Шаговые двигатели с замкнутым контуром могут быть лучшим выбором для задач, обычно выполняемых сервоприводами, поскольку традиционные шаговые двигатели не могут с ними справиться.

Одним из наиболее важных решений, которые инженеры могут принять при разработке любого типа процесса управления движением, является выбор двигателя. Выбор правильного двигателя, как с точки зрения типа, так и размера, имеет решающее значение для эффективности работы конечной машины. Более того, гарантия того, что двигатель не нарушит бюджет, всегда является первоочередной задачей.

Один из первых вопросов, на который необходимо ответить при принятии решения: какой тип двигателя будет лучшим? Требуется ли для приложения высокопроизводительный серводвигатель? Будет ли недорогой степпер лучше? Или, может быть, стоит рассмотреть третий, средний вариант?

Ответы начинаются с потребностей конкретного приложения. Прежде чем определить тип двигателя, который идеально подойдет для любого конкретного применения, необходимо учитывать множество факторов.

Требования

Сколько циклов в минуту должен совершать двигатель? Какой крутящий момент необходим? Какая нужна максимальная скорость?

Эти важные вопросы невозможно решить, просто выбрав двигатель заданной мощности.

Выходная мощность двигателя представляет собой комбинацию крутящего момента и скорости, которую можно рассчитать путем умножения скорости, крутящего момента и константы.

Однако из-за характера этого расчета существует множество различных комбинаций крутящего момента и скорости, которые дадут определенную выходную мощность. Таким образом, разные двигатели с одинаковой номинальной мощностью могут работать по-разному из-за сочетания скорости и крутящего момента, которые они предлагают.

Инженеры должны знать, с какой скоростью должен двигаться груз определенного размера, прежде чем уверенно выбирать двигатель, который будет работать лучше всего. Выполняемая работа также должна соответствовать кривой крутящего момента/скорости двигателя. Эта кривая показывает, как изменяется крутящий момент двигателя во время работы. Используя допущения «наихудшего случая» (другими словами, определяя максимальный/минимальный крутящий момент и скорость, которые потребуются для работы), инженеры могут быть уверены, что выбранный двигатель имеет достаточную кривую крутящего момента/скорости.

Инерция нагрузки — еще один фактор, на который следует обратить внимание, прежде чем приступать к процессу принятия решения по выбору двигателя. Необходимо рассчитать коэффициент инерции, который представляет собой сравнение инерции нагрузки и инерции двигателя. Одно практическое правило гласит, что если инерция нагрузки в 10 раз превышает инерцию ротора, то настройка двигателя может оказаться более сложной, и производительность может ухудшиться. Но это правило варьируется не только от технологии к технологии, но и от поставщика к поставщику и даже от продукта к продукту. Насколько критично приложение, также повлияет на это решение. Некоторые продукты поддерживают соотношение до 30:1, тогда как прямые приводы работают до 200:1. Многим людям не нравится выбирать двигатель, соотношение мощности которого превышает 10:1.

Наконец, существуют ли физические ограничения, ограничивающие использование одного конкретного двигателя по сравнению с другим. Двигатели бывают разных форм и размеров. В некоторых случаях двигатели большие и громоздкие, а на некоторых операциях невозможно разместить двигатель определенного размера. Прежде чем принять обоснованное решение о лучшем типе двигателя, необходимо распознать и понять эти физические характеристики.

Как только инженеры ответят на все эти вопросы — скорость, крутящий момент, мощность, инерция нагрузки и физические ограничения — они смогут сосредоточиться на двигателе наиболее эффективного размера. Однако процесс принятия решений на этом не останавливается. Инженеры также должны выяснить, какой тип двигателя лучше всего подходит для конкретного применения. В течение многих лет выбор типа сводился к одному из двух вариантов для большинства применений: серводвигатель или шаговый двигатель с разомкнутым контуром.

Сервоприводы и шаговые двигатели

Принципы работы серводвигателей и шаговых двигателей с разомкнутым контуром аналогичны. Однако между ними есть ключевые различия, которые инженеры должны понять, прежде чем решить, какой двигатель идеально подходит для конкретного применения.

В традиционных сервосистемах контроллер отправляет команды на привод двигателя через импульс и направление или аналоговую команду, связанную с положением, скоростью или крутящим моментом. Некоторые элементы управления могут использовать метод на основе шины, который в новейших системах управления обычно представляет собой метод связи на основе Ethernet. Затем привод подает соответствующий ток на каждую фазу двигателя. Обратная связь двигателя возвращается к приводу двигателя и, при необходимости, к контроллеру. Привод полагается на эту информацию для правильного переключения двигателя и отправки достоверной информации о динамическом положении вала двигателя. Таким образом, серводвигатели считаются двигателями с замкнутым контуром и содержат встроенные энкодеры, а данные о положении часто передаются на контроллер. Эта обратная связь дает контроллеру больше контроля над двигателем. Контроллер может в той или иной степени корректировать работу, если что-то работает не так, как должно. Этот тип важной информации является преимуществом, которое не могут предложить шаговые двигатели с разомкнутым контуром.

Шаговые двигатели также работают по командам, посылаемым на привод двигателя, чтобы определять пройденное расстояние и скорость. Обычно этот сигнал представляет собой команду шага и направления. Однако шаговые двигатели с разомкнутым контуром не могут обеспечить обратную связь с операторами, поэтому их органы управления не могут должным образом оценить ситуацию и внести коррективы для улучшения работы двигателя.

Например, если крутящего момента двигателя недостаточно, чтобы справиться с нагрузкой, двигатель может заглохнуть или пропустить определенные этапы. Когда это произойдет, целевая позиция не будет достигнута. Учитывая характеристики шагового двигателя с разомкнутым контуром, это неточное позиционирование не будет должным образом передано обратно на контроллер, чтобы он мог внести коррективы.

Кажется, что серводвигатель имеет явные преимущества с точки зрения эффективности и производительности, так зачем же кому-то выбирать шаговый двигатель? Есть несколько причин. Самый распространенный из них — цена; Операционные бюджеты являются важными факторами при принятии любого проектного решения. Поскольку бюджеты ужесточаются, необходимо принимать решения по сокращению ненужных расходов. Это относится не только к стоимости самого двигателя, но и плановое и аварийное обслуживание, как правило, обходится дешевле для шаговых двигателей, чем для сервоприводов. Таким образом, если преимущества серводвигателя не оправдают его затраты, стандартного шагового двигателя может быть достаточно.

С чисто эксплуатационной точки зрения шаговые двигатели значительно проще в использовании, чем стандартные серводвигатели. Управление шаговым двигателем гораздо проще понять и проще настроить. Большинство сотрудников согласятся, что если нет причин чрезмерно усложнять операции, делайте все просто.

Преимущества, предлагаемые двумя разными типами двигателей, сильно различаются. Серводвигатели идеальны, если вам нужен двигатель со скоростью более 3000 об/мин и высоким крутящим моментом. Однако для приложений, требующих скорости всего несколько сотен об/мин или меньше, серводвигатель не всегда является лучшим выбором. Серводвигатели могут быть излишними для низкоскоростных приложений.

В низкоскоростных приложениях шаговые двигатели являются лучшим решением. Шаговые двигатели не только обеспечивают повторяемость, когда дело доходит до остановки, но также предназначены для работы на низкой скорости, обеспечивая при этом высокий крутящий момент. По самой природе этой конструкции шаговые двигатели могут управляться и работать до пределов скорости. Предел скорости типичных шаговых двигателей обычно не превышает 1000 об/мин, тогда как номинальная скорость серводвигателей может достигать 3000 об/мин и выше, а иногда даже превышать 7000 об/мин.

Если степпер правильно подобран, он может стать идеальным выбором. Однако, когда шаговый двигатель работает в конфигурации с разомкнутым контуром и что-то идет не так, операторы могут не получить все данные, необходимые для устранения проблемы.

Решение проблемы разомкнутого цикла

За последние несколько десятилетий было предложено несколько различных подходов к решению традиционных проблем с шаговыми двигателями с разомкнутым контуром. Одним из методов было наведение двигателя на датчик при включении питания или даже несколько раз во время работы. Несмотря на простоту, это замедляет работу и не учитывает проблемы, возникающие во время обычных рабочих процессов.

Еще одним подходом является добавление обратной связи для определения того, глохнет ли двигатель или находится в неправильном положении. Инженеры компаний, занимающихся управлением движением, создали функции «обнаружения остановки» и «поддержания положения». Было даже несколько подходов, идущих еще дальше, которые рассматривают шаговые двигатели во многом как сервоприводы или, по крайней мере, имитируют их с помощью причудливых алгоритмов.

В широком спектре двигателей — между сервоприводами и шаговыми двигателями с разомкнутым контуром — лежит несколько новая технология, известная как шаговый двигатель с обратной связью. Это лучший и наиболее экономичный способ решения проблем приложений, требующих точности позиционирования и низких скоростей. Применяя устройства обратной связи высокого разрешения для замыкания контура, инженеры могут насладиться «лучшим из обоих миров».

Шаговые двигатели с замкнутым контуром обладают всеми преимуществами шаговых двигателей: простотой использования, простотой и способностью стабильно работать на низких скоростях с точной остановкой. Кроме того, они по-прежнему предлагают возможности обратной связи, которые есть у серводвигателей. К счастью, у него нет самого большого недостатка сервопривода: более высокой цены.

Ключом всегда был принцип работы шаговых двигателей с разомкнутым контуром. Обычно они имеют две катушки, иногда пять, между которыми происходит магнитное балансирование. Движение нарушает этот баланс, в результате чего вал двигателя электрически отстает, но оператор не может знать, насколько далеко он отстает. Точка остановки повторяется для шаговых двигателей с разомкнутым контуром, но не для всех нагрузок. Установка энкодера на шаговый двигатель и создание замкнутого контура обеспечивает некоторый динамический контроль. Это позволяет операторам останавливаться в определенном месте при различных нагрузках.

Эти преимущества от использования шаговых двигателей с обратной связью для определенных приложений резко увеличили популярность этих двигателей в сообществе, занимающемся управлением движением. В частности, в двух наиболее известных отраслях — производителях полупроводников и медицинского оборудования — наблюдается явный рост использования шаговых двигателей с обратной связью. Инженеры в этих отраслях должны точно знать, где двигатели размещают нагрузку или приводы, независимо от того, приводят ли они в движение ремень или шариковый винт. Обратная связь с обратной связью в этих шаговых двигателях позволяет им точно знать, где оно находится. Эти шаговые двигатели также могут обеспечить лучшую производительность, чем сервоприводы, на более низких скоростях.

Как правило, любое приложение, требующее гарантированной производительности при меньших затратах, чем серводвигатель, и способности работать на относительно низких скоростях, является хорошим кандидатом на шаговые двигатели с обратной связью.

Имейте в виду, что операторам необходимо убедиться, что привод или элементы управления поддерживают шаговые двигатели с замкнутым контуром. Исторически сложилось так, что вы могли приобрести шаговый двигатель с энкодером на задней стороне, но привод был стандартным шаговым приводом и не поддерживал энкодеры. Энкодер необходимо было вернуть обратно в контроллер, а проверку положения необходимо было выполнить в конце данного перемещения. Это не требуется для новых шаговых приводов с замкнутым контуром. Шаговые приводы с замкнутым контуром могут динамически и автоматически управлять положением и скоростью без участия контроллеров.