Шаговые двигатели — лучший выбор для многих задач управления движением и положением. Они доступны в широком диапазоне размеров и крутящего момента и значительно дешевле, чем высококачественные серводвигатели. Итак, давайте поговорим о способах повышения производительности шаговых двигателей до уровня серводвигателей за счет добавления устройств обратной связи. Шаговые двигатели с обратной связью не являются полной заменой серводвигателям, но могут стать надежной альтернативой во многих реальных приложениях. Эти решения в области проектирования движения улучшают производительность машин без чрезмерных затрат.

Преимущества и недостатки шаговых двигателей: обсуждение

Шаговые двигатели — это бесщеточные электродвигатели постоянного тока, которые совершают дискретные шаги, а не непрерывное вращательное движение. Эти шаги приводятся в движение сдвигами магнитного поля, создаваемыми наборами электромагнитных катушек в статоре. Работа шагового двигателя зависит отконтроллер— электронное устройство, подающее ток на обмотки статора двигателя в последовательности, обеспечивающей ступенчатое движение. Возможности контроллера оказывают существенное влияние на производительность двигателя.

Существует несколько типов шаговых двигателей, но наиболее распространенные варианты отличаются хорошей разрешающей способностью (200 шагов на оборот или лучше), а также достойным крутящим моментом на низких скоростях, прочной конструкцией, длительным сроком службы и относительно низкой стоимостью. Однако у них есть ограничения. Крутящий момент снижается при более высоких скоростях вращения, а (при использовании простых контроллеров) шаговые двигатели могут подвергаться высокочастотным вибрациям. Самый большой недостаток заключается в том, что даже в системах позиционирования базовые системы с шаговыми двигателями работают в режиме разомкнутого контура управления.

Шаговые двигатели реагируют на команды контроллера, выполняя определенное количество шагов, но не передают контроллеру информацию о завершении этого движения. Поэтому, если двигатель не выполняет запрошенное количество шагов, может возникнуть расхождение между тем, что контроллер обрабатывает.предполагаетв зависимости от положения вращения вала двигателя иистинныйположение вала (и любых прикрепленных нагрузок или приводных механизмов). Такие несоответствия возникают, когда крутящего момента двигателя недостаточно для преодоления механического сопротивления… и, по сути, эти несоответствия могут стать серьезной проблемой на высоких оборотах, поскольку именно тогда возможности двигателя по выходному крутящему моменту ограничены. Вот почему инженеры-конструкторы часто завышают параметры шаговых двигателей — чтобы избежать пропуска шагов, даже если это приводит к выбору слишком больших и тяжелых шаговых двигателей для всех, кроме самых сложных профилей движения.

Ещё одним недостатком является то, что при остановке традиционно используемого шагового двигателя ток должен протекать через обмотки двигателя, чтобы удерживать вал шагового двигателя в нужном положении. Это потребляет электроэнергию и нагревает обмотки двигателя и окружающие компоненты.

Обратная связь в системах шаговых двигателей для надежного позиционирования

Добавление энкодеров в систему с шаговым двигателем для получения обратной связи по положению вала, по сути, замыкает контур управления. Добавление этих устройств обратной связи увеличивает общую стоимость системы, но не так сильно, как переход на серводвигатель.

Один из подходов к добавлению обратной связи от энкодера заключается в работе впереместить и проверитьВ этом режиме к хвостовому валу шагового двигателя добавляется простой инкрементальный энкодер. Затем, когда контроллер подает на двигатель 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, подаваемый на двигатель, чтобы повысить крутящий момент для выполнения этих дополнительных шагов.

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

Следует отметить, что в системах, использующих режимы перемещения и проверки, использование двигателей увеличенной мощности может быть полезно, но не до такой степени, как это требуется в простых системах с разомкнутым контуром управления.

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

Управление шаговым двигателем с обратной связью с использованием абсолютных энкодеров

Ещё один, несколько более сложный вариант для критически важных задач управления положением — это полностью замкнутая система 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. Количество полных оборотов шагового двигателя.

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

Итак, шаговые двигатели, используемые в сервосистемах с замкнутым контуром управления, имеют физическое ограничение, отсутствующее у настоящих бесщеточных двигателей постоянного тока (BLDC). В частности, шаговые двигатели, работающие таким образом, по сути, функционируют как 50-полюсные бесщеточные двигатели, поэтому не могут достичь оборотов, возможных для серводвигателей. Кроме того, роторы шаговых двигателей имеют большую инерцию, чем роторы настоящих бесщеточных двигателей постоянного тока эквивалентной мощности… поэтому они не могут обеспечить такое же ускорение.

При использовании шагового двигателя в режиме BLDC энкодер выполняет важную функцию.коммутацияФункция — передача точного положения вала двигателя… что, в свою очередь, позволяет контроллеру активировать соответствующий набор электромагнитов статора для непрерывного вращения по мере необходимости. Кроме того, прецизионные абсолютные энкодеры могут также помочь усовершенствованным микрошаговым контроллерам в точной настройке фазного тока для уменьшения колебаний (вибраций), возникающих в более простых системах шаговых двигателей.