Suljetun silmukan askelmoottorit voivat olla paras valinta tehtäviin, jotka tyypillisesti tehdään servomoottoreilla, koska perinteiset askelmoottorit eivät pystyneet käsittelemään niitä.

Yksi kriittisimmistä päätöksistä, joita insinöörit voivat tehdä suunnitellessaan minkä tahansa tyyppistä liikkeenohjausprosessia, on moottorin valinta. Oikean moottorin valitseminen sekä tyypin että koon suhteen on välttämätöntä lopullisen koneen toiminnan tehokkuuden kannalta. Lisäksi moottorin varmistaminen, ettei se ylitä budjettia, on aina ensisijainen huolenaihe.

Yksi ensimmäisistä kysymyksistä päätöksenteossa on: Minkä tyyppinen moottori olisi paras? Vaatiiko sovellus tehokasta servomoottoria? Olisiko edullinen askelmoottori parempi? Vai onko olemassa kolmas, keskiverto vaihtoehto, jota voisi harkita?

Vastaukset alkavat tietyn sovelluksen tarpeista. On monia tekijöitä, jotka on otettava huomioon ennen kuin määritetään ihanteellinen moottorityyppi tiettyyn sovellukseen.

Vaatimukset

Kuinka monta sykliä minuutissa moottorin täytyy tehdä? Kuinka paljon vääntömomenttia tarvitaan? Mikä on vaadittava huippunopeus?

Näihin kriittisiin kysymyksiin ei voida vastata pelkästään valitsemalla moottori, jolla on tietty hevosvoima.

Moottorin teho on vääntömomentin ja nopeuden yhdistelmä, joka voidaan laskea kertomalla nopeus, vääntömomentti ja vakio.

Tämän laskelman luonteen vuoksi on kuitenkin olemassa monia erilaisia ​​vääntömomentin ja nopeuden yhdistelmiä, jotka tuottavat tietyn tehon. Näin ollen eri moottorit, joilla on samanlaiset tehoarvot, voivat toimia eri tavalla niiden tarjoamien nopeus- ja vääntömomenttiyhdistelmien vuoksi.

Insinöörien on tiedettävä, kuinka nopeasti tietyn kokoisen kuorman on liikuttava, ennen kuin he voivat luottavaisin mielin valita parhaiten toimivan moottorin. Suoritettavan työn on myös oltava moottorin vääntömomentti/nopeus-käyrän mukainen. Tämä käyrä näyttää, miten moottorin vääntömomentti vaihtelee käytön aikana. Käyttämällä "pahimman mahdollisen" tapauksen oletuksia (toisin sanoen määrittämällä työn vaatiman suurimman/pienimmän vääntömomentin ja nopeuden) insinöörit voivat olla varmoja siitä, että valitulla moottorilla on riittävä vääntömomentti/nopeus-käyrä.

Kuorman inertia on toinen tekijä, joka tulisi ottaa huomioon ennen moottorin valintaan liittyvän päätöksentekoprosessin aloittamista. Inertiasuhde on laskettava, eli kuorman inertian ja moottorin inertian välinen vertailu. Yksi nyrkkisääntö sanoo, että jos kuorman inertia on yli 10 kertaa roottorin inertia, moottorin virittäminen voi olla vaikeampaa ja suorituskyky voi kärsiä. Mutta tämä sääntö vaihtelee paitsi teknologiasta toiseen, myös toimittajasta toiseen ja jopa tuotteesta toiseen. Sovelluksen kriittisyys vaikuttaa myös tähän päätökseen. Jotkut tuotteet pystyvät käsittelemään jopa 30:1-suhteita, kun taas suorakäytöt pystyvät käsittelemään jopa 200:1-suhteita. Monet ihmiset eivät pidä moottorin mitoituksesta, joka ylittää 10:1-suhteen.

Lopuksi, onko olemassa fyysisiä rajoituksia, jotka asettavat tietyn moottorin etusijalle toiseen nähden? Moottoreita on saatavilla eri muotoisina ja kokoisina. Joissakin tapauksissa moottorit ovat suuria ja tilaa vieviä, ja tietyt toiminnot eivät sovellu tietyn kokoiseen moottoriin. Ennen kuin voidaan tehdä tietoon perustuva päätös parhaasta moottorityypistä, nämä fyysiset ominaisuudet on tunnistettava ja ymmärrettävä.

Kun insinöörit vastaavat kaikkiin näihin kysymyksiin – nopeuteen, vääntömomenttiin, hevosvoimiin, kuorman inertiaan ja fyysisiin rajoituksiin – he voivat valita tehokkaimman kokoisen moottorin. Päätöksentekoprosessi ei kuitenkaan pääty tähän. Insinöörien on myös selvitettävä, minkä tyyppinen moottori sopii parhaiten sovellukseen. Vuosien ajan moottorityypin valinta on useimmissa sovelluksissa supistunut kahteen vaihtoehtoon: servomoottoriin tai avoimen piirin askelmoottoriin.

Servot ja stepperit

Servo- ja avoimen silmukan askelmoottoreiden toimintaperiaatteet ovat samankaltaisia. Niiden välillä on kuitenkin keskeisiä eroja, jotka insinöörien on ymmärrettävä ennen kuin he päättävät, mikä moottori sopii parhaiten tiettyyn sovellukseen.

Perinteisissä servojärjestelmissä ohjain lähettää moottorin käytölle komentoja pulssien ja suuntaa kuvaavien tai analogisten komentojen kautta, jotka liittyvät paikkaan, nopeuteen tai vääntömomenttiin. Joissakin ohjauksissa voidaan käyttää väyläpohjaista menetelmää, joka uusimmissa ohjauksissa on tyypillisesti Ethernet-pohjainen tiedonsiirtomenetelmä. Käyttölaite lähettää sitten sopivan virran moottorin jokaiseen vaiheeseen. Moottorin takaisinkytkentä kiertää takaisin moottorin käytölle ja tarvittaessa ohjaimelle. Käyttölaite käyttää tätä tietoa moottorin kommutointiin oikein ja moottorin akselin dynaamisen asennon tiedon lähettämiseen. Siksi servomoottoreita pidetään suljetun silmukan moottoreina, ja niissä on sisäänrakennetut enkooderit, ja sijaintitiedot syötetään usein ohjaimelle. Tämä takaisinkytkentä antaa ohjaimelle paremman hallinnan moottorista. Ohjain voi tehdä säätöjä toimintaan vaihtelevassa määrin, jos jokin ei toimi niin kuin sen pitäisi. Tämän tyyppinen ratkaiseva tieto on etu, jota avoimen silmukan askelmoottorit eivät voi tarjota.

Askelmoottorit toimivat myös moottorin käyttölaitteeseen lähetettyjen komentojen perusteella, jotka sanelevat siirretyn matkan ja nopeuden. Tyypillisesti tämä signaali on askel-suunta-komento. Avoimen silmukan askelmoottorit eivät kuitenkaan pysty antamaan palautetta käyttäjille, joten niiden ohjaus ei pysty arvioimaan tilannetta kunnolla ja tekemään säätöjä moottorin toiminnan parantamiseksi.

Esimerkiksi jos moottorin vääntömomentti ei riitä kuorman käsittelyyn, moottori voi jumiutua tai ohittaa tiettyjä vaiheita. Kun näin tapahtuu, kohdeasemaa ei saavuteta. Askelmoottorin avoimen silmukan ominaisuudet huomioon ottaen tämä epätarkka paikannus ei välity riittävästi takaisin ohjaimelle, jotta se voisi tehdä säätöjä.

Servomoottorilla näyttää olevan selkeitä etuja tehokkuuden ja suorituskyvyn suhteen, joten miksi joku valitsisi askelmoottorin? Tähän on pari syytä. Yleisin on hinta; käyttöbudjetit ovat tärkeitä huomioitavia tekijöitä suunnittelupäätöksiä tehtäessä. Budjettien tiukentuessa on tehtävä päätöksiä tarpeettomien kustannusten leikkaamiseksi. Tämä ei viittaa ainoastaan ​​itse moottorin kustannuksiin, vaan myös rutiini- ja hätähuolto on yleensä askelmoottoreille halvempaa kuin servomoottoreille. Joten jos servomoottorin edut eivät oikeuta sen kustannuksia, tavallinen askelmoottori voi riittää.

Puhtaasti toiminnallisesta näkökulmasta askelmoottorit ovat huomattavasti helppokäyttöisempiä kuin tavalliset servomoottorit. Askelmoottorin käyttö on paljon yksinkertaisempaa ymmärtää ja helpompi konfiguroida. Useimmat työntekijät ovat samaa mieltä siitä, että jos ei ole syytä monimutkaista toimintoja liikaa, asiat kannattaa pitää yksinkertaisina.

Kahden eri moottorityypin tarjoamat edut ovat hyvin erilaisia. Servomoottorit ovat ihanteellisia, jos tarvitset moottorin, jonka nopeudet ovat yli 3 000 rpm ja vääntömomentti suuri. Sovelluksessa, joka vaatii vain muutaman sadan rpm:n tai vähemmän nopeuksia, servomoottori ei kuitenkaan ole aina paras valinta. Servomoottorit voivat olla liioittelua hitaissa sovelluksissa.

Hitaasti pyörivät sovellukset ovat se, missä askelmoottorit ovat paras mahdollinen ratkaisu. Askelmoottorit eivät ole ainoastaan ​​toistettavissa pysäytyksen suhteen, vaan ne on myös suunniteltu toimimaan alhaisella nopeudella ja samalla tarjoamaan suurta vääntömomenttia. Tämän rakenteen luonteen ansiosta askelmoottoreita voidaan ohjata ja käyttää nopeusrajoihinsa asti. Tyypillisten askelmoottoreiden nopeusraja on yleensä alle 1 000 rpm, kun taas servomoottoreiden nimellisnopeudet voivat olla jopa 3 000 rpm tai enemmän – joskus jopa yli 7 000 rpm.

Jos askelmoottori on mitoitettu oikein, se voi olla täydellinen valinta. Jos askelmoottori toimii avoimen silmukan konfiguraatiossa ja jokin menee pieleen, käyttäjät eivät välttämättä saa kaikkia tarvitsemiaan tietoja ongelman korjaamiseksi.

Avoimen silmukan ongelman ratkaiseminen

Viime vuosikymmeninä on tarjottu useita erilaisia ​​lähestymistapoja avoimen piirin askelmoottoreiden perinteisten ongelmien ratkaisemiseksi. Yksi menetelmä oli moottorin ohjaaminen anturille käynnistyksen yhteydessä tai jopa useita kertoja sovelluksen aikana. Vaikka tämä on yksinkertaista, se hidastaa toimintaa eikä korjaa ongelmia, joita ilmenee normaalin toiminnan aikana.

Toinen lähestymistapa on palautteen lisääminen moottorin jumiutumisen tai pois asennosta havaitsemiseksi. Liikkeenohjausyritysten insinöörit loivat "jumiutumisen havaitsemis" ja "asennon ylläpito" -ominaisuuksia. On jopa ollut muutamia lähestymistapoja, jotka menevät vielä pidemmälle ja käsittelevät askelmoottoreita paljolti servojen tavoin tai ainakin matkivat niitä hienoilla algoritmeilla.

Moottorien laajassa kirjossa – servomoottoreiden ja avoimen silmukan askelmoottorien välissä – on jokseenkin uusi tekniikka, joka tunnetaan suljetun silmukan askelmoottorina. Se on paras ja kustannustietoisin tapa ratkaista sovellusten ongelmat, jotka vaativat paikannustarkkuutta ja alhaisia ​​nopeuksia. Käyttämällä korkean resoluution takaisinkytkentälaitteita silmukan sulkemiseksi insinöörit voivat nauttia "molempien maailmojen parhaista puolista".

Suljetun silmukan askelmoottorit tarjoavat kaikki askelmoottoreiden edut: helppokäyttöisyyden, yksinkertaisuuden ja kyvyn toimia tasaisesti alhaisilla nopeuksilla tarkalla pysäytyksellä. Lisäksi ne tarjoavat edelleen servomoottorien takaisinkytkentäominaisuudet. Onneksi niiden ei tarvitse sisältää servon suurinta haittapuolta: korkeampaa hintalappua.

Avain on aina ollut avoimen silmukan askelmoottoreiden toimintatavassa. Niissä on tyypillisesti kaksi kelaa, joskus viisi, joiden välillä on magneettinen tasapainotus. Liike häiritsee tätä tasapainoa, jolloin moottorin akseli jää sähköisesti jälkeen, mutta käyttäjä ei voi tietää, kuinka paljon jäljessä se jää. Pysähdyskohta on toistettavissa avoimen silmukan askelmoottoreilla, mutta ei kaikilla kuormilla. Asettamalla enkooderin askelmoottoriin ja tekemällä siitä suljetun silmukan, saadaan aikaan jonkin verran dynaamista ohjausta. Tämä antaa käyttäjille mahdollisuuden pysähtyä tarkkaan kohtaan vaihtelevilla kuormilla.

Nämä suljetun silmukan askelmoottoreiden käytön edut tietyissä sovelluksissa ovat lisänneet jyrkästi näiden moottoreiden suosiota liikkeenohjausyhteisössä. Erityisesti kahdella merkittävimmällä teollisuudenalalla, puolijohde- ja lääkinnällisten laitteiden valmistajilla, suljetun silmukan askelmoottoreiden käyttö on selvästi lisääntynyt. Näiden teollisuudenalojen insinöörien on tiedettävä tarkalleen, mihin moottorit ovat sijoittaneet kuormat tai toimilaitteet, olipa kyseessä hihna tai kuularuuvi. Näiden askelmoottoreiden suljetun silmukan takaisinkytkentä kertoo heille tarkalleen, missä kuorma tai toimilaite on. Nämä askelmoottoreiden suorituskyky voi myös olla parempi kuin servomoottorien pienemmillä nopeuksilla.

Yleisesti ottaen kaikki sovellukset, jotka tarvitsevat taattua suorituskykyä edullisemmin kuin servomoottori ja kykyä toimia suhteellisen alhaisilla nopeuksilla, ovat hyvä ehdokas suljetun silmukan askelmoottoreille.

Muista, että käyttäjien on varmistettava, että taajuusmuuttaja tai ohjaimet tukevat suljetun silmukan askelmoottoreita. Historiallisesti askelmoottorissa oli enkooderi takana, mutta taajuusmuuttaja oli tavallinen askelmoottori, joka ei tukenut enkoodereita. Enkooderi piti viedä takaisin ohjaimeen ja paikan varmistus piti tehdä tietyn liikkeen lopussa. Tätä ei vaadita uusissa suljetun silmukan askelmoottoreissa. Suljetun silmukan askelmoottorit pystyvät dynaamisesti ja automaattisesti käsittelemään paikan ja nopeuden säätöä ilman ohjaimia.