Шаговые двигатели — отличный выбор для многих задач управления движением и позиционированием. Они доступны в широком диапазоне типоразмеров и крутящего момента и значительно дешевле высокопроизводительных серводвигателей. Итак, давайте поговорим о способах повышения производительности шаговых двигателей до уровня серводвигателей путём добавления устройств обратной связи. Шаговые двигатели с обратной связью не являются полной заменой серводвигателей, но могут стать надёжной альтернативой для многих реальных приложений. Эти решения для проектирования движения повышают производительность машин без больших затрат.

Преимущества и недостатки шаговых двигателей, которые следует учитывать

Шаговые двигатели — это бесщёточные электродвигатели постоянного тока, которые совершают дискретные шаги, а не непрерывное вращательное движение. Эти шаги осуществляются за счёт смещения магнитного поля, создаваемого электромагнитными катушками статора. Работа шагового двигателя зависит отконтроллер— электронное устройство, подающее ток на обмотки статора двигателя в последовательности, обеспечивающей шаговые движения. Возможности контроллера существенно влияют на характеристики двигателя.

Существует несколько типов шаговых двигателей, но наиболее распространённые из них обеспечивают хорошее разрешение (200 шагов на оборот или выше), а также достойный крутящий момент на низких скоростях, прочную конструкцию, длительный срок службы и относительно низкую стоимость. Однако у них есть ограничения. Крутящий момент падает при более высоких скоростях вращения, и (с простыми контроллерами) шаговые двигатели могут быть подвержены звону — высокочастотным вибрациям. Самый большой недостаток заключается в том, что даже в системах позиционирования простые системы с шаговыми двигателями работают с разомкнутым контуром управления.

Шаговые двигатели реагируют на команды контроллера, требуя выполнения определённого количества шагов, но не передают контроллеру никакой обратной связи о том, выполнено ли это движение. Поэтому, если двигатель не выполняет запрошенные шаги, может возникнуть растущее расхождение между тем, что контроллерпредполагаеткак вращательное положение вала двигателя иистинныйположение вала (и любых прикреплённых нагрузок или приводимых механизмов). Такие несоответствия возникают, когда крутящий момент двигателя недостаточен для преодоления механического сопротивления… и, по сути, эти несоответствия могут стать серьёзной проблемой на высоких оборотах, поскольку именно в этом случае возможности двигателя по выходному крутящему моменту ограничены. Именно поэтому инженеры-конструкторы часто завышают характеристики шаговых двигателей — чтобы избежать пропусков шагов, даже если это приводит к выбору слишком громоздких и тяжёлых шаговых двигателей для любых профилей движения, кроме самых сложных.

Другой недостаток заключается в том, что при остановке традиционного шагового двигателя ток должен протекать через обмотки двигателя, чтобы удерживать вал двигателя в нужном положении. Это потребляет электроэнергию и нагревает обмотки двигателя и окружающие их компоненты.

Обратная связь по системам шаговых двигателей для надежного позиционирования

Добавление энкодеров к системе с шаговым двигателем для получения обратной связи по положению вала фактически замыкает контур управления. Добавление этих устройств обратной связи увеличивает общую стоимость системы, но не так значительно, как переход на серводвигатель.

Один из подходов к добавлению обратной связи энкодера заключается в работе впереместить и проверитьРежим. В этом случае к хвостовому валу шагового двигателя добавляется простой инкрементальный энкодер. Затем, когда контроллер выдаёт двигателю команды на шаг, энкодер непрерывно проверяет, выполнены ли заданные движения. Если двигатель не выполняет требуемое количество шагов, контроллер может запросить дополнительные шаги, пока двигатель не достигнет заданного положения. Более сложные контроллеры также увеличивают фазный ток двигателя для увеличения крутящего момента, необходимого для выполнения этих дополнительных шагов.

Кодеры, используемые в таких системах перемещения и проверки, обычно имеют разрешение, кратное 200 позициям на оборот.

Обратите внимание, что установки, использующие режимы перемещения и проверки, могут по-прежнему выигрывать от включения двигателей увеличенной мощности, но не в той степени, которая требуется для простых систем с открытым контуром.

Также следует отметить, что этот режим может помочь интеллектуальным контроллерам точно настроить удерживающие токи в двигателе для небольшого повышения эффективности во время остановки… хотя общее потребление энергии по-прежнему остается высоким.

Шаговое управление с замкнутым контуром и абсолютными энкодерами

Другой, несколько более сложный вариант для критически важных задач позиционирования — это система полного замкнутого контура управления с использованием многооборотных абсолютных энкодеров. Используемые здесь энкодеры крепятся к хвостовому валу шагового двигателя для контроля:

1. Угловое положение шагового двигателя, а также
2. Число полных оборотов шагового двигателя.

В этой конфигурации шаговый двигатель управляется как бесщёточный двигатель постоянного тока (BLDC) с большим количеством полюсов… а энкодер постоянно подаёт обратную связь по положению на контроллер. Ток удержания, подаваемый на двигатель, затем точно подбирается в соответствии с величиной, необходимой для поддержания положения в пределах заданного допуска. Шаговый двигатель, управляемый как бесщёточный серводвигатель, энергоэффективен и дешевле, чем настоящий BLDC-серводвигатель. Так почему бы не использовать недорогие шаговые двигатели для всех применений BLDC-сервоприводов?

Шаговые двигатели, используемые в замкнутых сервосистемах, имеют физическое ограничение, отсутствующее у настоящих бесщёточных серводвигателей постоянного тока. В частности, шаговые двигатели, работающие таким образом, по сути, работают как 50-полюсные бесщёточные двигатели, поэтому не могут достичь скорости вращения, доступной серводвигателям. Кроме того, роторы шаговых двигателей имеют большую инерцию, чем роторы настоящих бесщёточных серводвигателей постоянного тока эквивалентной мощности… поэтому они не могут обеспечить такое же ускорение.

Когда шаговый двигатель используется в режиме BLDC, энкодер выполняет важную функциюкоммутацияРоль — сообщать точное положение вала двигателя, что, в свою очередь, позволяет контроллеру подавать питание на соответствующий набор электромагнитов статора для обеспечения непрерывного вращения по мере необходимости. Кроме того, прецизионные абсолютные энкодеры могут помочь продвинутым микрошаговым контроллерам в точной настройке фазного тока для уменьшения звона (вибрации), возникающего в более простых системах с шаговыми двигателями.