I motori a passo a circuito chiuso possono essere la scelta migliore per le attività in genere svolte dai servos perché le stepper tradizionali non potevano gestirli.

Una delle decisioni più critiche che gli ingegneri possono prendere quando si progettano qualsiasi tipo di processo di controllo del movimento è la scelta del motore. Ottenere il motore giusto, sia in termini di tipo che di dimensioni, è indispensabile per l'efficienza operativa della macchina finale. Inoltre, garantire che il motore non rompa il budget è sempre una preoccupazione primaria.

Una delle prime domande a cui rispondere nel prendere la decisione è: quale tipo di motore sarebbe meglio? L'applicazione richiede un servo motore ad alte prestazioni? Un passo passo a basso costo sarebbe migliore? O forse c'è una terza opzione su strada da considerare?

Le risposte iniziano con le esigenze dell'applicazione specifica. Ci sono molti fattori da affrontare prima di determinare il tipo di motore che sarebbe l'ideale per ogni data applicazione.

I requisiti

Quanti cicli al minuto deve fare il motore? Quanta coppia è necessaria? Qual è la velocità di punta richiesta?

Queste domande critiche non possono essere affrontate semplicemente scegliendo un motore con una determinata potenza.

L'uscita di potenza di un motore è la combinazione di coppia e velocità che può essere calcolata mediante una moltiplicazione di velocità, coppia e una costante.

A causa della natura di questo calcolo, tuttavia, ci sono molte diverse combinazioni di coppia e velocità che produrranno una potenza specifica. Pertanto, motori diversi con classificazioni di potenza simili possono funzionare in modo diverso a causa della combinazione di velocità e coppia che offrono.

Gli ingegneri devono sapere quanto velocemente un certo carico di dimensioni deve muoversi prima di scegliere con sicurezza un motore che funzionerà meglio. Il lavoro svolto deve anche cadere sotto la curva di coppia/velocità del motore. Questa curva mostra come la coppia di un motore varia durante il funzionamento. Utilizzando ipotesi "peggiore" (in altre parole, determinare la quantità massima/minima di coppia e velocità richieste dal lavoro), gli ingegneri possono essere sicuri che un motore scelto abbia una curva di coppia/velocità sufficiente.

L'inerzia del carico è un altro fattore che dovrebbe essere affrontato prima di immergersi nel processo decisionale di scelta di un motore. Il rapporto di inerzia deve essere calcolato, che è il confronto tra l'inerzia del carico e l'inerzia del motore. Una regola empirica afferma che se l'inerzia del carico supera 10 volte quella del rotore, la messa a punto del motore può essere più difficile e le prestazioni possono soffrire. Ma questa regola varia non solo da tecnologia a tecnologia, ma dal fornitore al fornitore e persino al prodotto a prodotto. Anche quanto sia critica un'applicazione influenzerà questa decisione. Alcuni prodotti gestiscono rapporti fino a 30 a 1, mentre le unità dirette vanno fino a 200 a 1. A molte persone non piace dimensionare un motore che supera un rapporto 10 a 1.

Infine, ci sono limiti fisici che limitano un determinato motore rispetto a un altro. I motori sono disponibili in diverse forme e dimensioni. In alcuni casi, i motori sono grandi e ingombranti e ci sono alcune operazioni che non possono ospitare un motore di dimensioni. Prima di poter prendere una decisione informata sul miglior tipo di motore, queste specifiche fisiche dovrebbero essere riconosciute e comprese.

Una volta che gli ingegneri rispondono a tutte queste domande - velocità, coppia, potenza, inerzia di carico e limitazioni fisiche - possono zero sul motore di dimensioni più efficienti. Tuttavia, il processo decisionale non si ferma qui. Gli ingegneri devono anche capire quale tipo di motore si adatta meglio all'applicazione. Per anni, la scelta sul tipo è stata ridotta a una delle due opzioni per la maggior parte delle applicazioni: un servomotore o un motore a passo d'acqua a circuito aperto.

Servos e stepper

I principi operativi per i motori a passo di servo e ad anello aperto sono simili. Tuttavia, ci sono differenze chiave tra i due che gli ingegneri devono capire prima di decidere quale motore è ideale per una determinata applicazione.

Nei sistemi servi tradizionali, un controller invia comandi all'unità del motore tramite impulso e direzione o un comando analogico relativo a posizione, velocità o coppia. Alcuni controlli possono utilizzare un metodo basato su bus, che nei controlli più recenti è in genere un metodo di comunicazione basato su Ethernet. L'unità invia quindi una corrente appropriata a ciascuna fase del motore. Il feedback del motore gira all'unità del motore e, se necessario, al controller. L'unità si basa su queste informazioni per commutare correttamente il motore e per inviare buone informazioni sulla posizione dinamica dell'albero del motore. Pertanto, i motori dei servi sono considerati motori a circuito chiuso e contengono encoder integrati e i dati di posizione vengono frequentemente alimentati al controller. Questo feedback offre al controller un maggiore controllo sul motore. Il controller può apportare modifiche alle operazioni, a vari gradi, se qualcosa non funziona come dovrebbe essere. Questo tipo di informazioni cruciali è che i motori a passo con loop aperto a beneficio non possono offrire.

I motori Stepper operano anche sui comandi inviati all'unità del motore per dettare la distanza mossa e la velocità. In genere, questo segnale è un comando graduale. Tuttavia, le stepper a circuito aperto non possono fornire feedback agli operatori, quindi i loro controlli non possono valutare correttamente una situazione e apportare modifiche per migliorare il funzionamento del motore.

Ad esempio, se la coppia di un motore non è sufficiente per gestire il carico, il motore può bloccare o perdere determinati passaggi. Quando ciò accade, la posizione target non verrà colpita. Con le caratteristiche a circuito aperto del motore passo-passo in mente, questo posizionamento impreciso non verrà adeguatamente trasmesso al controller in modo che possa apportare regolazioni.

Il servo motore sembra avere chiari vantaggi in termini di efficienza e prestazioni, quindi perché qualcuno dovrebbe scegliere un motore passo -passo? Ci sono un paio di ragioni. Il più comune è il prezzo; I budget operativi sono considerazioni importanti nel prendere qualsiasi decisione di progettazione. Man mano che i budget si stringono, le decisioni devono essere prese per ridurre i costi inutili. Questo non solo si riferisce al costo del motore stesso, ma la manutenzione di routine e di emergenza tende ad essere meno costosa per i motori a passo avanti rispetto ai servos. Pertanto, se i benefici di un servomotore non giustificheranno i suoi costi, un motore passo -passo standard potrebbe essere sufficiente.

Da un punto di vista puramente operativo, i motori a passo passo sono notevolmente più facili da usare rispetto ai servomor motori standard. Il funzionamento di un motore passo -passo è molto più semplice da capire e più facile da configurare. La maggior parte del personale sarebbe d'accordo sul fatto che se non vi è motivo di complicarsi le operazioni eccessivamente, mantenere le cose semplici.

I vantaggi offerti dai due diversi tipi di motori sono molto diversi. I servi motori sono ideali se hai bisogno di un motore con velocità superiori a 3.000 giri / min. Tuttavia, per un'applicazione che richiede solo velocità di poche centinaia di giri / min o meno, un servo motore non è sempre la scelta migliore. I servi motori possono essere eccessivi per applicazioni a bassa velocità.

Le applicazioni a bassa velocità sono dove i motori passo-passo brillano come la migliore soluzione possibile. I motori Stepper non sono solo ripetibili quando si tratta di fermarsi, ma sono anche progettati per funzionare a bassa velocità fornendo una coppia elevata. Per stessa natura di questo design, i motori a passo passo possono essere controllati e correre ai limiti di velocità. Il limite di velocità dei tipici motori a passo passo è generalmente inferiore a 1.000 giri / min, mentre i servi motori possono avere velocità valutate fino a 3.000 giri / min e superiori, a volte anche oltre 7000 giri / min.

Se uno stepper viene dimensionato correttamente, può essere la scelta perfetta. Tuttavia, quando un motore passo-passo è in esecuzione su una configurazione a circuito aperto e qualcosa va storto, gli operatori potrebbero non ottenere tutti i dati di cui hanno bisogno per risolvere il problema.

Risolvere il problema a circuito aperto

Negli ultimi decenni, ci sono stati diversi approcci offerti per risolvere i problemi tradizionali con stepper a circuito aperto. L'insieme del motore a un sensore sull'alimentazione, o anche più volte durante un'applicazione, era un metodo. Sebbene semplice, questo rallenta le operazioni e non acquisisce problemi che si presentano durante i normali processi operativi.

L'aggiunta di feedback da rilevare se il motore è bloccato o fuori posizione è un altro approccio. Gli ingegneri delle società di controllo del movimento hanno creato funzionalità di "rilevamento di stall" e "manutenzione della posizione". Ci sono stati persino alcuni approcci che hanno fatto ancora più che trattano i motori a passo passo come i servos, o almeno li imitano con algoritmi fantasiosi.

Nel grande spettro dei motori, tra i servos e i motori a passo d'acqua aperto, riporta una tecnologia un po 'nuova nota come motore passo-passo a circuito chiuso. È il modo migliore e più attento ai costi per risolvere il problema delle applicazioni che richiedono precisione posizionale e basse velocità. Applicando dispositivi di feedback ad alta risoluzione per chiudere il ciclo, gli ingegneri possono godere del "migliore di entrambi i mondi".

I motori a passo a circuito chiuso offrono tutti i vantaggi dei motori passo-passo: facilità d'uso, semplicità e capacità di funzionare costantemente a basse velocità con arresto accurato. Inoltre, offrono ancora le funzionalità di feedback che fanno i servi motori. Fortunatamente, non deve venire con il più grande svantaggio di un servo: il prezzo maggiore.

La chiave è sempre stata nel modo in cui funzionano i motori a passo con loop aperto. In genere hanno due bobine, a volte cinque, con un atto di bilanciamento magnetico in corso tra loro. Il movimento disturba questo equilibrio, causando la resta dei casi elettricamente dell'albero del motore, ma l'operatore non può sapere quanto sia indietro. Il punto di arresto è ripetibile per le stepper ad anello aperto ma non per tutti i carichi. Mettere un encoder sul passo e renderlo un anello chiuso fornisce un certo controllo dinamico. Ciò consente agli operatori di interrompere un punto esatto con carichi variabili.

Questi beneficiano dell'utilizzo di motori a passo a circuito chiuso per alcune applicazioni hanno notevolmente aumentato la popolarità di questi motori nella comunità di controllo del movimento. In particolare, in due delle industrie più importanti, dei semiconduttori e dei produttori di dispositivi medici, si verifica un chiaro aumento dell'uso di motori a passo d'acqua a circuito chiuso. Gli ingegneri in questi settori devono sapere esattamente dove i motori hanno posizionato carichi o attuatori se alimenta una cinghia o una vite a sfera. Il feedback a circuito chiuso in queste stepper consente loro di sapere esattamente dove si trova. Queste stepper possono anche fornire prestazioni migliori rispetto ai servi a velocità più basse.

In generale, qualsiasi applicazione che necessita di prestazioni garantite a un costo inferiore rispetto a un servomotore e la possibilità di funzionare a velocità relativamente basse è un buon candidato per i motori a passo a circuito chiuso.

Tieni presente che gli operatori devono garantire che l'unità o i controlli supportino i motori a passo-passo chiuso. Storicamente, potresti ottenere un passo passo con un codificatore sul retro, ma l'unità era un passo avanti standard e non ha supportato gli encoder. L'encoder doveva essere riportato al controller e la verifica della posizione dovrebbe essere implementata alla fine di una determinata mossa. Questo non è richiesto con nuove unità passo-passo a circuito chiuso. Le unità passo-passo a circuito chiuso possono gestire in modo dinamico e automaticamente il controllo della posizione e della velocità senza coinvolgere controller.