Suljetun silmukan askelmoottorit voivat olla paras valinta tehtäviin, joita tyypillisesti tekevät servot, koska perinteiset askelmoottorit eivät kestäneet niitä.

Yksi kriittisimmistä päätöksistä, joita insinöörit voivat tehdä suunniteltaessa minkä tahansa tyyppistä liikkeenohjausprosessia, on moottorin valinta. Oikean moottorin hankkiminen sekä tyypin että koon suhteen on ehdottoman tärkeää lopullisen koneen toimintatehokkuuden kannalta. Lisäksi ensisijainen huolenaihe on aina varmistaa, että moottori ei riko budjettia.

Yksi ensimmäisistä kysymyksistä, joihin on vastattava päätöstä tehtäessä, on: Mikä moottorityyppi olisi paras? Edellyttääkö sovellus korkean suorituskyvyn servomoottoria? Olisiko edullinen stepperi parempi? Tai ehkä on harkittava kolmatta, keskitien vaihtoehtoa?

Vastaukset alkavat tietyn sovelluksen tarpeista. On monia tekijöitä, jotka on otettava huomioon ennen kuin päätetään moottorin tyyppi, joka olisi ihanteellinen mihin tahansa sovellukseen.

Vaatimukset

Kuinka monta kierrosta minuutissa moottorin pitää tehdä? Kuinka paljon vääntömomenttia tarvitaan? Mikä huippunopeus vaaditaan?

Näitä kriittisiä kysymyksiä ei voida ratkaista yksinkertaisesti valitsemalla moottori tietyllä hevosvoimalla.

Moottorin teho on vääntömomentin ja nopeuden yhdistelmä, joka voidaan laskea kertomalla nopeus, vääntömomentti ja vakio.

Tämän laskelman luonteesta johtuen on kuitenkin olemassa monia erilaisia ​​vääntömomentin ja nopeuden yhdistelmiä, jotka tuottavat tietyn tehon. Näin ollen eri moottorit, joilla on samanlainen teho, voivat toimia eri tavalla niiden tarjoaman nopeuden ja vääntömomentin yhdistelmän vuoksi.

Insinöörien on tiedettävä, kuinka nopeasti tietyn kokoisen kuorman täytyy liikkua, ennen kuin valitsee luotettavasti parhaiten toimivan moottorin. Suoritettavan työn tulee myös olla moottorin vääntömomentti/nopeuskäyrän alapuolella. Tämä käyrä näyttää kuinka moottorin vääntömomentti vaihtelee käytön aikana. Käyttämällä "pahimman tapauksen" oletuksia (toisin sanoen määrittämällä työssä vaadittava enimmäis-/minimivääntömomentti ja -nopeus) insinöörit voivat olla varmoja, että valitulla moottorilla on riittävä vääntömomentti/nopeuskäyrä.

Kuorman inertia on toinen tekijä, joka tulisi ottaa huomioon ennen moottorin valintaa koskevan päätöksentekoprosessin aloittamista. Inertiasuhde on laskettava, mikä on kuorman inertian ja moottorin hitauden vertailu. Eräs nyrkkisääntö sanoo, että jos kuorman hitaus ylittää 10 kertaa roottorin hitauden, moottorin viritys voi olla vaikeampaa ja suorituskyky voi kärsiä. Mutta tämä sääntö ei vaihtele vain teknologiasta toiseen, vaan toimittajasta toiseen ja jopa tuotteista toiseen. Hakemuksen kriittinen merkitys vaikuttaa myös tähän päätökseen. Jotkut tuotteet käsittelevät jopa 30-1-suhdetta, kun taas suorat asemat toimivat jopa 200-1-suhteella. Monet ihmiset eivät pidä moottorin mitoituksesta, joka ylittää 10-1-suhteen.

Lopuksi, onko olemassa fyysisiä rajoituksia, jotka rajoittavat tiettyä moottoria toiseen nähden. Moottoreita on eri muotoisia ja kokoisia. Joissakin tapauksissa moottorit ovat suuria ja tilaa vieviä, ja on tiettyjä toimintoja, joihin ei voi sijoittaa tietyn kokoista moottoria. Ennen kuin voidaan tehdä tietoon perustuva päätös parhaasta moottorityypistä, nämä fyysiset tiedot on tunnistettava ja ymmärrettävä.

Kun insinöörit vastaavat kaikkiin näihin kysymyksiin – nopeus, vääntömomentti, hevosvoimat, kuorman hitaus ja fyysiset rajoitukset – he voivat nollata tehokkaimman kokoisen moottorin. Päätöksentekoprosessi ei kuitenkaan lopu tähän. Insinöörien on myös selvitettävä, minkä tyyppinen moottori sopii parhaiten sovellukseen. Vuosien ajan tyypin valinta rajoittui johonkin kahdesta vaihtoehdosta useimmissa sovelluksissa: servomoottori tai avoimen silmukan askelmoottori.

Servot ja Stepperit

Servo- ja avoimen silmukan askelmoottoreiden toimintaperiaatteet ovat samanlaiset. Näiden kahden välillä on kuitenkin keskeisiä eroja, jotka insinöörien on ymmärrettävä ennen kuin päättävät, mikä moottori on ihanteellinen tiettyyn sovellukseen.

Perinteisissä servojärjestelmissä ohjain lähettää komentoja moottorin taajuusmuuttajalle pulssin ja suunnan tai analogisen komennon kautta, joka liittyy asemaan, nopeuteen tai vääntömomenttiin. Jotkut ohjaukset voivat käyttää väyläpohjaista menetelmää, joka uusimmissa ohjauksissa on tyypillisesti Ethernet-pohjainen viestintämenetelmä. Taajuusmuuttaja lähettää sitten sopivan virran moottorin jokaiseen vaiheeseen. Moottorin palaute kiertää takaisin moottorin käytölle ja tarvittaessa säätimelle. Taajuusmuuttaja käyttää näitä tietoja kommutoidakseen moottorin oikein ja lähettääkseen hyvää tietoa moottorin akselin dynaamisesta asennosta. Joten servomoottoreita pidetään suljetun silmukan moottoreina ja niissä on sisäänrakennetut kooderit, ja sijaintitiedot syötetään usein ohjaimeen. Tämä palaute antaa säätimelle enemmän ohjausta moottoriin. Ohjain voi tehdä säätöjä toimintoihin eriasteisesti, jos jokin ei toimi niin kuin sen pitäisi. Tämäntyyppiset tärkeät tiedot ovat etuja, joita avoimen silmukan askelmoottorit eivät voi tarjota.

Askelmoottorit toimivat myös moottorin taajuusmuuttajalle lähetetyillä komentoilla, jotka määräävät liikkuvan matkan ja nopeuden. Tyypillisesti tämä signaali on askel ja suunta -komento. Avoimen silmukan stepperit eivät kuitenkaan voi antaa palautetta käyttäjille, joten niiden säätimet eivät pysty arvioimaan tilannetta oikein ja tekemään säätöjä moottorin toiminnan parantamiseksi.

Jos esimerkiksi moottorin vääntömomentti ei riitä kuorman käsittelemiseen, moottori voi pysähtyä tai jättää tietyt vaiheet väliin. Kun näin tapahtuu, kohdepaikkaan ei osua. Askelmoottorin avoimen silmukan ominaisuudet huomioon ottaen tämä epätarkka paikannus ei välity riittävästi takaisin ohjaimeen, jotta se voi tehdä säätöjä.

Servomoottorilla näyttää olevan selkeitä etuja tehokkuuden ja suorituskyvyn suhteen, joten miksi joku valitsisi askelmoottorin? Siihen on pari syytä. Yleisin on hinta; toimintabudjetit ovat tärkeitä näkökohtia mitä tahansa suunnittelupäätöstä tehtäessä. Budjetin kiristyessä on tehtävä päätöksiä tarpeettomien kustannusten leikkaamiseksi. Tämä ei tarkoita vain itse moottorin kustannuksia, vaan rutiini- ja hätähuolto on yleensä halvempaa askelmoottoreille verrattuna servoihin. Joten jos servomoottorin edut eivät oikeuta sen kustannuksia, tavallinen askelmoottori voi olla riittävä.

Puhtaasti toiminnallisesta näkökulmasta katsottuna askelmoottorit ovat huomattavasti helpompia käyttää kuin tavalliset servomoottorit. Askelmoottorin käyttäminen on paljon yksinkertaisempaa ymmärtää ja helpompi konfiguroida. Suurin osa henkilöstöstä olisi samaa mieltä siitä, että jos ei ole mitään syytä monimutkaista toimintaa, pitää asiat yksinkertaisina.

Kahden eri moottorityypin tarjoamat edut ovat hyvin erilaisia. Servomoottorit ovat ihanteellisia, jos tarvitset moottorin, jonka nopeus on yli 3000 rpm ja korkea vääntö. Kuitenkin sovelluksissa, jotka vaativat vain muutaman sadan rpm tai vähemmän nopeuksia, servomoottori ei ole aina paras valinta. Servomoottorit voivat olla ylivoimaisia ​​hitaissa sovelluksissa.

Hidaskäyntisissä sovelluksissa askelmoottorit loistavat parhaana mahdollisena ratkaisuna. Askelmoottorit eivät ole toistettavissa vain pysäyttämisen yhteydessä, vaan ne on myös suunniteltu toimimaan alhaisella nopeudella ja samalla korkea vääntömomentti. Tämän rakenteen luonteen vuoksi askelmoottoreita voidaan ohjata ja käyttää niiden nopeusrajoihin asti. Tyypillisten askelmoottoreiden nopeusraja on yleensä alle 1 000 rpm, kun taas servomoottorien nimellisnopeudet voivat olla jopa 3 000 rpm ja korkeammat – joskus jopa yli 7 000 rpm.

Jos stepperi on mitoitettu oikein, se voi olla täydellinen valinta. Kuitenkin, kun askelmoottori toimii avoimen silmukan kokoonpanossa ja jokin menee pieleen, käyttäjät eivät välttämättä saa kaikkia tietoja, joita he tarvitsevat ongelman korjaamiseksi.

Avoimen silmukan ongelman ratkaiseminen

Viime vuosikymmeninä on tarjottu useita erilaisia ​​lähestymistapoja avoimen silmukan stepperien perinteisten ongelmien ratkaisemiseksi. Moottorin kotiuttaminen anturiin käynnistettäessä tai jopa useita kertoja sovelluksen aikana oli yksi tapa. Vaikka tämä on yksinkertainen, se hidastaa toimintaa eikä ota kiinni normaalien käyttöprosessien aikana ilmeneviin ongelmiin.

Palautteen lisääminen sen havaitsemiseksi, onko moottori pysähtynyt tai poissa asennosta, on toinen tapa. Liikeohjausyritysten insinöörit loivat "juoksun havaitsemisen" ja "asennon ylläpidon" ominaisuuksia. On jopa olemassa muutamia lähestymistapoja, jotka menevät vielä pidemmälle, jotka kohtelevat askelmoottoreita paljon kuin servoja tai ainakin jäljittelevät niitä hienoilla algoritmeilla.

Moottoreiden suuressa kirjossa - servojen ja avoimen silmukan askelmoottoreiden välissä - on hieman uusi tekniikka, joka tunnetaan nimellä suljetun silmukan askelmoottori. Se on paras ja kustannustietoisin tapa ratkaista paikannustarkkuutta ja alhaisia ​​nopeuksia vaativien sovellusten ongelma. Käyttämällä korkearesoluutioisia palautelaitteita sulkemaan silmukan, insinöörit voivat nauttia "molempien maailmojen parhaista".

Suljetun silmukan askelmoottorit tarjoavat kaikki askelmoottoreiden edut: helppokäyttöisyys, yksinkertaisuus ja kyky toimia tasaisesti alhaisilla nopeuksilla tarkalla pysäytyksellä. Lisäksi ne tarjoavat edelleen servomoottorien palauteominaisuudet. Onneksi siinä ei tarvitse olla servon suurinta haittaa: isompi hintalappu.

Avain on aina ollut avoimen silmukan askelmoottoreiden toiminnassa. Niissä on tyypillisesti kaksi kelaa, joskus viisi, joiden välillä tapahtuu magneettinen tasapainotus. Liike häiritsee tätä tasapainoa, jolloin moottorin akseli jää sähköisesti taakse, mutta käyttäjä ei voi tietää kuinka pitkälle se jää. Pysäytyskohta on toistettavissa avoimen silmukan steppereille, mutta ei kaikille kuormille. Enkooderin asettaminen stepperiin ja sen tekeminen suljetuksi silmukaksi tarjoaa jonkin verran dynaamista ohjausta. Näin kuljettajat voivat pysähtyä tarkalleen paikkaan vaihtelevien kuormien alla.

Nämä suljetun silmukan askelmoottoreiden käytön edut tietyissä sovelluksissa ovat lisänneet jyrkästi näiden moottoreiden suosiota liikkeenohjausyhteisössä. Erityisesti kahdella tunnetuimmalla teollisuudenalalla, puolijohteiden ja lääkinnällisten laitteiden valmistajalla, suljetun silmukan askelmoottoreiden käyttö on lisääntynyt selvästi. Näiden teollisuudenalojen insinöörien on tiedettävä tarkalleen, mihin moottoreilla on asetettu kuormia tai toimilaitteita, käytetäänkö se hihnaa vai kuularuuvia. Näiden stepperien suljetun silmukan palaute kertoo tarkalleen, missä se on. Nämä stepperit voivat myös tarjota paremman suorituskyvyn kuin servot pienemmillä nopeuksilla.

Yleensä kaikki sovellukset, jotka tarvitsevat taattua suorituskykyä halvemmalla kuin servomoottori ja kyky toimia suhteellisen alhaisilla nopeuksilla, ovat hyvä ehdokas suljetun silmukan askelmoottoreille.

Muista, että käyttäjien on varmistettava, että taajuusmuuttaja tai säätimet tukevat suljetun silmukan askelmoottoreita. Historiallisesti saattoi saada stepperin, jonka takana oli enkooderi, mutta asema oli tavallinen stepper-asema, eikä se tukenut koodereita. Kooderi piti viedä takaisin ohjaimeen ja sijainnin varmistus oli toteutettava tietyn liikkeen lopussa. Tätä ei vaadita uusissa suljetun silmukan askeltaajuusasemissa. Suljetun silmukan askeltaajuusmuuttajat voivat käsitellä asennon ja nopeuden säätöä dynaamisesti ja automaattisesti ilman ohjaimia.