Шаговые двигатели являются лучшим выбором для многих приложений управления движением и положением. Они доступны в широком диапазоне размеров и крутящих моментов и значительно дешевле, чем высококлассные серводвигатели. Итак, давайте поговорим о способах повышения производительности шаговых двигателей до уровня серводвигателей путем добавления устройств обратной связи. Шаговые двигатели с обратной связью не являются полной заменой серводвигателям, но они могут стать надежной альтернативой для многих реальных приложений. Эти решения по проектированию движения улучшают производительность машины, не опустошая при этом банк.

Преимущества и недостатки шагового двигателя, на которые следует обратить внимание

Шаговые двигатели — это бесщеточные электродвигатели постоянного тока, которые движутся дискретными шагами, а не непрерывно вращаются. Эти шаговые движения приводятся в действие сдвигами магнитного поля с помощью наборов электромагнитных катушек в статоре. Работа шагового двигателя зависит отконтроллер— электронное устройство, которое подает ток на статорные катушки двигателя в последовательности, которая управляет шаговыми движениями. Возможности контроллера оказывают значительное влияние на производительность двигателя.

Существует несколько типов шаговых двигателей, но наиболее распространенные разновидности обеспечивают хорошее разрешение (200 шагов на оборот или лучше), а также приличный крутящий момент на низкой скорости, прочную конструкцию, длительный срок службы и относительно низкую стоимость. Однако у них есть ограничения. Выходной крутящий момент падает при более высоких скоростях вращения, и (с простыми контроллерами) шаговые двигатели могут быть подвержены звону — высокочастотным вибрациям. Самый большой недостаток заключается в том, что даже в приложениях позиционирования базовые системы шаговых двигателей работают под управлением разомкнутого контура.

Шаговые двигатели реагируют на инструкции контроллера, чтобы сделать определенное количество шагов, но не возвращают контроллеру никакой обратной связи о том, было ли это движение завершено. Поэтому, если двигатель не может завершить требуемые шаговые движения, может возникнуть растущее несоответствие между тем, что контроллерпредполагаеткак вращательное положение вала двигателя иистинныйположение вала (и любых прикрепленных нагрузок или приводных механизмов). Такие несоответствия случаются, когда крутящий момент двигателя недостаточен для преодоления механического сопротивления… и на самом деле эти несоответствия могут стать серьезной проблемой на высоких оборотах, поскольку именно тогда возможности крутящего момента двигателя ограничены. Вот почему инженеры-конструкторы часто завышают спецификации шаговых двигателей — чтобы избежать пропущенных шагов, даже если это приводит к выбору шаговых двигателей, которые оказываются слишком большими и тяжелыми для всех, кроме самых требовательных профилей движения.

Другим недостатком является то, что когда традиционный шаговый двигатель останавливается, ток должен протекать через обмотки двигателя, чтобы удерживать вал шагового двигателя в нужном положении. Это потребляет электроэнергию и нагревает обмотки двигателя и окружающие его подкомпоненты.

Обратная связь по системам шаговых двигателей для надежного позиционирования

Добавление энкодеров в систему шагового двигателя для получения обратной связи по положению вала по сути замыкает контур управления. Добавление этих устройств обратной связи увеличивает общую стоимость системы, но не так сильно, как переключение на серводвигатель.

Одним из подходов к добавлению обратной связи кодера является работа впереместить и проверитьрежим. В этом случае простой инкрементный энкодер добавляется к хвостовому валу шагового двигателя. Затем, когда контроллер выдает команды на шаг двигателю, энкодер непрерывно проверяет контроллеру, что заданные движения были выполнены. Если двигатель не выполняет требуемое количество шагов, контроллер может запросить больше шагов, пока двигатель не достигнет требуемого положения. Более сложные контроллеры также увеличивают фазный ток в двигателе, чтобы увеличить крутящий момент для выполнения этих дополнительных шагов.

Кодеры, используемые в таких установках перемещения и проверки, обычно имеют разрешение, кратное 200 позициям на оборот.

Обратите внимание, что установки, использующие режимы перемещения и проверки, по-прежнему могут выиграть от включения двигателей увеличенной мощности, но не в той степени, которая требуется для простых систем с открытым контуром.

Также следует отметить, что этот режим может помочь интеллектуальным контроллерам точно настроить удерживающие токи в двигателе для небольшого повышения эффективности во время остановки… хотя общее потребление энергии по-прежнему остается высоким.

Замкнутый контур управления шаговым двигателем с абсолютными энкодерами

Другим несколько более сложным вариантом для критических приложений управления положением является полное управление с обратной связью, использующее многооборотные абсолютные энкодеры. Энкодеры, используемые здесь, прикрепляются к хвостовому валу шагового двигателя для контроля:

1. Угловое положение шагового двигателя, а также
2. Количество полных оборотов шагового двигателя.

В этой конфигурации шаговый двигатель управляется как бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC) с большим количеством полюсов… а энкодер постоянно обеспечивает обратную связь по положению для контроллера. Удерживающий ток, подаваемый на двигатель, затем точно подбирается под величину, необходимую для поддержания положения в пределах заданного допуска положения. Шаговый двигатель, управляемый как бесщеточный серводвигатель, является энергоэффективным и менее дорогим, чем настоящий серводвигатель BLDC. Так почему бы не использовать недорогие шаговые двигатели для всех применений серводвигателей BLDC?

Ну, шаговые двигатели, используемые в замкнутых сервосистемах, имеют физическое ограничение, которого нет у настоящих серводвигателей BLDC. Точнее, шаговые двигатели, работающие таким образом, по сути работают как 50-полюсные бесщеточные двигатели, поэтому не могут достичь оборотов, возможных для серводвигателей. Кроме того, роторы шаговых двигателей имеют большую инерцию, чем роторы настоящих серводвигателей BLDC эквивалентной мощности… поэтому не могут обеспечить те же ускорения.

Когда шаговый двигатель используется в режиме bldc, энкодер выполняет важную функциюкоммутацияроль — сообщать точное положение вращения вала двигателя… что в свою очередь позволяет контроллеру активировать соответствующий набор электромагнитов статора для непрерывного вращения по мере необходимости. Кроме того, прецизионные абсолютные энкодеры также могут помочь усовершенствованным микрошаговым контроллерам в тонкой настройке фазового тока для уменьшения звона (вибрации), который возникает в более простых системах шаговых двигателей.