מערכות מנועי צעד הן אבן יסוד בתעשיית בקרת התנועה. נבחן את ההבדלים בין מערכת בלולאה פתוחה למערכת בלולאה סגורה וגם נסביר את ההתפתחויות האחרונות שהופכות מערכות מנועי צעד למהירות, שקטות וחסכוניות באנרגיה מאי פעם.

מערכות מנועי צעד עברו כברת דרך ארוכה מאז ימי המוקדמות של מנועי מתח וצעד מלא. תחילה הגיעו מנועי PWM ומיקרו-צעד ולאחר מכן מעבדי אותות דיגיטליים (DSP) ואלגוריתמים נגד תהודה. כעת, טכנולוגיית צעד חדשה בלולאה סגורה מבטיחה שמנועי צעד ימשיכו להיות אבן יסוד בתעשיית בקרת התנועה בשנים הבאות.

בין אם התנועה היא ליניארית או סיבובית, שני שיקולים עיקריים המכתיבים אילו מערכות מנוע והנעה מתאימות ביותר הם מומנט ויעילות. זה חל בין אם היישום הסופי הוא מערכת הרכבה אוטומטית, מכונת טיפול בחומרים, מדפסת תלת מימד, ממקם קרטזית, משאבה פריסטלטית, או אחד מיישומים רבים אחרים שבהם מנועי צעד הם טכנולוגיה מועדפת.

הפיתוח האחרון במערכות צעד הוא יישום של התקני משוב בעלות נמוכה וברזולוציה גבוהה ומערכות עיבוד שבבי (DSP) מתקדמות לסגירת הלולאה בתנועת הצעד. בקרות כאלה משפרות את ביצועי הצעד בלולאה סגורה כדי להתעלות על מערכות בלולאה פתוחה. כפי שנראה, מערכת בלולאה סגורה כזו מיישמת תכנון מנוע משולב הכולל התקן משוב, לוחות דרייבר ובקר, אלקטרוניקה של הספק, תקשורת וקלט/פלט, ומחברי מערכת בצד המנוע ובגבו.

מערכות צעד בלולאה פתוחה לעומת מערכות צעד בלולאה סגורה
ראשית, בואו נבחן כיצד מערכות צעד בלולאה סגורה בעלות ביצועים גבוהים משתוות למערכות צעד מסורתיות בלולאה פתוחה מבחינת מומנט ויעילות.

מערכות צעד בלולאה סגורה מציגות ביצועים עדיפים על מערכות בלולאה פתוחה, כפי שהודגם בתוצאות בדיקות מעבדה המשוות את התאוצה (מומנט), היעילות (צריכת חשמל), שגיאת המיקום (דיוק), יצירת החום ורמות הרעש של שתי המערכות. קחו בחשבון את הקשר בין מומנט לתאוצה. עקומות מומנט-מהירות מראות את טווחי המומנט השיא והרציף של מערכת צעד בלולאה סגורה לצד טווח המומנט השמיש של מערכת צעד בלולאה פתוחה. לעתים קרובות מאוד, מומנט בעולם האמיתי מתורגם לתאוצה - כך שמנועים עם מומנט גדול יותר יכולים להאיץ עומס נתון מהר יותר.

כדי לבחון את ההבדל הזה בביצועי המומנט במעבדה, מערכות מנוע צעד בלולאה פתוחה ולולאה סגורה בגודל שווה מקבלות עומסים אינרציאליים זהים. התכנות מורה לשתי המערכות לבצע פרופילי תנועה זהים, פרט לכך שקצב התאוצה והמהירות המרבית מוגברים באיטיות בכל מערכת עד שהן יוצרות שגיאות מיקום.

נניח שמערכת בלולאה פתוחה מקבלת קצב תאוצה מקסימלי של 1,000 סל"ד לשנייה.²ומהירות מרבית של 10 סל"ד (600 סל"ד). מהירות מרבית זו של 10 סל"ד מתאימה למקום שבו מסתיים החלק השטוח של עקומת המומנט-מהירות. מערכת הלולאה הסגורה (בשל יכולת ייצור המומנט הגבוהה שלה) מקבלת קצב תאוצה מרבי של 2,000 סל"ד.²ומהירות מרבית של 20 סל"ד (1,200 סל"ד). זהו ביצועים כפולים ממערכת הלולאה הפתוחה ומקצר את זמן התנועה כמעט בחצי - מ-110 מילישניות ל-60 מילישניות.

עבור יישומים הדורשים תפוקה גבוהה (כגון אינדוקס, מיקום מובילי קצה ומערכות איסוף והצבה), מערכת הלולאה הסגורה מספקת יתרון ביצועים ברור.

יעילות בלולאה פתוחה לעומת יעילות בלולאה סגורה

כדי למדוד את היעילות היחסית של מערכת בלולאה פתוחה לעומת מערכת בלולאה סגורה, נניח שאנו חוזרים על אותה בדיקה עם אותם שני מנועים בגודל שווה. הפעם מנועי הלולאה הסגורה והלולאה הפתוחה פועלים זה לצד זה עם אותם עומסים אינרציאליים אך מפעילים תכנות ששומר על פרופילי התנועה קבועים ושווים, כך ששתי המערכות מבצעות את אותה כמות עבודה.

בעוד ששני המנועים מדדים את אותו פרופיל תנועה שוב ושוב, נמדדת צריכת הזרם מספק הכוח הישיר המזין את שתי המערכות וצריכת החשמל מחושבת. כפי שניתן לראות בתרשימי הערכים, צריכת החשמל הממוצעת של מערכת צעד בלולאה פתוחה היא 43.8 וואט, בעוד שזו של מערכת בלולאה סגורה היא רק שליש ממנה - 14.2 וואט בממוצע. הבדל דרמטי זה בצריכת החשמל מראה בבירור את יעילות הפעולה הגבוהה יותר של מערכת בלולאה סגורה. כל משתמש המעוניין להגביר את יעילות המערכת של מערכת הצעד בלולאה פתוחה שלו יכול כעת לשקול שדרוג פשוט למערכת בלולאה סגורה ולצפות לצריכה נמוכה משמעותית.

כיצד לטפל בחימום מנוע

הרחבה טבעית של מבחני צריכת החשמל היא חקירת חימום המנוע. מערכות צעד פתוחות הן פשוט חיות. פשוט מגדירים את ההינע לזרם המדורג של המנוע וההינע יעשה כמיטב יכולתו לספק זרם זה למנוע בכל עת, בין אם המומנט המתקבל נחוץ ובין אם לאו. זה גורם לעתים קרובות ליצירת חום במקום אנרגיה עבור פונקציית היישום - וזו הסיבה לכך שמערכות צעד פתוחות בדרך כלל פועלות חם יותר מאשר מערכות לולאה סגורות. משמעות הדבר היא גם שמתכנני מכונות חייבים לנקוט צעדים נוספים כדי להתמודד עם חום זה, לעתים קרובות על ידי הכללת הגנה מיוחדת סביב מנועי צעד שיפעלו בקרבת מפעילים אנושיים, או על ידי התקנת מערכות קירור נוספות כגון מאווררים.

ניקח בחשבון את תוצאות בדיקת חימום מנוע שבוצעה במעבדה תוך שימוש באותן מערכות בלולאה פתוחה ולולאה סגורה כמו לעיל. בבדיקה זו, שתי המערכות מייצרות שוב את אותה כמות עבודה המניעה את אותם עומסים אינרציאליים, ומורשות לפעול עד שהן מגיעות לשיווי משקל תרמי. מערכת הלולאה הפתוחה מגיעה לטמפרטורת מארז של 76.0°C, בעוד שמערכת הלולאה הסגורה מגיעה לשיווי משקל תרמי בטמפרטורת מארז של 36.9°C בלבד - פחות ממחצית מטמפרטורת המערכת הפתוחה. הפחתה משמעותית זו בחימום המנוע יכולה להביא לעלויות רכיבים נמוכות יותר עבור בוני מכונות, מכיוון שהם יכולים להשמיט תת-מערכות הגנה וקירור נוספות.

מנועים רועשים כבר לא

תלונה נפוצה נוספת על מערכות צעד פתוחות היא שהן ידועות כמי שמייצרות רעש נשמע לא מעט. בסביבות מסוימות, כגון מעבדות, בתי חולים ומשרדים, רעש זה יכול להוות בעיה של ממש עבור מתכנני מכונות.

הרעש הנפלט ממנועי צעד נובע מתדר חשמלי גבוה ושינויי שטף מהירים בשיני הסטטור, ומכיוון שמערכות בלולאה פתוחה מופעלות בזרם מדורג מלא ללא קשר לעומס. מערכות צעד בלולאה סגורה, לעומת זאת, מספקות למנוע זרם מספיק כדי לשלוט בעומס, וכתוצאה מכך רעש נשמע נמוך בהרבה.

כדי להפיק את תוצאות הבדיקה המוצגות בגרף הרעש האקוסטי המצורף למאמר זה, הרעש האקוסטי של כל מערכת נמדד בתא אטום לרעש. מערכת הלולאה הסגורה שקטה משמעותית יותר מאשר מערכת הלולאה הפתוחה במהירויות של 0 עד 20 סל"ד. טווח מהירויות זה תואם את טווח המהירויות בעולם האמיתי של יישומים שבהם מערכות מנוע צעד משמשות לרוב, כלומר הרוב המכריע של יישומי מנוע צעד יוכלו להפיק תועלת מרעש מנוע מופחת אם יעברו למערכות לולאה סגורה.

דיוק מנוע טוב יותר כדי למנוע שגיאות מיקום

מערכות מנועי צעד בלולאה פתוחה מוערכות בזכות יכולתן למקם עומסים במדויק ללא מנגנון משוב או מערכת בקרה בלולאה סגורה, אך רק אם למערכת בלולאה הפתוחה יש מרווח מומנט מספיק כך ששגיאות מיקום לא יתרחשו במהלך פעולה רגילה. לשיפור הדיוק ולתכנון מערכת חזק יותר, סגירת לולאת מיקום הסרוו סביב משוב מהמקודד ברזולוציה גבוהה מאפשרת למערכות בלולאה סגורה לפצות באופן אוטומטי על עלייה בדרישת המומנט שאחרת הייתה מובילה לשגיאות מיקום במערכות בלולאה פתוחה. זה משפר מאוד את דיוק המערכת הכולל, במיוחד עבור יישומים דינמיים ביותר כגון מערכות pick-and-place ומדפסות תלת-ממד שבהן נדרשים תנועות קצרות ומהירות ושינויי כיוון תכופים.

שדרוג מערכות צעד קיימות

מבין הרכיבים במערכת מנוע צעד משולבת, עלויות המנוע, מגבר ההספק והתקשורת בדרך כלל לא יעלו בעת מעבר מלולאה פתוחה ללולאה סגורה. ייתכן שאלקטרוניקת הבקרה תדרוש מעט יותר כוח עיבוד מרכזי או זיכרון כדי לשלוט במנוע באמצעות סרוו, אך בדרך כלל אין לכך השפעה על מחירי המחירון. חלק ניכר מההבדל בעלויות בין מערכות צעד בלולאה פתוחה למערכות צעד בלולאה סגורה נובע מהוספת התקן משוב ברזולוציה גבוהה, אך שיפורים בייצור הפכו את המכשירים הללו לנגישים יותר ויותר. לכן, כיום, מערכות צעד בלולאה סגורה שומרות על יתרונות העלות של מערכות צעד בלולאה פתוחה על פני סוגים אחרים של מערכות מיקום - כמו סרוו מסורתי - אך עם ביצועים משופרים משמעותית כמעט בכל דרך. בדרך כלל, החיסכון באנרגיה והתפוקה המוגברת של מערכת בלולאה סגורה משלמים במהירות את העלייה הקלה בעלות התקן המשוב.

בנוסף לעלייה מינימלית בעלויות, שדרוג ממערכת צעד בלולאה פתוחה למערכת בלולאה סגורה פשוט יותר עם הצעות גודל מסגרת NEMA. למנוע צעד NEMA 23 בלולאה סגורה יש את אותו גודל מסגרת, קוטר פיילוט, מעגל חור בורג וקוטר חור בורג כמו למנוע צעד NEMA 23 בלולאה פתוחה, כך שתושבות ההרכבה נשארות זהות. המומנט הגדול יותר הזמין ממערכת בלולאה סגורה פירושו שקוטר הציר של מנוע הצעדים בלולאה סגורה עשוי להיות גדול יותר, אך בדרך כלל ניתן לפתור זאת בקלות רבה על ידי החלפה פשוטה של ​​צימוד הציר.