=5%、1/64=2.5%、1/128=1.25%。

这就是说,当微步距为1/64或1/128时,实际电流与额定电流的偏差仅为2.5%或1.25%。在没有电流补偿的情况下,这种微小的电流变化几乎不会造成电机轴发生转动,因为极灵敏度(静态保持转矩)已超过电流变化所引起的磁通量改变或定子磁场中的立场。
在转动方向改变或反转时,误差会更大,因为此时需要先走过大量的微步距,然后电机轴才会开始反转,以便在微步距运动至约1/8或¼的步距值之时能够实现大的跳跃。

在没有电流补偿的情况下,½及¼以下的微步距运行仍可重复达到高精度;除此之外,微步距运行实际上仅用于降低谐振和运转噪音,以及在低转速时达到更好的运行性能。此时,1/16和1/32的微步距模式也没有明显的优势可言。

在面对高分辨率的微步距驱动器时,您首先应当询问,该控制器是否集成有电流补偿功能。这样做可以为您节约金钱和时间。
除了电流补偿外,步进电机自身无法形成真正的超过360°的正弦曲线。若电机的正弦曲线发生歪曲(既没有真实或真正的正弦形状,也没有精确的90°相移),同样会影响到步进角的精度;这主要发生在微步距运行中。纳诺达克对新驱动器的电流曲线进行了调整,以适应发生歪曲的电机正弦曲线。由此可将步进角误差降低至< 3%。即插即用电机的步进角误差甚至能够进一步减小。这同样适用于微步距运行,因为电流曲线已根据电机的正弦曲线做出调整,两条曲线已完成统一。

电流下降(尤其是在电机停转时)有什么优点?

因为保持转矩高于转矩,所以可以通过较小的电流达到同样大的保持转矩。

此外,在某些应用中,停转时通常只需使用转矩的一小部分,以至于降低的保持转矩已完全能够满足需要。因为功率损耗与电流成二次幂关系,电流下降25%可使功率损耗降低约50%。
以ST4118M1404电机为例:功率损耗 Pv = I2 * R = 1.42 * 1.2 = 2.35 W,当电流下降25%时 Pv = I2 * R = 1.052 * 1.2= 1.32 W = 56%

这不仅减少了能耗,还能够降低驱动器和电机的平均温度。从而进一步延长部件的寿命。

所有的纳诺达克驱动器均集成有自动或可调的电流下降功能,由此将大幅降低电机停转时的功率损耗。

纳诺达克控制器是否配有编码器信号输入端?

在标准配置下,我们的大部分控制器和PD-I系列即插即用电机都支持该功能。若使用的是其它控制器,只有在下述情况下才可能使用该功能:上级PLC对编码器的5 V TTL电平进行评估,并对时钟输入端的脉冲做出相应的调控。

哪些启动斜坡是理想的选择,多快能够达到最大转速?

电机的最大加速性能主要由所需工作点上的转矩储备决定,但也受到外部惯性矩和转子转动惯量的影响。
在最短的启动斜坡上,始端出现极高的指数型加速度,然后逐渐靠近最大值。
不过,实际使用最多的是线性斜坡,因为它易于进行编程,也可通过运行放大器进行设置。然而,线性斜坡的动力并不显著高于指数型斜坡,在行程较大时所发挥的作用并不大。若要达到尽可能短的调节路径和定位时间,且机器的节拍对产能至关重要时,应当在斜坡期间改变加速度并对此进行编程。此时,最高频跳应在启动时出现,最低频跳应在最大可能频率处出现。
在启动和制动斜坡之间,应当以恒定频率行进约5-10步。否则转速将发生双重改变,从而造成电机动力过载和失步。

除了线性斜坡和指数型斜坡外,纳诺达克还支持S形斜坡;后者的主要特点是:加速无振动、减速平稳,可确保输送安全,避免发生常见的负载摆动。S形斜坡的优点是运行平稳、效果最佳。S形斜坡尤其适用于变化极大的过程,例如在缠绕和开卷时确保张紧力恒定;该斜坡对不同机器部件(如变速箱、凸轮)所造成的磨损更低。

哪些启动/停止频率是可实现或有现实意义的?

最大可能启动/停止频率与摩擦负荷或摩擦力矩有关,但主要取决于外部惯性矩,在电机空转时的扭矩特性曲线中标明,单位为fs。
若在fs和最大转矩之间画一条直线,则可以极为粗略地从转矩和直线的交点上找出可能的启动/停止转速,此时,加速转矩 Ma = J * a 必须加在摩擦力矩上。
要绘制出真实的启动/停止特征曲线,只能通过不同的外部惯性矩来获得大量测量结果,然后将其作为特征曲线集合记入扭矩特性曲线中充当参数。在实际情况中,最初通常无法得知精确的转动惯量,为此,我们在自己的实验室中通过不同的惯性矩来测算可能的启动频率。

Software & Programming
What operating systems are supported by NanoPro?

NanoPro runs on the following operating systems:
Win 2000, Win XP 32bit/64bit, Win Vista 32bit/64bit, Win7 32bit/64bit. Win8 and Mac are not supported.

When you load a new program, does it overwrite the previous one?

Yes, because you can only run one program at a time. This applies to all controllers of the SMCI/Plug & Drive generation.

Is it possible to read out the Java program loaded on the controller?

No, this is not possible. You can only start/stop the program or read possible error messages. 

What must be taken into account when writing/compiling a Java program with NanoJ Easy V1?
  • The „overall size“after compiling should not exceed 4096 bytes, including variables.
  • The longer the variable name, the more space is needed in the program. For example “static int I” needs 34 bytes, “static int i_lang” on the other hand 39 bytes.
  • Each data type occupies different space in the memory. For example variables of the following types, with names consisting of 1 character:
    int          34 bytes
    char      40 bytes
    byte      40 bytes
    float      48 bytes
    double  55 bytes
  • The stack is limited to 50 entries, which should be taken into consideration when recursive code is used.
  • “Constant” variables must be declared „static final“ in order to save bytes, „static“ is not enough.
  • The declaration of „public“ variables is not possible, only „static“ variables can be used. The same applies to classes. 
  • The switch case structure is not supported.
线性执行器
我们为什么采用PEEK(聚醚醚酮)作为原料?

纳诺达克的全部混合式线性执行器都使用由高性能塑料PEEK(聚醚醚酮)制成的螺纹轴衬,这种塑料能够极好地抵御机械负荷造成的磨损。较之于传统的青铜螺纹轴衬,纳诺达克热塑性螺母的滑动性能好得多,因为产生的摩擦更少,其效率几乎高出一倍。这延长了电机的使用寿命,同时,自润滑螺母还降低了维护成本。

纳诺达克线性执行器有哪些特性?

基于丝杠螺距(p,单位 mm)、转矩特征曲线(Md,单位 Ncm)和有效系数计算可达到的分辨率、进给速度以及进给力,方法如下:

  • 分辨率,单位 mm/步 = /(360° / 步进角),例如 1 mm /(360°/0.9°) = 0.0025 mm/步
  • 进给速度 = f • 分辨率,例如 2000 1/s • 0.0025 mm = 5 mm/s
  • 推力,单位 N = MdMot • 2π • 效率 / p,例如 L5609X(约 15 Ncm、2 kHz) = 15 • 6.28 • 0.1/0.1 cm = 94 N (峰值转矩)
  • 效率 = 依据DIN 267 - 表1的效率:细牙螺纹约0.1;梯形螺纹约0.4;滚珠丝杠约0.9。此外,在计算预期使用寿命时,还必须顾及到静态摩擦和滚动摩擦系数(0.9至0.7)、表面特性(粗糙高度/丝杠和螺母的硬度)、材料对(钢/钢、钢/铜-青铜、钢/POM塑料)、污染度和同心丝杠导轨。运行的稳定性和可能的使用寿命,必须通过真实的试验进行测定。(依据经验,使用梯形螺纹时整个系统的效率为约0.3,采用滚珠丝杠时效率为约0.7)
线性执行器的使用寿命如何?

数据表中载明的力基于10-20%的占空比,其数值必须随占空比值的增加而相应减小。 在详细估算使用寿命时,重要的参考值是总的线性行程。在以额定力运行时,经过一次润滑的混合式线性执行器的总行程为5-20km。由于使用寿命受到众多因素(例如外部机械结构的同心性、行进速度和温度)的影响,因此,当对使用寿命的要求达到或超出上述参考值范围时,必须在应用条件下对使用寿命做试验。

如需达到长使用寿命,必须相应地增大驱动装置的尺寸。此外,螺纹轴衬的温度也对使用寿命有着很大的影响。当螺纹轴衬的温度高于70°时,若以很大的力运行,则会导致使用寿命迅速缩短,因为此时磨损会急剧增加。当电机过热时,建议在闭环模式中运行,以减少发热。

制动器
在向步进电机上安装使用制动器时须注意什么?

1. 垂直轴运行安全性更高

为了避免在断电或紧急停止时在重力作用下发生不受控的向下运动,纳诺达克制动器主要被用在Z轴上,从而保护人员和财产安全

2. 安全制动器和驻车制动器

所有的纳诺达克制动器均为驻车制动器或带两个摩擦面(制动器由稳态电流进行操纵)的安全制动器,要对制动器进行通风或打开操作,必须施加24V DC电压。制动器通常安装在电机的B轴承侧。制动过程由受控的驱动装置完成:驱动装置的转速首先降低至零(运动停止),随后,安全制动器关闭。BKE制动器是电磁通风制动器,适用于干运行,其磁通量由永久磁铁产生。

相反,BW和BL制动器则通过弹力进行通风,其作用力通过压缩弹簧产生。在未通电时,弹簧压紧制动器的衔铁。转子(通过齿啮合连接至电机轴)的摩擦片被夹紧在衔铁和制动器的安装面(电机后侧)之间。当制动器线圈通电时,产生磁场,吸引衔铁,从而释放转子和摩擦片。制动器处于通风状态。所载明的转矩适用于干运行,摩擦面上绝对无润滑脂。若摩擦面上有润滑脂存在,转矩将下降。

3. 紧急停止制动器

在制定灾难管理计划或机器安全方案时,必须通过风险分析,检查“使系统安全停止的必要措施”是否已经落实到位。纳诺达克制动器符合数据表中所载明的静态保持转矩,但无法承受负载安全制动时所产生的较大动态负荷。若动态负荷的值在制动器静态负荷的范围内(摩擦、转速、kJ、占空比等),制动器最多可以紧急停止约10次,之后必须进行检查,通常要进行更换。若在电网不稳定的地区进行使用,则更容易发生故障或紧急停止(引发不受控的运动),此时不应低估机器的运行安全因素

 

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