Системы шаговых двигателей являются основой индустрии управления движением. Мы рассмотрим различия между системами с открытым и закрытым контуром, а также объясним последние разработки, которые делают системы шаговых двигателей еще более быстрыми, тихими и энергоэффективными, чем когда-либо прежде.

Системы шаговых двигателей прошли долгий путь от первых дней приводов напряжения и полного шага. Сначала появились приводы ШИМ и микрошаг, а затем цифровые сигнальные процессоры (DSP) и антирезонансные алгоритмы. Теперь новая технология шаговых двигателей с замкнутым контуром гарантирует, что шаговые двигатели останутся краеугольным камнем отрасли управления движением на долгие годы вперед.

Независимо от того, является ли движение линейным или вращательным, два главных соображения, которые определяют, какие двигатели и приводные системы являются наиболее подходящими, — это крутящий момент и эффективность. Это применимо, является ли конечным применением автоматизированная сборочная система, машина для обработки материалов, 3D-принтер, декартовый позиционер, перистальтический насос или одно из бесчисленных других применений, в которых шаговые двигатели являются предпочтительной технологией.

Последняя разработка в шаговых системах — это применение недорогих устройств обратной связи с высоким разрешением и усовершенствованных DSP для замыкания контура при движении шагового двигателя. Такие элементы управления повышают производительность шагового двигателя с замкнутым контуром, превосходя системы с открытым контуром. Как мы увидим, одна из таких систем с замкнутым контуром реализуется на интегрированной конструкции двигателя, которая включает устройство обратной связи, платы драйвера и контроллера, электронику питания, связи и ввода-вывода, а также системные разъемы на боковой и задней стороне двигателя.

Шаговые системы с открытым и закрытым контуром
Сначала давайте рассмотрим, как высокопроизводительные шаговые системы с замкнутым контуром сравниваются с традиционными шаговыми системами с разомкнутым контуром с точки зрения крутящего момента и эффективности.

Превосходная производительность шаговых систем с замкнутым контуром по сравнению с установками с открытым контуром продемонстрирована в результатах лабораторных испытаний, сравнивающих ускорение (крутящий момент), эффективность (потребляемую мощность), погрешность позиционирования (точность), тепловыделение и уровень шума двух систем. Просто рассмотрите взаимосвязь между крутящим моментом и ускорением. Кривые крутящего момента и скорости показывают пиковый и непрерывный диапазоны крутящего момента шаговой системы с замкнутым контуром наряду с полезным диапазоном крутящего момента шаговой системы с открытым контуром. Очень часто крутящий момент в реальном мире преобразуется в ускорение — поэтому двигатели с большим крутящим моментом могут быстрее разгонять заданную нагрузку.

Чтобы проверить эту разницу в характеристиках крутящего момента в лабораторных условиях, системы шаговых двигателей с открытым и закрытым контуром одинакового размера получают идентичные инерционные нагрузки. Программирование дает команду двум системам выполнять идентичные профили движения, за исключением того, что скорость ускорения и максимальная скорость медленно увеличиваются в каждой системе до тех пор, пока они не совершат ошибки позиционирования.

Предположим, что система с открытым контуром достигает максимального ускорения 1000 об/сек.²и максимальная скорость 10 об/сек (600 об/мин). Эта максимальная скорость 10 об/сек соответствует тому месту, где заканчивается плоская часть кривой крутящего момента-скорости. Замкнутая система (благодаря своей более высокой способности производить крутящий момент) получает максимальную скорость ускорения 2000 об/сек²и максимальная скорость 20 об/сек (1200 об/мин). Это вдвое превышает производительность системы с открытым контуром и сокращает время перемещения почти вдвое — со 110 мс до 60 мс.

Для приложений, требующих высокой производительности (например, индексации, позиционирования направляющих кромок и систем захвата и размещения), замкнутая система обеспечивает явное преимущество в производительности.

Эффективность открытого и закрытого контура

Чтобы измерить относительную эффективность системы с открытым и закрытым контуром, предположим, что мы повторяем тот же тест с теми же двумя двигателями одинакового размера. На этот раз у нас есть двигатели с закрытым и открытым контуром, работающие бок о бок с одинаковыми инерционными нагрузками, но работающие по программированию, которое сохраняет профили движения постоянными и равными, так что обе системы выполняют одинаковый объем работы.

В то время как два двигателя многократно индексируют один и тот же профиль движения, измеряется ток от источника постоянного тока, питающего две системы, и рассчитывается потребление энергии. Как видно на графиках значений, среднее потребление энергии шаговой системы с открытым контуром составляет 43,8 Вт, в то время как потребление энергии замкнутой системы составляет всего одну треть — в среднем 14,2 Вт. Эта существенная разница в потреблении энергии ясно показывает более высокую эффективность работы замкнутой системы. Любой пользователь, желающий повысить эффективность своей шаговой системы с открытым контуром, теперь может рассмотреть простую модернизацию до замкнутой системы и ожидать значительного снижения потребления.

Как решить проблему нагрева двигателя

Естественным продолжением испытаний на энергопотребление является исследование нагрева двигателя. Шаговые системы с открытым контуром — простые звери. Просто задайте привод для номинального тока двигателя, и привод будет делать все возможное, чтобы подавать этот ток на двигатель в любое время, независимо от того, нужен ли результирующий крутящий момент или нет. Это часто приводит к образованию тепла вместо энергии для функции приложения — и является причиной того, что шаговые системы с открытым контуром обычно нагреваются сильнее, чем аналоги с закрытым контуром. Это также означает, что проектировщики машин должны принимать дополнительные меры для борьбы с этим теплом, часто путем включения специальной защиты вокруг шаговых двигателей, которые будут работать в непосредственной близости от людей-операторов, или путем установки дополнительных систем охлаждения, таких как вентиляторы.

Рассмотрим результаты испытания нагрева двигателя, проведенного в лаборатории с использованием тех же систем с открытым и закрытым контуром, что и выше. В этом испытании две системы снова производят одинаковое количество работы, приводя в движение те же инерционные нагрузки, и им разрешено работать до тех пор, пока они не достигнут теплового равновесия. Система с открытым контуром достигает температуры корпуса 76,0 °C, тогда как система с закрытым контуром достигает теплового равновесия при температуре корпуса всего 36,9 °C — менее половины от температуры системы с открытым контуром. Это значительное снижение нагрева двигателя может означать более низкие затраты на компоненты для машиностроителей, поскольку они могут отказаться от дополнительных подсистем защиты и охлаждения.

Больше никаких шумных моторов

Еще одна распространенная жалоба на шаговые системы с открытым контуром заключается в том, что они, как известно, производят довольно много слышимого шума. В определенных средах, таких как лаборатории, больницы и офисы, этот шум может представлять реальную проблему для проектировщиков машин.

Шум, издаваемый шаговыми двигателями, возникает из-за высокой электрической частоты и быстрых изменений потока в зубцах статора, а также из-за того, что системы с открытым контуром работают при полном номинальном токе независимо от нагрузки. С другой стороны, шаговые системы с закрытым контуром подают на двигатель ровно столько тока, сколько нужно для управления нагрузкой, и это приводит к гораздо меньшему слышимому шуму.

Для получения результатов испытаний, показанных на графике акустического шума, сопровождающем эту статью, акустический шум каждой системы измеряется в звуконепроницаемой камере. Система с замкнутым контуром значительно тише, чем вариант с открытым контуром на скоростях от 0 до 20 об/сек. Этот диапазон скоростей совпадает с реальным диапазоном скоростей приложений, где чаще всего используются системы с шаговыми двигателями, что означает, что подавляющее большинство приложений с шаговыми двигателями могут выиграть от снижения шума двигателя при переходе на системы с замкнутым контуром.

Повышенная точность двигателя для устранения ошибок позиционирования

Системы шаговых двигателей с открытым контуром ценятся за их способность точно позиционировать грузы без механизма обратной связи или системы управления с закрытым контуром, но только если система с открытым контуром имеет достаточный запас крутящего момента, чтобы ошибки позиционирования не возникали во время нормальной работы. Для повышения точности и для более надежной конструкции системы замыкание контура позиционирования сервопривода вокруг обратной связи от энкодера высокого разрешения позволяет системам с закрытым контуром автоматически компенсировать увеличение потребности в крутящем моменте, которое в противном случае привело бы к ошибкам позиционирования в системах с открытым контуром. Это значительно повышает общую точность системы, особенно для высокодинамичных приложений, таких как системы захвата и размещения и 3D-принтеры, где требуются короткие, быстрые перемещения и частая смена направления.

Модернизация существующих шаговых систем

Из компонентов в интегрированной системе шагового двигателя, двигатель, усилитель мощности и расходы на связь, как правило, не увеличиваются при переходе от открытого к закрытому контуру. Управляющая электроника может потребовать немного больше центральной вычислительной мощности или памяти для сервоуправления двигателем, но это, как правило, не влияет на прейскурантные цены. Большая часть разницы в стоимости между шаговыми системами открытого и закрытого контура заключается в добавлении устройства обратной связи высокого разрешения, но усовершенствования в производстве сделали эти устройства все более доступными. Так что теперь шаговые системы с замкнутым контуром сохраняют преимущества по стоимости шаговых систем с открытым контуром по сравнению с другими типами систем позиционирования — такими как традиционный сервопривод — но со значительно возросшей производительностью почти во всех отношениях. Как правило, экономия энергии и повышенная пропускная способность замкнутой системы быстро окупают небольшое увеличение стоимости устройства обратной связи.

Помимо минимального увеличения стоимости, модернизация от шаговой системы с открытым контуром к системе с закрытым контуром упрощается с предложениями размера рамы NEMA. Шаговый двигатель NEMA 23 с закрытым контуром имеет тот же размер рамы, диаметр пилота, окружность отверстий под болты и диаметр отверстий под болты, что и шаговый двигатель NEMA 23 с открытым контуром, поэтому монтажные кронштейны остаются прежними. Больший крутящий момент, доступный от системы с закрытым контуром, означает, что диаметр вала шагового двигателя с закрытым контуром может быть больше, но это обычно можно решить довольно легко с помощью простой замены муфты вала.