Системы линейного движения используются в бесчисленных машинах, включая прецизионные системы лазерной резки, оборудование для автоматизации лабораторий, машины для изготовления полупроводников, станки с ЧПУ, средства автоматизации производства и многие другие, слишком многочисленные, чтобы их перечислять. Они варьируются от относительно простых, таких как недорогой привод сиденья в пассажирском автомобиле, до сложной многоосной системы координат, оснащенной управляющей и приводной электроникой для позиционирования с обратной связью. Независимо от того, насколько проста или сложна система линейного перемещения, на самом базовом уровне все они имеют одну общую черту: перемещение груза на линейное расстояние за определенный промежуток времени.

Один из наиболее частых вопросов при проектировании системы линейного перемещения связан с технологией двигателя. После выбора технологии необходимо подобрать двигатель так, чтобы он отвечал требованиям ускорения нагрузки, преодоления трения в системе и воздействия силы тяжести, при этом поддерживая безопасную максимальную рабочую температуру. Крутящий момент, скорость, мощность и возможности позиционирования двигателя зависят от конструкции двигателя в сочетании с приводом и управлением.

С КАКОГО МОТОРА НАЧАТЬ?

При проектировании системы линейного перемещения с использованием конкретной технологии двигателя необходимо учитывать множество прикладных вопросов. Исчерпывающее объяснение всего процесса выходит за рамки данной статьи. Цель состоит в том, чтобы заставить вас задуматься о том, как задавать правильные вопросы при разговоре с поставщиком двигателей.

Не существует лучшего двигателя для каждого применения, а существует лучший двигатель для конкретного применения. В подавляющем большинстве приложений с пошаговым движением выбором будет либо шаговый двигатель, либо щеточный двигатель постоянного тока, либо бесщеточный двигатель постоянного тока. В наиболее сложных системах движения могут использоваться линейные двигатели, подключенные непосредственно к нагрузке, что позволяет избежать необходимости преобразования механической энергии; нет необходимости в перемещении через ходовой/шариковый винт, коробку передач или систему шкивов. Хотя максимальная точность, повторяемость и разрешение позиционирования могут быть достигнуты с помощью линейных сервосистем с прямым приводом без сердечника, они являются наиболее дорогостоящими и сложными по сравнению с роторными двигателями. Архитектура, использующая роторные двигатели, намного дешевле и подходит для большинства приложений с линейным движением; однако для управления нагрузкой необходимы некоторые средства преобразования «вращательного в линейное» (и, как следствие, преобразования мощности).

Шаговые, щеточные и бесщеточные двигатели считаются двигателями постоянного тока; однако существуют тонкости, которые заставят инженера отдать предпочтение одному типу перед двумя другими в конкретном приложении. Следует подчеркнуть, что этот выбор во многом зависит от конструктивных требований системы не только с точки зрения скорости и крутящего момента, но также требований к точности позиционирования, повторяемости и разрешению. Не существует идеального двигателя для каждого применения, и все решения потребуют компромиссов в конструкции. На самом базовом уровне все двигатели, независимо от того, называются ли они переменным или постоянным током, щеточные, бесщеточные или любые другие электродвигатели, работают по одному и тому же физическому принципу создания крутящего момента: взаимодействие магнитных полей. Однако существуют существенные различия в том, как эти различные технологии двигателей реагируют на конкретные применения. Общая производительность двигателя, отклик и генерация крутящего момента зависят от метода возбуждения поля и геометрии магнитной цепи, присущих физической конструкции двигателя, управления входным напряжением и током контроллером/приводом, а также метода обратной связи по скорости или положению, если требует приложение.

В технологиях шаговых двигателей постоянного тока, щеточных сервоприводов и бесщеточных серводвигателей для их питания используется источник постоянного тока. Для приложений с линейным движением это не означает, что фиксированный источник постоянного тока может быть подключен непосредственно к обмоткам двигателя; электроника необходима для управления током обмотки (связанным с выходным крутящим моментом) и напряжением обмотки (связанным с выходной скоростью). Ниже перечислены сильные и слабые стороны трех технологий.

Проектирование линейной системы начинается с массы груза и того, насколько быстро эта масса должна перемещаться из точки А в точку Б. Тип, размер и механическая конструкция двигателя начинаются с мощности (Вт), необходимой для перемещения нагрузки. Начиная с нагрузки и, в конечном итоге, проходя через все компоненты к источнику питания привода, анализ представляет собой серию шагов, позволяющих понять преобразование мощности от одной части системы к другой, принимая во внимание различную эффективность промежуточных компонентов. Ватты в виде напряжения и тока, поступающие в привод, в конечном итоге преобразуются в механическую выходную мощность, перемещающую заданную нагрузку за определенный промежуток времени.

Чтобы получить представление о выходной мощности, необходимой для нагрузки, простой расчет мощности поможет приблизить двигатель. Определив необходимую среднюю выходную мощность, завершите анализ требований к мощности, вернувшись к двигателю и проехав через различные элементы преобразования мощности. Следует использовать данные производителей, чтобы принять во внимание эффективность различных компонентов, поскольку это в конечном итоге будет определять размер двигателя и источника питания. Выбор единиц измерения зависит от личных предпочтений, но настоятельно рекомендуется использовать единицы СИ. Работа в единицах СИ позволяет избежать необходимости запоминать несколько констант преобразования, а конечный результат всегда можно преобразовать обратно в английские единицы.

СКОЛЬКО МОЩНОСТИ НЕОБХОДИМО ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ НАГРУЗКИ ЗА НЕОБХОДИМОЕ ВРЕМЯ?

Для поднятия массы массой 9 кг против силы тяжести потребуется сила около 88 Н. Расчет мощности, необходимой для перемещения груза, станет отправной точкой для определения компонентов остальной части системы. Это средняя мощность, необходимая для перемещения массы массой 9 кг по вертикали из точки А в точку Б за 1 секунду. Системные потери, такие как трение, не учитываются. Требуемая мощность на валу двигателя будет несколько выше и зависит от других компонентов, используемых в системе, 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. Если принять во внимание ускорение и замедление, мгновенная мощность во время профиля движения будет несколько выше; однако средняя выходная мощность, необходимая при нагрузке, составляет около 18 Вт. После тщательного анализа всех компонентов такой системе для выполнения работы потребуется пиковая мощность около 37 Вт. Эта информация, а также различные другие характеристики применения теперь помогут выбрать наиболее подходящую технологию двигателя.

КАКУЮ МОТОРНУЮ ТЕХНОЛОГИЮ СЛЕДУЕТ РАССМОТРИТЬ?

Отличные возможности позиционирования и относительно простое управление побудили разработчика в первую очередь рассмотреть возможность использования шагового двигателя. Однако шаговый двигатель не соответствует требованию небольшой механической площади и одновременно отвечает требованиям нагрузки. Пиковая потребляемая мощность в 37 Вт потребует очень большого шагового двигателя. Хотя шаговые двигатели обладают очень высоким крутящим моментом на низких скоростях, пиковая скорость и, следовательно, требуемая мощность для профиля движения превышают возможности всех шаговых двигателей, кроме самых больших.

Щеточный серводвигатель постоянного тока будет соответствовать требованиям к нагрузке, занимать небольшую механическую площадь и иметь очень плавное вращение на низких скоростях; однако из-за строгих требований ЭМС, вероятно, лучше избегать использования щеточного двигателя для этого конкретного применения. Это будет менее дорогая альтернатива по сравнению с бесщеточной системой, но может возникнуть проблема с соблюдением любых строгих требований по электромагнитной совместимости.

Бесщеточный двигатель постоянного тока с синусоидальной системой привода будет лучшим выбором для удовлетворения всех требований применения, включая профиль нагрузки и движения (высокая плотность мощности); плавное, беззубчатое движение на низких скоростях; и небольшой механический след. В этом случае все еще существует вероятность возникновения сигнатуры электромагнитных помех из-за высокочастотного переключения электроники привода; однако это можно смягчить с помощью встроенной фильтрации из-за более узкой полосы частот. Щеточный двигатель постоянного тока демонстрирует более широкую полосу электромагнитных помех, что затрудняет его фильтрацию.

РАЗМЕР ДВИГАТЕЛЯ — ЭТО ТОЛЬКО НАЧАЛО

Эта статья представляла собой краткое обсуждение, призванное познакомить проектировщика с различными соображениями при выборе технологии двигателя для относительно простого приложения с линейным движением. Хотя принципы идентичны для более сложной системы, такой как стол XY или многоосный прецизионный механизм захвата и перемещения, каждую ось необходимо будет анализировать на предмет нагрузки независимо. Еще один вопрос, выходящий за рамки этой статьи, — как выбрать подходящий коэффициент безопасности, чтобы обеспечить желаемый срок службы системы (количество циклов). Срок службы системы зависит не только от размера двигателя, но и от других механических элементов системы, таких как коробка передач и узел ходового винта. Другие факторы, такие как точность позиционирования, разрешение, повторяемость, максимальный крен, наклон и рысканье и т. д., являются важными факторами, позволяющими гарантировать, что система линейного движения соответствует целям применения или превосходит их.