Крокові двигуни із замкнутим контуром можуть бути найкращим вибором для завдань, які зазвичай виконуються сервоприводами, оскільки традиційні крокові двигуни не можуть з ними впоратися.

Одне з найбільш важливих рішень, які інженери можуть прийняти при проектуванні будь-якого типу процесу керування рухом, – це вибір двигуна. Отримання правильного двигуна, як за типом, так і за розміром, є обов’язковим для ефективності кінцевої машини. Більше того, переконатися, що двигун не порушить бюджет, завжди є першочерговою турботою.

Одне з перших питань, на які потрібно відповісти, приймаючи рішення: який тип двигуна буде найкращим? Чи потрібен для програми високопродуктивний серводвигун? Чи буде недорогий степпер кращим? Або, можливо, варто розглянути третій, середній варіант?

Відповіді починаються з потреб конкретної програми. Перш ніж визначити тип двигуна, який ідеально підійде для будь-якого застосування, необхідно врахувати багато факторів.

Вимоги

Скільки циклів за хвилину повинен зробити двигун? Який крутний момент потрібен? Яка потрібна пікова швидкість?

Ці важливі питання неможливо вирішити, просто вибравши двигун із заданою потужністю.

Вихідна потужність двигуна – це комбінація крутного моменту та швидкості, яку можна обчислити множенням швидкості, крутного моменту та константи.

Однак через характер цього розрахунку існує багато різних комбінацій крутного моменту та швидкості, які дадуть конкретну вихідну потужність. Таким чином, різні двигуни з однаковою потужністю можуть працювати по-різному через поєднання швидкості та крутного моменту, які вони пропонують.

Інженери повинні знати, як швидко повинен рухатися вантаж певного розміру, перш ніж впевнено вибрати двигун, який працюватиме найкраще. Виконувана робота також має відповідати кривій крутний момент/швидкість двигуна. Ця крива показує, як крутний момент двигуна змінюється під час роботи. Використовуючи припущення «найгіршого випадку» (іншими словами, визначаючи максимальний/мінімальний крутний момент і швидкість, яких вимагатиме робота), інженери можуть бути впевнені, що обраний двигун має достатню криву крутного моменту/швидкості.

Інерція навантаження є ще одним фактором, на який слід звернути увагу, перш ніж зануритися в процес прийняття рішення щодо вибору двигуна. Необхідно розрахувати коефіцієнт інерції, який є порівнянням між інерцією навантаження та інерцією двигуна. Одне емпіричне правило говорить: якщо інерція навантаження в 10 разів перевищує інерцію ротора, то налаштування двигуна може бути складнішим, а продуктивність може погіршитися. Але це правило відрізняється не тільки від технології до технології, але й від постачальника до постачальника і навіть продукту до продукту. Те, наскільки критична програма, також вплине на це рішення. Деякі продукти працюють зі співвідношенням до 30 до 1, тоді як прямі приводи працюють до 200 до 1. Багатьом людям не подобається розмір двигуна, який перевищує співвідношення 10 до 1.

Нарешті, чи існують фізичні обмеження, які обмежують один певний двигун над іншим. Мотори бувають різних форм і розмірів. У деяких випадках двигуни великі та громіздкі, і є певні операції, які не можуть вмістити двигун певного розміру. Перш ніж прийняти обґрунтоване рішення щодо найкращого типу двигуна, слід визнати та зрозуміти ці фізичні характеристики.

Коли інженери дадуть відповідь на всі ці запитання — швидкість, крутний момент, потужність, інерція навантаження та фізичні обмеження — вони зможуть зосередитися на найефективнішому розмірі двигуна. Проте на цьому процес прийняття рішень не зупиняється. Інженери також повинні визначити, який тип двигуна найкраще підходить для застосування. Протягом багатьох років вибір типу зводився до одного з двох варіантів для більшості застосувань: серводвигун або кроковий двигун з відкритим контуром.

Сервоприводи та степери

Принципи роботи серводвигунів і крокових двигунів з відкритим контуром подібні. Однак існують ключові відмінності між ними, які інженери повинні зрозуміти, перш ніж вирішити, який двигун ідеально підходить для певного застосування.

У традиційних сервосистемах контролер надсилає команди приводу двигуна через імпульс і напрям або аналогову команду, пов’язану з положенням, швидкістю або крутним моментом. Деякі засоби керування можуть використовувати метод на основі шини, який у найновіших елементах керування зазвичай є методом зв’язку на основі Ethernet. Потім привід посилає відповідний струм на кожну фазу двигуна. Зворотній зв'язок двигуна повертається до приводу двигуна та, якщо необхідно, до контролера. Привід покладається на цю інформацію, щоб правильно комутувати двигун і надсилати точну інформацію про динамічне положення валу двигуна. Таким чином, серводвигуни вважаються двигунами із замкнутим контуром і містять вбудовані кодери, а позиційні дані часто подаються на контролер. Цей зворотний зв'язок дає контролеру більше контролю над двигуном. Контролер може вносити корективи в роботу різною мірою, якщо щось працює не так, як повинно бути. Цей тип важливої ​​інформації є перевагою, яку не можуть запропонувати крокові двигуни з відкритим контуром.

Крокові двигуни також працюють за командами, що надсилаються приводу двигуна, щоб диктувати пройдену відстань і швидкість. Як правило, цей сигнал є командою кроку та напрямку. Однак крокові кроки з відкритим циклом не можуть забезпечити зворотній зв’язок з операторами, тому їхні елементи керування не можуть правильно оцінити ситуацію та внести коригування для покращення роботи двигуна.

Наприклад, якщо крутного моменту двигуна недостатньо, щоб впоратися з навантаженням, двигун може зупинитися або пропустити певні кроки. Коли це станеться, цільова позиція не буде вражена. Враховуючи характеристики крокового двигуна в розімкненому контурі, це неточне позиціонування не буде належним чином передано назад до контролера, щоб він міг здійснювати коригування.

Здається, що серводвигун має явні переваги з точки зору ефективності та продуктивності, тож навіщо комусь вибирати кроковий двигун? Є кілька причин. Найпоширенішим є ціна; Операційні бюджети є важливим фактором для прийняття будь-якого дизайнерського рішення. Оскільки бюджети скорочуються, необхідно приймати рішення щодо скорочення непотрібних витрат. Це стосується не лише вартості самого двигуна, але й поточне та аварійне обслуговування, як правило, дешевше для крокових двигунів на відміну від сервоприводів. Отже, якщо переваги серводвигуна не виправдовують його витрати, стандартного крокового двигуна може бути достатньо.

З суто робочої точки зору, крокові двигуни значно легші у використанні, ніж стандартні серводвигуни. Керувати кроковим двигуном набагато простіше для розуміння та легше налаштувати. Більшість персоналу погодиться, що якщо немає причин надмірно ускладнювати операції, зробіть все просто.

Переваги двох різних типів двигунів дуже різні. Серводвигуни ідеально підходять, якщо вам потрібен двигун зі швидкістю понад 3000 об/хв і високим крутним моментом. Однак для застосування, яке потребує швидкості лише кілька сотень об/хв або менше, серводвигун не завжди є найкращим вибором. Серводвигуни можуть бути надмірними для низькошвидкісних застосувань.

Низькошвидкісні програми – це те, де крокові двигуни сяють як найкраще можливе рішення. Крокові двигуни не тільки повторюються, коли справа доходить до зупинки, але також розроблені для роботи на низькій швидкості, забезпечуючи високий крутний момент. Завдяки самій природі цієї конструкції, кроковими двигунами можна керувати та працювати до своїх обмежень швидкості. Межа швидкості типових крокових двигунів зазвичай становить менше 1000 об/хв, тоді як серводвигуни можуть мати номінальну швидкість до 3000 об/хв і вище, іноді навіть понад 7000 об/хв.

Якщо розмір степпера правильний, він може стати ідеальним вибором. Однак, коли кроковий двигун працює в конфігурації з відкритим контуром і щось йде не так, оператори можуть не отримати всі дані, необхідні для вирішення проблеми.

Розв’язування проблеми з розімкнутим контуром

За останні кілька десятиліть було запропоновано кілька різних підходів для вирішення традиційних проблем із степперами з відкритим контуром. Одним із методів було наведення двигуна на датчик під час увімкнення живлення або навіть кілька разів під час застосування. Незважаючи на те, що це просто, це сповільнює роботу та не фіксує проблеми, які виникають під час звичайних робочих процесів.

Іншим підходом є додавання зворотного зв’язку, щоб визначити, чи двигун зупиняється чи не в положенні. Інженери компаній з керування рухом створили функції «виявлення зриву» та «підтримання положення». Було навіть кілька підходів, що йдуть ще далі, які розглядають крокові двигуни як сервоприводи або принаймні імітують їх за допомогою химерних алгоритмів.

У великому спектрі двигунів — між сервоприводами та кроковими двигунами з відкритим контуром — лежить дещо нова технологія, відома як кроковий двигун із замкнутим контуром. Це найкращий і найбільш недорогий спосіб вирішити проблему програм, які потребують точності позиціонування та низьких швидкостей. Застосовуючи пристрої зворотного зв’язку з високою роздільною здатністю, щоб замкнути цикл, інженери можуть насолоджуватися «найкращим з обох світів».

Крокові двигуни із замкнутим циклом пропонують усі переваги крокових двигунів: легкість у використанні, простота та здатність стабільно працювати на низьких швидкостях із точною зупинкою. Крім того, вони все ще пропонують можливості зворотного зв’язку, як і серводвигуни. На щастя, він не обов’язково має головний недолік сервоприводу: високу ціну.

Ключ завжди був у тому, як працюють крокові двигуни з відкритим контуром. Зазвичай вони мають дві котушки, іноді п’ять, між якими відбувається магнітне врівноваження. Рух порушує цей баланс, спричиняючи електричне відставання вала двигуна, але оператор не може знати, наскільки він відстає. Точка зупинки повторюється для степерів із відкритим контуром, але не для всіх навантажень. Встановлення кодера на степпер і створення замкнутого циклу забезпечує деякий динамічний контроль. Це дозволяє операторам зупинятися в точному місці за різного навантаження.

Ці переваги використання крокових двигунів із замкнутим контуром для певних застосувань різко підвищили популярність цих двигунів у спільноті керування рухом. Зокрема, у двох найбільш відомих галузях промисловості, виробниках напівпровідників і медичних приладів, спостерігається явне збільшення використання крокових двигунів із замкнутим контуром. Інженери в цих галузях повинні точно знати, де двигуни розташовують навантаження або приводи, незалежно від того, живлять вони ремінь або кульковий гвинт. Замкнутий зворотний зв’язок у цих степперах дозволяє їм точно знати, де він знаходиться. Ці степери також можуть забезпечити кращу продуктивність, ніж сервоприводи на нижчих швидкостях.

Загалом, будь-яка програма, яка потребує гарантованої продуктивності за нижчою ціною, ніж серводвигун, і здатність працювати на відносно низьких швидкостях, є хорошим кандидатом на крокові двигуни із замкнутим контуром.

Майте на увазі, що оператори повинні переконатися, що привід або елементи керування підтримують крокові двигуни із замкнутим контуром. Історично ви могли отримати кроковий пристрій із кодувальником на задній частині, але привід був стандартним кроковим приводом і не підтримував кодери. Кодер потрібно було повернути до контролера, а перевірку позиції потрібно було б реалізувати в кінці певного руху. Для нових крокових приводів замкнутого контуру це не потрібно. Крокові приводи із замкнутим циклом можуть динамічно й автоматично керувати положенням і швидкістю без залучення контролерів.