Системы с шаговыми двигателями являются основой индустрии управления движением. Мы рассмотрим различия между системами с разомкнутым и замкнутым контуром управления, а также расскажем о последних разработках, благодаря которым системы с шаговыми двигателями стали еще быстрее, тише и энергоэффективнее, чем когда-либо прежде.

Системы шаговых двигателей прошли долгий путь с момента появления первых приводов, работающих от напряжения, и полношагового управления. Сначала появились ШИМ-приводы и микрошаговое управление, а затем цифровые сигнальные процессоры (DSP) и алгоритмы подавления резонанса. Теперь же новые технологии шаговых двигателей с замкнутым контуром обеспечивают им роль краеугольного камня в индустрии управления движением на долгие годы вперед.

Независимо от того, линейное или вращательное движение, двумя главными факторами, определяющими выбор наиболее подходящей системы двигателя и привода, являются крутящий момент и эффективность. Это относится как к автоматизированным сборочным системам, так и к погрузочно-разгрузочным машинам, 3D-принтерам, декартовым позиционерам, перистальтическим насосам и бесчисленным другим приложениям, в которых шаговые двигатели являются предпочтительной технологией.

Последнее достижение в области шаговых систем — это применение недорогих устройств обратной связи с высоким разрешением и передовых цифровых сигнальных процессоров (DSP) для замыкания контура управления движением шагового двигателя. Такие системы управления повышают производительность шаговых двигателей с замкнутым контуром, превосходя по этому показателю системы с разомкнутым контуром. Как мы увидим, одна из таких систем с замкнутым контуром реализована на интегрированной конструкции двигателя, которая включает в себя устройство обратной связи, платы драйвера и контроллера, силовую, коммуникационную и входную/выходную электронику, а также системные разъемы на боковой и задней сторонах двигателя.

Системы шаговых двигателей с разомкнутым и замкнутым контуром управления
Для начала давайте сравним высокопроизводительные шаговые системы с замкнутым контуром управления с традиционными шаговыми системами с разомкнутым контуром управления с точки зрения крутящего момента и эффективности.

Системы шаговых двигателей с замкнутым контуром управления демонстрируют превосходные характеристики по сравнению с системами с разомкнутым контуром, что подтверждается результатами лабораторных испытаний, сравнивающих ускорение (крутящий момент), эффективность (потребляемую мощность), погрешность позиционирования (точность), тепловыделение и уровень шума двух систем. Достаточно взглянуть на взаимосвязь между крутящим моментом и ускорением. Кривые зависимости крутящего момента от скорости показывают пиковый и непрерывный диапазоны крутящего момента системы шаговых двигателей с замкнутым контуром управления, а также диапазон полезного крутящего момента системы шаговых двигателей с разомкнутым контуром управления. В реальных условиях крутящий момент часто преобразуется в ускорение — поэтому двигатели с большим крутящим моментом могут быстрее разгонять заданную нагрузку.

Для проверки этой разницы в крутящем моменте в лабораторных условиях, одинаковые по размеру системы шаговых двигателей с разомкнутым и замкнутым контуром управления получают одинаковые инерционные нагрузки. Программирование задает обеим системам идентичные профили перемещения, за исключением того, что скорость ускорения и максимальная скорость медленно увеличиваются в каждой системе до тех пор, пока не возникнут ошибки позиционирования.

Предположим, что в разомкнутой системе максимальное ускорение составляет 1000 об/сек.²Максимальная скорость составляет 10 об/сек (600 об/мин). Эта максимальная скорость в 10 об/сек соответствует точке, где заканчивается пологая часть кривой зависимости крутящего момента от скорости. Система с замкнутым контуром (благодаря своей большей способности создавать крутящий момент) обеспечивает максимальную скорость разгона 2000 об/сек.²и максимальная скорость 20 об/сек (1200 об/мин). Это вдвое превосходит производительность системы с разомкнутым контуром и сокращает время перемещения почти вдвое — со 110 мс до 60 мс.

Для приложений, требующих высокой производительности (таких как индексирование, позиционирование направляющих кромок и системы захвата и перемещения), система с замкнутым контуром обеспечивает явное преимущество в производительности.

Эффективность разомкнутой и замкнутой системы

Чтобы измерить относительную эффективность разомкнутой и замкнутой систем, предположим, что мы повторим тот же тест с теми же двумя двигателями одинаковой мощности. На этот раз двигатели замкнутой и разомкнутой систем будут работать параллельно с одинаковыми инерционными нагрузками, но с программным обеспечением, которое поддерживает профили перемещения постоянными и одинаковыми, так что обе системы выполнят одинаковое количество работы.

Пока два двигателя многократно повторяют один и тот же профиль движения, измеряется потребление тока от источника постоянного тока, питающего обе системы, и рассчитывается потребляемая мощность. Как видно на графиках, среднее энергопотребление системы шаговых двигателей с разомкнутым контуром составляет 43,8 Вт, в то время как у системы с замкнутым контуром оно составляет лишь треть от этого значения — в среднем 14,2 Вт. Эта существенная разница в энергопотреблении наглядно демонстрирует более высокую эффективность работы системы с замкнутым контуром. Любой пользователь, желающий повысить эффективность своей системы шаговых двигателей с разомкнутым контуром, теперь может рассмотреть возможность простого перехода на систему с замкнутым контуром и ожидать значительно меньшего энергопотребления.

Как решить проблему перегрева двигателя

Естественным продолжением испытаний энергопотребления является исследование нагрева двигателя. Шаговые системы с разомкнутым контуром управления — это простые устройства. Достаточно установить привод на номинальный ток двигателя, и привод будет стараться постоянно подавать этот ток на двигатель, независимо от того, нужен ли результирующий крутящий момент или нет. Это часто приводит к выделению тепла вместо энергии для выполнения функциональной задачи — и именно поэтому шаговые системы с разомкнутым контуром управления обычно работают при более высоких температурах, чем их аналоги с замкнутым контуром. Это также означает, что конструкторам машин необходимо принимать дополнительные меры для борьбы с этим нагревом, часто путем установки специальной защиты вокруг шаговых двигателей, работающих вблизи операторов, или путем установки дополнительных систем охлаждения, таких как вентиляторы.

Рассмотрим результаты лабораторного испытания на нагрев двигателя с использованием тех же систем с разомкнутым и замкнутым контуром, что и выше. В этом испытании обе системы снова производят одинаковое количество работы, приводя в движение одни и те же инерционные нагрузки, и работают до достижения теплового равновесия. Система с разомкнутым контуром достигает температуры корпуса 76,0 °C, тогда как система с замкнутым контуром достигает теплового равновесия при температуре корпуса всего 36,9 °C — менее чем вдвое ниже, чем у системы с разомкнутым контуром. Это значительное снижение нагрева двигателя может означать снижение стоимости компонентов для производителей машин, поскольку они могут отказаться от дополнительных защитных и охлаждающих подсистем.

Больше никаких шумных моторов!

Ещё одна распространённая жалоба на системы шаговых двигателей с разомкнутым контуром управления заключается в том, что они, как известно, издают довольно много слышимого шума. В определённых условиях, таких как лаборатории, больницы и офисы, этот шум может представлять серьёзную проблему для конструкторов машин.

Шум, издаваемый шаговыми двигателями, возникает из-за высокой электрической частоты и быстрых изменений магнитного потока в зубцах статора, а также потому, что системы с разомкнутым контуром управления работают при полном номинальном токе независимо от нагрузки. Системы с замкнутым контуром управления, напротив, подают на двигатель ровно столько тока, сколько необходимо для управления нагрузкой, что приводит к значительно меньшему уровню слышимого шума.

Для получения результатов испытаний, представленных на графике акустического шума, прилагаемом к этой статье, акустический шум каждой системы измерялся в звукоизолированной камере. Система с замкнутым контуром значительно тише, чем система с разомкнутым контуром, при скоростях от 0 до 20 об/сек. Этот диапазон скоростей совпадает с реальным диапазоном скоростей в приложениях, где чаще всего используются шаговые двигатели, а это означает, что подавляющее большинство приложений с шаговыми двигателями могут выиграть от снижения шума двигателя при переходе на системы с замкнутым контуром.

Повышение точности движений для устранения ошибок позиционирования.

Системы шаговых двигателей с разомкнутым контуром управления ценятся за их способность точно позиционировать грузы без механизма обратной связи или системы управления с замкнутым контуром, но только если система с разомкнутым контуром имеет достаточный запас по крутящему моменту, чтобы исключить ошибки позиционирования во время нормальной работы. Для повышения точности и надежности конструкции системы замыкание контура позиционирования сервопривода на основе обратной связи от высокоточного энкодера позволяет системам с замкнутым контуром автоматически компенсировать увеличение требуемого крутящего момента, которое в противном случае привело бы к ошибкам позиционирования в системах с разомкнутым контуром. Это значительно повышает общую точность системы, особенно для высокодинамичных приложений, таких как системы захвата и перемещения и 3D-принтеры, где необходимы короткие, быстрые перемещения и частые изменения направления.

Модернизация существующих шаговых систем

Из компонентов интегрированной системы шагового двигателя стоимость самого двигателя, усилителя мощности и средств связи, как правило, не увеличивается при переходе от разомкнутого контура к замкнутому. Электроника управления может потребовать немного большей вычислительной мощности или памяти для сервоуправления двигателем, но это обычно не влияет на прейскурантные цены. Большая часть разницы в стоимости между системами шаговых двигателей с разомкнутым и замкнутым контуром обусловлена ​​добавлением высокоточного устройства обратной связи, но усовершенствования в производстве сделали эти устройства все более доступными. Таким образом, системы шаговых двигателей с замкнутым контуром сохраняют преимущества в стоимости систем шаговых двигателей с разомкнутым контуром по сравнению с другими типами систем позиционирования — такими как традиционный сервопривод — но со значительно улучшенными характеристиками практически по всем параметрам. Как правило, экономия энергии и повышенная пропускная способность системы с замкнутым контуром быстро окупают незначительное увеличение стоимости устройства обратной связи.

Помимо минимального увеличения стоимости, переход от системы шагового двигателя с разомкнутым контуром управления к системе с замкнутым контуром упрощается благодаря предложениям типоразмеров NEMA. Шаговый двигатель NEMA 23 с замкнутым контуром управления имеет тот же типоразмер корпуса, диаметр направляющей, окружность отверстий для болтов и диаметр отверстий для болтов, что и шаговый двигатель NEMA 23 с разомкнутым контуром управления, поэтому монтажные кронштейны остаются теми же. Больший крутящий момент, обеспечиваемый системой с замкнутым контуром управления, означает, что диаметр вала шагового двигателя с замкнутым контуром управления может быть больше, но это обычно довольно легко решается простой заменой муфты вала.