Линейные системы движения находятся внутри бесчисленных машин, включая системы точной лазерной резки, лабораторное оборудование автоматизации, машины полупроводникового изготовления, машины с ЧПУ, заводскую автоматизацию и многие другие, слишком многочисленные, чтобы перечислить. Они варьируются от относительно простых, таких как недорогой привод сиденья в пассажирском транспортном средстве, до сложной многоосной системы координат в комплекте с управляющей и приводной электроникой для позиционирования с закрытым контуром. Независимо от того, насколько проста или сложна линейная система движения, на самом базовом уровне, все они имеют одну общую черту: перемещение нагрузки через линейное расстояние за определенное время.

Один из наиболее распространенных вопросов при разработке линейной системы движения сосредоточена на двигательной технологии. Как только технология выбрана, двигатель должен быть измерен для удовлетворения требований ускорения нагрузки, преодоления трения в системе и преодоления эффекта тяжести, при этом сохраняя безопасную максимальную рабочую температуру. Крутящий момент, скорость, мощность и возможности позиционирования двигателя являются функцией конструкции двигателя в сочетании с приводом и управлением.

С какого мотора мне начать?

Существует множество вопросов применения, которые следует учитывать при разработке линейной системы движения с использованием конкретной автомобильной технологии. Исчерпывающее объяснение всего процесса выходит за рамки этой статьи. Цель состоит в том, чтобы заставить вас задуматься о том, чтобы задать правильные вопросы при разговоре с поставщиком двигателя.

Нет такого понятия, как лучший двигатель для каждого приложения, а скорее лучший мотор для конкретного приложения. В подавляющем большинстве постепенных движений выбор будет либо шаговым двигателем, моторным двигателем DC, либо бесщеточным двигателем постоянного тока. Наиболее сложные системы движения могут использовать линейные двигатели, соединенные непосредственно с нагрузкой, избегая необходимости механического преобразования мощности; Там нет необходимости в переводе через свинцовый винт/шариковой винт, коробку передач или систему шкива. Хотя максимальная точность, повторяемость и разрешение позиционирования могут быть достигнуты с помощью линейных сервоприводов с прямым приводом, они являются самыми высокими затратами и сложностью по сравнению с вращающимися двигателями. Архитектура с использованием роторных двигателей гораздо дешевле и будет соответствовать большинству линейных применений движения; Тем не менее, для управления нагрузкой необходимы некоторые средства «вращения в линейную» преобразования (и в результате, преобразование мощности).

Шата, кисть и бесщеточные двигатели считаются двигателями постоянного тока; Тем не менее, существуют тонкости, которые заставит инженера предпочтение одному типу над двумя другими в конкретном приложении. Следует подчеркнуть, что этот выбор сильно зависит от требований к проектированию системы, не только с точки зрения скорости и крутящего момента, но и от требований к точности позиционирования, повторяемости и разрешения. Для каждого приложения нет идеального двигателя, и все решения потребуют дизайнерских компромиссов. На самом базовом уровне все двигатели, независимо от того, называются ли они AC или DC, щеткой, бесщеточным или любым другим электродвигателем в этом отношении, работают в соответствии с тем же принципом физики для генерации крутящего момента: взаимодействие магнитных полей. Однако существуют драматические различия в том, как эти различные моторные технологии реагируют в конкретных приложениях. Общая производительность двигателя, отклик и генерация крутящего момента зависит от метода полевого возбуждения и геометрии магнитной цепи, присущей конструкции физического двигателя, управления входным напряжением и током контроллером/приводом и методом скорости или обратной связи положения, если требуется приложение.

DC Stepper, Crush Servo и бесщеточные серво -серво -моторные технологии используют подачу постоянного тока для их питания. Для линейных приложений движения это не означает, что фиксированный источник постоянного тока может быть применен непосредственно к обмоткам двигателей; Электроника необходима для контроля тока обмотки (связанного с выходным крутящим моментом) и напряжения обмотки (связанная с выходной скоростью). Ниже перечислено краткое изложение сильных и слабых сторон 3 технологий.

Конструкция линейной системы начинается с массы нагрузки, и как быстро должна быть масса, чтобы перейти из точки A к точке B. Тип двигателя, размер и механический конструкцию начинаются с мощности (ватт), необходимой для перемещения нагрузки. Начиная с нагрузки и, в конечном итоге, проработав все компоненты для источника питания привода, анализ представляет собой серию шагов для понимания преобразования мощности от одной части системы в другую, рассматривая различные эффективности компонентов между ними. Ватты в виде напряжения и тока в привод в конечном итоге будут переведены в механические выходные ватт, перемещающие данную нагрузку за определенное время.

Чтобы получить указание на выходную мощность, необходимую при нагрузке, простой расчет мощности поможет Ballpark мотор. После понимания необходимой средней выходной мощности, завершить анализ требований к мощности, работая на двигателе и пройдите через различные элементы преобразования мощности. Данные производителей должны быть направлены на принятие во внимание эффективность различных компонентов, так как это в конечном итоге определит размер двигателя и источник питания. Это личное предпочтение относительно того, с какими подразделениями работают, но настоятельно рекомендуются подразделения SI. Работа в подразделениях SI позволяет избежать необходимости запоминать многочисленные константы конверсии, и конечный результат всегда может быть преобразован обратно в английские единицы.

Сколько энергии необходимо для перемещения нагрузки в требуемое время?

9-килограммовая масса, поднятая против гравитации, потребует силы около 88N. Расчет ватт, необходимые для перемещения нагрузки, обеспечит отправную точку для определения компонентов в остальной части системы. Это средняя сила, необходимая для перемещения массы 9 кг вертикально от точки A в точку B за 1 секунду. Потери системы, такие как трение, не включены. Требуемая мощность вала двигателя будет несколько выше и зависит от других компонентов, используемых в системе, таких как коробка передач и свинцовый винт.

P = (F × S) / T

P = (88N × 0,2 м) / 1,0 с = 17,64 Вт

Это отличается от пиковой мощности, которая потребуется от системы. После учета ускорения и замедления мгновенная власть во время профиля движения будет несколько выше; Тем не менее, средняя выходная мощность, необходимая при нагрузке, составляет около 18 Вт. После тщательного анализа всех компонентов, такая система, как эта, потребует пиковой мощности около 37 Вт для выполнения работы. Эта информация, наряду с различными другими спецификациями приложений, теперь поможет выбрать наиболее подходящую моторную технологию.

Какие автомобильные технологии я должен рассмотреть?

Отличная возможность позиционирования и относительно простые элементы управления приведут к тому, что дизайнер сначала рассмотрит возможность использования шагового двигателя. Тем не менее, шаговый двигатель не будет отвечать требованиям небольшого механического следа при удовлетворении требований нагрузки. Требование пиковой мощности в 37 Вт потребует очень большого шагового двигателя. Хотя шаговые двигатели обладают очень высоким крутящим моментом на низких скоростях, пиковая скорость и, следовательно, потребность в мощности профиля движения превышают возможности всех, кроме самых крупных шаговых двигателей.

Сервуал -двигатель Crush DC будет соответствовать требованиям нагрузки, небольшому механическому следу и будет иметь очень плавное вращение на низких скоростях; Тем не менее, из -за строгих требований EMC, вероятно, лучше избегать моторного двигателя для этого конкретного применения. Это было бы менее дорогой альтернативой по сравнению с бесщеточной системой, но она может представлять трудность при прохождении любых строгих требований EMC.

Бесщеточный двигатель постоянного тока с использованием системы синусоидального привода станет первым выбором, который отвечает всем требованиям применения, включая профиль нагрузки и движения (высокая плотность мощности); плавное, без камер движения на низких скоростях; и небольшой механический след. В этом случае все еще будет потенциал подписи EMI из -за высокочастотной переключения электроники привода; Тем не менее, это может быть смягчено с использованием встроенной фильтрации из-за более узкой частотной полосы. Мотор Brush DC демонстрирует более широкую сигнатуру EMI группы, что делает его более сложной для фильтрации.

Размер двигателя - это только начало

Эта статья была краткой дискуссией, чтобы представить дизайнера с различными соображениями при выборе моторной технологии для относительно простого линейного применения движения. Хотя принципы идентичны для более сложной системы, такой как таблица XY или механизм точно оси, каждую ось необходимо будет проанализировать на предмет нагрузки независимо. Другое соображение вне сферы действия этой статьи - как выбрать соответствующий коэффициент безопасности, чтобы удовлетворить желаемый срок службы системы (количество циклов). Срок службы системы - это не просто функция размера двигателя, но и другие механические элементы в системе, таких как коробка передач и ведущий винт. Другие факторы, такие как точность позиционирования, разрешение, повторяемость, максимальная броска, высота и рыскания и т. Д., Все важны для обеспечения того, чтобы линейная система движения соответствует или превышает цели применения.