Шаговые двигатели с замкнутым контуром могут оказаться наилучшим выбором для задач, обычно выполняемых сервоприводами, поскольку традиционные шаговые двигатели с ними не справляются.

Одно из наиболее важных решений, которые инженеры могут принять при проектировании любого типа процесса управления движением, — это выбор двигателя. Получение правильного двигателя, как по типу, так и по размеру, имеет решающее значение для эффективности работы конечной машины. Кроме того, обеспечение того, чтобы двигатель не нарушил бюджет, всегда является первостепенной задачей.

Один из первых вопросов, на который следует ответить при принятии решения: какой тип двигателя подойдет лучше всего? Требуется ли для приложения высокопроизводительный серводвигатель? Будет ли лучше недорогой шаговый двигатель? Или, может быть, стоит рассмотреть третий, средний вариант?

Ответы начинаются с потребностей конкретного применения. Существует множество факторов, которые следует рассмотреть, прежде чем определить тип двигателя, который идеально подойдет для любого конкретного применения.

Требования

Сколько циклов в минуту должен делать двигатель? Какой крутящий момент необходим? Какая пиковая скорость требуется?

Эти важные вопросы невозможно решить, просто выбрав двигатель с заданной мощностью.

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, различные двигатели с аналогичными номинальными мощностями могут работать по-разному из-за предлагаемой ими комбинации скорости и крутящего момента.

Инженеры должны знать, как быстро должна двигаться нагрузка определенного размера, прежде чем с уверенностью выбирать двигатель, который будет работать лучше всего. Выполняемая работа также должна подпадать под кривую крутящего момента/скорости двигателя. Эта кривая показывает, как крутящий момент двигателя изменяется во время работы. Используя предположения «наихудшего случая» (другими словами, определяя максимальное/минимальное значение крутящего момента и скорости, которые потребуются для работы), инженеры могут быть уверены, что выбранный двигатель имеет достаточную кривую крутящего момента/скорости.

Инерция нагрузки — еще один фактор, который следует рассмотреть, прежде чем приступать к процессу принятия решения о выборе двигателя. Необходимо рассчитать коэффициент инерции, который представляет собой сравнение инерции нагрузки и инерции двигателя. Одно из правил гласит, что если инерция нагрузки превышает инерцию ротора в 10 раз, то настройка двигателя может быть более сложной, а производительность может пострадать. Но это правило различается не только от технологии к технологии, но и от поставщика к поставщику и даже от продукта к продукту. То, насколько критично приложение, также повлияет на это решение. Некоторые продукты работают с коэффициентами до 30 к 1, в то время как прямые приводы работают с коэффициентами до 200 к 1. Многим не нравится выбирать размер двигателя, который превышает коэффициент 10 к 1.

Наконец, существуют ли физические ограничения, которые ограничивают один определенный двигатель по сравнению с другим. Двигатели бывают разных форм и размеров. В некоторых случаях двигатели большие и громоздкие, и существуют определенные операции, которые не могут вместить двигатель определенного размера. Прежде чем принять обоснованное решение о лучшем типе двигателя, эти физические характеристики следует распознать и понять.

Как только инженеры ответят на все эти вопросы — скорость, крутящий момент, мощность, инерция нагрузки и физические ограничения — они смогут сосредоточиться на самом эффективном размере двигателя. Однако процесс принятия решений на этом не заканчивается. Инженеры также должны выяснить, какой тип двигателя лучше всего подходит для приложения. В течение многих лет выбор типа сводился к одному из двух вариантов для большинства приложений: серводвигатель или шаговый двигатель с открытым контуром.

Сервоприводы и шаговые двигатели

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

В традиционных сервосистемах контроллер посылает команды приводу двигателя с помощью импульса и направления или аналоговой команды, связанной с положением, скоростью или крутящим моментом. Некоторые элементы управления могут использовать метод на основе шины, который в новейших элементах управления обычно является методом связи на основе Ethernet. Затем привод посылает соответствующий ток в каждую фазу двигателя. Обратная связь двигателя возвращается обратно к приводу двигателя и, при необходимости, к контроллеру. Привод полагается на эту информацию для правильной коммутации двигателя и отправки хорошей информации о динамическом положении вала двигателя. Таким образом, серводвигатели считаются двигателями с замкнутым контуром и содержат встроенные энкодеры, а данные о положении часто подаются на контроллер. Эта обратная связь дает контроллеру больше контроля над двигателем. Контроллер может вносить корректировки в операции в различной степени, если что-то работает не так, как должно быть. Этот тип важной информации является преимуществом, которое шаговые двигатели с разомкнутым контуром не могут предложить.

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 открытым контуром не могут обеспечить обратную связь для операторов, поэтому их элементы управления не могут правильно оценить ситуацию и внести коррективы для улучшения работы двигателя.

Например, если крутящего момента двигателя недостаточно для обработки нагрузки, двигатель может остановиться или пропустить определенные шаги. Когда это происходит, целевое положение не будет достигнуто. Учитывая характеристики разомкнутого контура шагового двигателя, это неточное позиционирование не будет адекватно передано обратно контроллеру, чтобы он мог выполнить корректировки.

Серводвигатель, кажется, имеет явные преимущества с точки зрения эффективности и производительности, так почему кто-то выбирает шаговый двигатель? Есть несколько причин. Самая распространенная из них — цена; эксплуатационные бюджеты являются важными соображениями при принятии любого проектного решения. По мере сокращения бюджетов необходимо принимать решения по сокращению ненужных расходов. Это относится не только к стоимости самого двигателя, но и к плановому и аварийному обслуживанию, как правило, менее затратно для шаговых двигателей по сравнению с сервоприводами. Таким образом, если преимущества серводвигателя не оправдывают его стоимость, стандартного шагового двигателя может быть достаточно.

С чисто эксплуатационной точки зрения шаговые двигатели значительно проще в использовании, чем стандартные серводвигатели. Эксплуатация шагового двигателя намного проще для понимания и настройки. Большинство персонала согласятся, что если нет причин для чрезмерного усложнения операций, то делайте все просто.

Преимущества, предлагаемые двумя различными типами двигателей, очень различны. Серводвигатели идеальны, если вам нужен двигатель со скоростью более 3000 об/мин и высоким крутящим моментом. Однако для приложений, требующих только скорости в несколько сотен об/мин или меньше, серводвигатель не всегда является лучшим выбором. Серводвигатели могут быть избыточными для низкоскоростных приложений.

Низкоскоростные приложения — это те, где шаговые двигатели блистают как наилучшее возможное решение. Шаговые двигатели не только повторяемы, когда дело доходит до остановки, но и разработаны для работы на низкой скорости, обеспечивая при этом высокий крутящий момент. По самой природе этой конструкции шаговые двигатели можно контролировать и запускать до пределов скорости. Предел скорости типичных шаговых двигателей обычно составляет менее 1000 об/мин, тогда как серводвигатели могут иметь номинальные скорости до 3000 об/мин и выше — иногда даже более 7000 об/мин.

Если шаговый двигатель правильно подобран, он может быть идеальным выбором. Однако, когда шаговый двигатель работает в конфигурации с открытым 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 для решения традиционных проблем с шаговыми двигателями с открытым контуром. Одним из методов было приведение двигателя к датчику при включении питания или даже несколько раз во время применения. Несмотря на простоту, это замедляет работу и не охватывает проблемы, возникающие в ходе обычных рабочих процессов.

Добавление обратной связи для обнаружения остановки двигателя или выхода его из положения — еще один подход. Инженеры компаний, занимающихся управлением движением, создали функции «обнаружения остановки» и «удержания положения». Было даже несколько подходов, идущих еще дальше, которые рассматривают шаговые двигатели как сервоприводы или, по крайней мере, имитируют их с помощью причудливых алгоритмов.

В большом спектре двигателей — между сервоприводами и шаговыми двигателями с открытым контуром — лежит несколько новая технология, известная как шаговый двигатель с закрытым контуром. Это лучший и наиболее экономичный способ решения проблемы приложений, требующих позиционной точности и низких скоростей. Применяя устройства обратной связи с высоким разрешением для замыкания контура, инженеры могут наслаждаться «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 обладают возможностями обратной связи, которые есть у серводвигателей. К счастью, это не обязательно должно сопровождаться самым большим недостатком серводвигателя: более высокой ценой.

Ключ всегда был в том, как работают шаговые двигатели с открытым контуром. Обычно они имеют две катушки, иногда пять, с магнитным балансировочным актом, происходящим между ними. Движение нарушает этот баланс, заставляя вал двигателя отставать электрически, но оператор не может знать, насколько он отстает. Точка остановки повторяется для шаговых двигателей с открытым контуром, но не для всех нагрузок. Установка энкодера на шаговом двигателе и превращение его в замкнутый контур обеспечивает некоторый динамический контроль. Это позволяет операторам останавливаться в точном месте при изменяющихся нагрузках.

Эти преимущества использования шаговых двигателей с замкнутым контуром для определенных приложений резко увеличили популярность этих двигателей в сообществе управления движением. В частности, в двух наиболее известных отраслях, производстве полупроводников и медицинских приборов, наблюдается явный рост использования шаговых двигателей с замкнутым контуром. Инженеры в этих отраслях должны точно знать, где двигатели располагают нагрузки или приводы, независимо от того, питают ли они ремень или шариковый винт. Обратная связь с замкнутым контуром в этих шаговых двигателях позволяет им точно знать, где он находится. Эти шаговые двигатели также могут обеспечивать лучшую производительность, чем сервоприводы на более низких скоростях.

Как правило, любое приложение, которому требуется гарантированная производительность по более низкой цене, чем у серводвигателя, и возможность работать на относительно низких скоростях, является хорошим кандидатом для шаговых двигателей с замкнутым контуром.

Помните, что операторы должны убедиться, что привод или элементы управления поддерживают шаговые двигатели с замкнутым контуром. Исторически вы могли получить шаговый двигатель с энкодером на задней стороне, но привод был стандартным шаговым приводом и не поддерживал энкодеры. Энкодер необходимо было вернуть в контроллер, а проверку положения нужно было реализовать в конце заданного перемещения. Это не требуется для новых шаговых приводов с замкнутым контуром. Шаговые приводы с замкнутым контуром могут динамически и автоматически обрабатывать управление положением и скоростью без привлечения контроллеров.