Системы с шаговыми двигателями — основа индустрии управления движением. Мы рассмотрим различия между системами с открытым и закрытым контуром, а также расскажем о последних разработках, которые делают системы с шаговыми двигателями ещё быстрее, тише и энергоэффективнее, чем когда-либо прежде.

Системы шаговых двигателей прошли долгий путь развития с первых дней применения приводов напряжения и полношагового управления. Сначала появились ШИМ-приводы и микрошаговый режим, а затем цифровые сигнальные процессоры (ЦСП) и антирезонансные алгоритмы. Новая технология шаговых двигателей с замкнутым контуром управления гарантирует, что шаговые двигатели останутся краеугольным камнем отрасли управления движением на долгие годы.

Независимо от того, линейное или вращательное движение, два основных фактора, определяющих наиболее подходящий двигатель и приводную систему, — это крутящий момент и эффективность. Это относится и к автоматизированным сборочным системам, и к машинам для обработки материалов, и к 3D-принтерам, и к декартовым позиционерам, и к перистальтическим насосам, и к другим многочисленным другим приложениям, где шаговые двигатели являются предпочтительной технологией.

Новейшей разработкой в области шаговых систем является применение недорогих устройств обратной связи высокого разрешения и современных цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) для замыкания контура управления при движении шагового двигателя. Такие системы управления повышают производительность шагового двигателя с замкнутым контуром, превосходя системы с разомкнутым контуром. Как мы увидим, одна из таких систем с замкнутым контуром реализована на основе интегрированной конструкции двигателя, включающей 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 открытым контуром с точки зрения крутящего момента и эффективности.

Превосходная производительность шаговых систем с замкнутым контуром управления по сравнению с системами с разомкнутым контуром управления продемонстрирована в ходе лабораторных испытаний, сравнивающих ускорение (крутящий момент), эффективность (потребляемую мощность), погрешность позиционирования (точность), тепловыделение и уровень шума. Просто обратите внимание на взаимосвязь между крутящим моментом и ускорением. Кривые зависимости крутящего момента от скорости показывают диапазоны пикового и непрерывного крутящего момента для шаговых систем с замкнутым контуром управления, а также диапазон полезного крутящего момента для шаговых систем с разомкнутым контуром управления. 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, к системам шаговых двигателей одинакового размера с разомкнутым и замкнутым контуром управления прилагаются одинаковые инерционные нагрузки. Программирование предписывает обеим системам выполнять идентичные профили движения, за исключением того, что ускорение и максимальная скорость в каждой системе медленно увеличиваются до тех пор, пока не возникнут ошибки позиционирования.

Предположим, что система с разомкнутым контуром достигает максимального ускорения 1000 об/сек.²и максимальная скорость 10 об/с (600 об/мин). Эта максимальная скорость 10 об/с соответствует точке, где заканчивается плоский участок кривой зависимости крутящего момента от скорости. Замкнутая система (благодаря более высокому крутящему моменту) обеспечивает максимальное ускорение 2000 об/с.²и максимальная скорость 20 об/с (1200 об/мин). Это вдвое превышает производительность системы с открытым контуром и сокращает время перемещения почти вдвое — со 110 до 60 мс.

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

Эффективность открытого и закрытого контуров

Чтобы измерить относительную эффективность системы с разомкнутым и замкнутым контуром, предположим, что мы повторяем тот же тест с теми же двумя двигателями одинаковой мощности. На этот раз двигатели с замкнутым и разомкнутым контуром работают параллельно с одинаковыми инерционными нагрузками, но при этом используется программа, которая поддерживает постоянные и одинаковые профили движения, так что обе системы выполняют одинаковый объём работы.

Пока оба двигателя многократно выполняют один и тот же профиль движения, измеряется ток, потребляемый источником постоянного тока, питающим обе системы, и рассчитывается потребляемая мощность. Как видно на графиках значений, средняя потребляемая мощность шагового двигателя с разомкнутым контуром составляет 43,8 Вт, тогда как у системы с замкнутым контуром она составляет всего треть от этого — в среднем 14,2 Вт. Эта существенная разница в потребляемой мощности наглядно демонстрирует более высокую эффективность работы системы с замкнутым контуром. Любой пользователь, желающий повысить эффективность своей системы с разомкнутым контуром, может теперь рассмотреть возможность простого перехода на систему с замкнутым контуром и ожидать значительного снижения потребления.

Как решить проблему нагрева двигателя

Естественным продолжением испытаний на энергопотребление является исследование нагрева двигателя. Шаговые системы с разомкнутым контуром — это простое устройство. Достаточно просто установить привод на номинальный ток двигателя, и привод будет делать всё возможное для обеспечения подачи этого тока на двигатель в любое время, независимо от того, требуется ли результирующий крутящий момент или нет. Это часто приводит к выделению тепла вместо энергии, необходимой для выполнения прикладной функции, и именно поэтому шаговые системы с разомкнутым контуром обычно нагреваются сильнее аналогов с замкнутым контуром. Это также означает, что разработчикам машин приходится принимать дополнительные меры для борьбы с этим нагревом, часто устанавливая специальные защитные устройства вокруг шаговых двигателей, которые будут работать в непосредственной близости от оператора, или устанавливая дополнительные системы охлаждения, такие как вентиляторы.

Рассмотрим результаты испытания на нагрев двигателя, проведённого в лабораторных условиях с использованием тех же систем с разомкнутым и замкнутым контуром, что и выше. В этом испытании обе системы снова совершают одинаковую работу, приводя в движение те же инерционные нагрузки, и работают до достижения теплового равновесия. Система с разомкнутым контуром достигает температуры корпуса 76,0 °C, тогда как система с замкнутым контуром достигает теплового равновесия при температуре корпуса всего 36,9 °C — менее чем вдвое меньше, чем в системе с разомкнутым контуром. Это значительное снижение нагрева двигателя может означать снижение затрат на компоненты для машиностроителей, поскольку они могут отказаться от дополнительных подсистем защиты и охлаждения.

Больше никаких шумных моторов

Ещё одна распространённая претензия к шаговым двигателям с открытым контуром заключается в том, что они, как известно, производят довольно много шума. В определённых условиях, например, в лабораториях, больницах и офисах, этот шум может представлять серьёзную проблему для разработчиков машин.

Шум, издаваемый шаговыми двигателями, возникает из-за высокой частоты электрического тока и быстрых изменений магнитного потока в зубцах статора, а также из-за того, что системы с разомкнутым контуром работают на полном номинальном токе независимо от нагрузки. В системах с замкнутым контуром, напротив, двигатель получает ток, достаточный для управления нагрузкой, что обеспечивает значительно меньший уровень шума.

Для получения результатов испытаний, представленных на графике акустического шума, приложенном к этой статье, акустический шум каждой системы измеряется в звукоизолированной камере. Система с замкнутым контуром значительно тише системы с разомкнутым контуром на скоростях от 0 до 20 об/с. Этот диапазон скоростей совпадает с реальным диапазоном скоростей в приложениях, где чаще всего используются системы с шаговыми двигателями, а это означает, что в подавляющем большинстве случаев применения шаговых двигателей снижение шума двигателя может быть достигнуто при переходе на системы с замкнутым контуром.

Повышенная точность двигателя для устранения ошибок позиционирования

Системы с шаговыми двигателями с разомкнутым контуром ценятся за их способность точно позиционировать грузы без механизма обратной связи или замкнутой системы управления, но только при условии, что разомкнутая система имеет достаточный запас по крутящему моменту, чтобы ошибки позиционирования не возникали в нормальном режиме работы. Для повышения точности и надежности конструкции системы замыкание контура позиционирования сервопривода на основе обратной связи от энкодера высокого разрешения позволяет системам с замкнутым контуром автоматически компенсировать увеличение требуемого крутящего момента, которое в противном случае привело бы к ошибкам позиционирования в системах с разомкнутым контуром. Это значительно повышает общую точность системы, особенно в высокодинамичных приложениях, таких как системы захвата и перемещения и 3D-принтеры, где требуются короткие, быстрые перемещения и частая смена направления.

Модернизация существующих шаговых систем

Из компонентов интегрированной системы шагового двигателя, двигатель, усилитель мощности и расходы на связь, как правило, не увеличиваются при переходе от разомкнутого к замкнутому контуру. Управляющая электроника может потребовать немного больше вычислительной мощности или памяти для сервоуправления двигателем, но это, как правило, не влияет на прайс-лист. Большая часть разницы в стоимости между шаговыми системами с разомкнутым и замкнутым контуром заключается в добавлении устройства обратной связи высокого разрешения, но усовершенствования в производстве сделали эти устройства все более доступными. Таким образом, теперь шаговые системы с замкнутым контуром сохраняют преимущества по стоимости шаговых систем с разомкнутым 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 шагового двигателя с разомкнутым контуром в систему с замкнутым контуром упрощается благодаря наличию типоразмера корпуса NEMA. Шаговый двигатель NEMA 23 с замкнутым контуром имеет тот же размер корпуса, диаметр направляющей втулки, окружность центров отверстий под болты и диаметр отверстий под болты, что и шаговый двигатель NEMA 23 с разомкнутым контуром, поэтому монтажные кронштейны остаются теми же. Более высокий крутящий момент, обеспечиваемый замкнутым контуром, означает, что диаметр вала шагового двигателя с замкнутым контуром может быть больше, но обычно это легко решается простой заменой соединительной муфты.