Системы линейного перемещения используются в бесчисленном количестве машин, включая прецизионные системы лазерной резки, лабораторное автоматизированное оборудование, станки для производства полупроводников, станки с ЧПУ, системы автоматизации производства и многие другие, которые невозможно перечислить. Они варьируются от относительно простых, таких как недорогой привод сиденья в легковом автомобиле, до сложных многоосевых координатных систем с управляющей и приводной электроникой для позиционирования с обратной связью. Независимо от простоты или сложности системы линейного перемещения, на самом базовом уровне у всех них есть одна общая черта: перемещение груза на линейное расстояние за определенный промежуток времени.

Один из наиболее распространенных вопросов при проектировании системы линейного перемещения касается технологии двигателя. После выбора технологии необходимо подобрать двигатель, способный удовлетворить требованиям по ускорению нагрузки, преодолеть трение в системе и влияние силы тяжести, при этом поддерживая безопасную максимальную рабочую температуру. Крутящий момент, скорость, мощность и возможности позиционирования двигателя зависят от его конструкции, а также от привода и системы управления.

С какого двигателя мне следует начать?

При проектировании системы линейного перемещения с использованием конкретной технологии двигателя необходимо учитывать множество вопросов, связанных с ее применением. Подробное объяснение всего процесса выходит за рамки данной статьи. Цель состоит в том, чтобы побудить вас задуматься о том, какие вопросы следует задавать при общении с поставщиком двигателей.

Не существует универсального двигателя, подходящего для любого применения, есть лишь двигатель, оптимальный для конкретного применения. В подавляющем большинстве случаев, когда требуется пошаговое перемещение, выбор сводится к шаговому двигателю, щеточному двигателю постоянного тока или бесщеточному двигателю постоянного тока. В самых сложных системах перемещения могут использоваться линейные двигатели, напрямую соединенные с нагрузкой, что исключает необходимость механического преобразования энергии; нет необходимости в поступательном перемещении через ходовой винт/шариковый винт, редуктор или систему шкивов. Хотя максимальная точность, повторяемость и разрешение позиционирования могут быть достигнуты с помощью бесколлекторных линейных сервосистем с прямым приводом, они являются самыми дорогими и сложными по сравнению с роторными двигателями. Архитектура с использованием роторных двигателей значительно дешевле и подходит для большинства задач линейного перемещения; однако для привода нагрузки необходимы средства преобразования «вращательного движения в линейное» (и, как следствие, преобразования энергии).

Шаговые, щеточные и бесщеточные двигатели считаются двигателями постоянного тока; однако существуют нюансы, которые могут заставить инженера отдать предпочтение одному типу перед двумя другими в конкретном применении. Следует подчеркнуть, что этот выбор в значительной степени зависит от требований к конструкции системы, не только с точки зрения скорости и крутящего момента, но и с точки зрения точности позиционирования, повторяемости и разрешения. Идеального двигателя для каждого применения не существует, и все решения потребуют компромиссов в проектировании. На самом базовом уровне все двигатели, независимо от того, называются ли они двигателями переменного или постоянного тока, щеточными, бесщеточными или любыми другими электродвигателями, работают по одному и тому же физическому принципу для создания крутящего момента: взаимодействие магнитных полей. Однако существуют существенные различия в том, как эти различные технологии двигателей реагируют в конкретных приложениях. Общая производительность двигателя, его отклик и генерация крутящего момента зависят от метода возбуждения поля и геометрии магнитной цепи, заложенных в физической конструкции двигателя, управления входным напряжением и током контроллером/приводом, а также метода обратной связи по скорости или положению, если это требуется в приложении.

Технологии шаговых двигателей постоянного тока, щеточных сервоприводов и бесщеточных серводвигателей используют источник постоянного тока для питания. Для линейных систем это не означает, что фиксированный источник постоянного тока может подаваться непосредственно на обмотки двигателя; для управления током обмотки (связанным с выходным крутящим моментом) и напряжением обмотки (связанным с выходной скоростью) необходима электроника. Ниже приведено краткое описание сильных и слабых сторон этих трех технологий.

Проектирование линейной системы начинается с определения массы груза и скорости его перемещения из точки А в точку В. Тип, размер и механическая конструкция двигателя определяются мощностью (в ваттах), необходимой для перемещения груза. Начиная с нагрузки и заканчивая всеми компонентами, вплоть до источника питания привода, анализ представляет собой последовательность шагов для понимания преобразования мощности от одной части системы к другой с учетом различных КПД промежуточных компонентов. Мощность в ваттах, выраженная в виде напряжения и тока, поступающих в привод, в конечном итоге преобразуется в механическую выходную мощность в ваттах, необходимую для перемещения заданного груза за определенное время.

Чтобы приблизительно оценить необходимую выходную мощность на нагрузке, простой расчет мощности поможет приблизительно рассчитать параметры двигателя. После определения средней необходимой выходной мощности завершите анализ требований к мощности, проанализировав различные элементы преобразования энергии, относящиеся к двигателю и приводу. Следует учитывать данные производителя, поскольку КПД различных компонентов в конечном итоге определит размер двигателя и источника питания. Выбор единиц измерения — дело личного предпочтения, но настоятельно рекомендуется использовать единицы СИ. Работа в единицах СИ позволяет избежать необходимости запоминать множество коэффициентов преобразования, а конечный результат всегда можно перевести обратно в английские единицы.

Какая мощность необходима для перемещения нагрузки за требуемое время?

Для подъема груза массой 9 кг против силы тяжести потребуется сила около 88 Н. Расчет необходимой мощности в ваттах для перемещения груза послужит отправной точкой для определения параметров остальных компонентов системы. Это средняя мощность, необходимая для вертикального перемещения груза массой 9 кг из точки А в точку В за 1 секунду. Потери в системе, такие как трение, не учитываются. Мощность, необходимая для вала двигателя, будет несколько выше и зависит от других компонентов системы, таких как редуктор и ходовой винт.

P = (F × S) / t

P = (88 Н × 0,2 м) / 1,0 с = 17,64 Вт

Это отличается от пиковой мощности, которая потребуется от системы. С учетом ускорения и замедления мгновенная мощность во время движения будет несколько выше; однако средняя выходная мощность, необходимая при нагрузке, составляет около 18 Вт. После тщательного анализа всех компонентов, для выполнения этой задачи системе потребуется около 37 Вт пиковой мощности. Эта информация, наряду с различными другими техническими характеристиками, поможет выбрать наиболее подходящую технологию двигателя.

КАКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ОБЛАСТИ ДВИГАТЕЛЯ МНЕ СЛЕДУЕТ РАССМОТРЕТЬ?

Превосходные возможности позиционирования и относительно простое управление побудили бы конструктора в первую очередь рассмотреть возможность использования шагового двигателя. Однако шаговый двигатель не соответствовал бы требованиям к малым габаритам при одновременном удовлетворении нагрузки. Пиковая потребляемая мощность в 37 Вт потребовала бы очень большого шагового двигателя. Хотя шаговые двигатели обладают очень высоким крутящим моментом на низких скоростях, пиковая скорость и, следовательно, потребляемая мощность профиля перемещения превышают возможности всех шаговых двигателей, за исключением самых больших.

Щеточный серводвигатель постоянного тока соответствовал бы требованиям к нагрузке, имел бы небольшие механические габариты и обеспечивал бы очень плавное вращение на низких скоростях; однако, из-за строгих требований к электромагнитной совместимости, вероятно, лучше избегать щеточного двигателя для данного конкретного применения. Это была бы менее дорогая альтернатива по сравнению с бесщеточной системой, но она могла бы создать трудности с прохождением любых строгих требований к электромагнитной совместимости.

Бесщеточный двигатель постоянного тока с синусоидальной системой привода был бы предпочтительным вариантом, отвечающим всем требованиям применения, включая профиль нагрузки и движения (высокая удельная мощность); плавное движение без заеданий на низких скоростях; и малые механические габариты. В этом случае все еще будет существовать потенциальная возможность электромагнитных помех из-за высокочастотного переключения электроники привода; однако это можно уменьшить с помощью встроенной фильтрации благодаря более узкой полосе частот. Щеточный двигатель постоянного тока демонстрирует более широкую полосу электромагнитных помех, что делает фильтрацию более сложной задачей.

Расчет мощности двигателя — это только начало.

Данная статья представляет собой краткое обсуждение, призванное ознакомить проектировщика с различными аспектами выбора технологии двигателя для относительно простого линейного перемещения. Хотя принципы остаются теми же для более сложных систем, таких как XY-стол или многоосевой прецизионный механизм захвата и перемещения, каждую ось необходимо анализировать на предмет нагрузки независимо. Ещё один аспект, выходящий за рамки данной статьи, — это выбор соответствующего коэффициента запаса прочности для обеспечения желаемого срока службы системы (количества циклов). Срок службы системы зависит не только от размера двигателя, но и от других механических элементов системы, таких как редуктор и ходовой винт. Другие факторы, такие как точность позиционирования, разрешение, повторяемость, максимальный крен, тангаж и рыскание и т. д., также важны для обеспечения соответствия или превышения целей применения системы линейного перемещения.