Системы линейного перемещения используются в бесчисленном множестве машин, включая системы прецизионной лазерной резки, лабораторное автоматизированное оборудование, станки для производства полупроводников, станки с ЧПУ, системы промышленной автоматизации и многие другие, перечислить все их невозможно. Они варьируются от относительно простых, таких как недорогой привод сиденья в легковом автомобиле, до сложных многоосевых систем координат с управляющей и приводной электроникой для позиционирования в замкнутом контуре. Независимо от того, насколько проста или сложна система линейного перемещения, на самом базовом уровне все они имеют одну общую черту: перемещение груза на линейное расстояние за определённое время.

Один из наиболее частых вопросов при проектировании системы линейного перемещения связан с технологией двигателя. После выбора технологии необходимо подобрать двигатель с учётом требований к ускорению нагрузки, преодолению трения в системе и силе тяжести, сохраняя при этом максимальную безопасную рабочую температуру. Крутящий момент, скорость, мощность и позиционные характеристики двигателя зависят от его конструкции, а также от привода и системы управления.

С КАКОГО ДВИГАТЕЛЯ НАЧАТЬ?

При проектировании системы линейного перемещения с использованием той или иной технологии двигателей необходимо учитывать множество практических вопросов. Исчерпывающее описание всего процесса выходит за рамки данной статьи. Цель — побудить вас задуматься о том, как задавать правильные вопросы при общении с поставщиком двигателей.

Не существует идеального двигателя для любой задачи, но есть лучший двигатель для конкретной задачи. В подавляющем большинстве случаев применения пошагового перемещения выбор будет между шаговым двигателем, коллекторным двигателем постоянного тока или бесколлекторным двигателем постоянного тока. В самых сложных системах перемещения могут использоваться линейные двигатели, напрямую соединённые с нагрузкой, что позволяет избежать необходимости механического преобразования энергии; нет необходимости в передаче через ходовой винт/ШВП, редуктор или систему шкивов. Хотя максимальная точность, повторяемость и разрешение позиционирования могут быть достигнуты с помощью линейных сервосистем с прямым приводом без сердечника, они являются самыми дорогими и сложными по сравнению с роторными двигателями. Архитектура с роторными двигателями гораздо менее затратна и подходит для большинства применений линейного перемещения; однако для привода нагрузки необходимы некоторые средства преобразования вращательного движения в линейное (и, как следствие, преобразования мощности).

Шаговые, щёточные и бесщёточные двигатели считаются двигателями постоянного тока; однако существуют нюансы, которые могут заставить инженера отдать предпочтение одному из двух других типов в конкретном случае применения. Следует подчеркнуть, что этот выбор во многом зависит от конструктивных требований системы, не только с точки зрения скорости и крутящего момента, но и от требований к точности позиционирования, повторяемости и разрешающей способности. Не существует идеального двигателя для любого применения, и все решения потребуют конструктивных компромиссов. На самом базовом уровне все двигатели, независимо от того, называются ли они двигателями переменного или постоянного тока, щёточными, бесщёточными или любыми другими электродвигателями, работают по одному и тому же физическому принципу создания крутящего момента: взаимодействие магнитных полей. Однако существуют существенные различия в том, как эти различные технологии двигателей реагируют на конкретные применения. Общие характеристики двигателя, отклик и формирование крутящего момента зависят от метода возбуждения поля и геометрии магнитной цепи, заложенных в конструкцию физического двигателя, управления входным напряжением и током контроллером/приводом, а также метода обратной связи по скорости или положению, если это требуется в конкретном случае.

Шаговые двигатели постоянного тока, щёточные сервоприводы и бесщёточные сервоприводы используют для питания источник постоянного тока. Для линейных приводов это не означает, что постоянный источник постоянного тока можно подавать непосредственно на обмотки двигателя; для управления током обмотки (связанным с выходным крутящим моментом) и напряжением обмотки (связанным с выходной скоростью) необходимы электронные средства. Ниже представлен краткий обзор сильных и слабых сторон трёх технологий.

Проектирование линейной системы начинается с массы груза и скорости, с которой груз должен перемещаться из точки А в точку Б. Тип двигателя, его размер и механическая конструкция определяются мощностью (Вт), необходимой для перемещения груза. Анализ, начиная с нагрузки и далее через все компоненты к источнику питания привода, представляет собой последовательность шагов для понимания преобразования мощности из одной части системы в другую с учетом различных КПД компонентов между ними. Мощность в ваттах, подаваемая на привод в виде напряжения и тока, в конечном итоге преобразуется в выходную механическую мощность, необходимую для перемещения заданной нагрузки за заданное время.

Чтобы получить представление о необходимой выходной мощности на нагрузке, простой расчёт мощности поможет приблизительно оценить двигатель. Определив среднюю необходимую выходную мощность, завершите анализ потребляемой мощности, вернувшись к двигателю и прогнав его через различные преобразователи мощности. Следует сверяться с данными производителя, чтобы учесть эффективность различных компонентов, так как это в конечном итоге определит размер двигателя и источника питания. Выбор единиц измерения зависит от личных предпочтений, но настоятельно рекомендуется использовать систему СИ. Работа в системе СИ избавляет от необходимости запоминать множество коэффициентов преобразования, и конечный результат всегда можно перевести обратно в английские единицы.

КАКАЯ МОЩНОСТЬ НУЖНА ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ГРУЗА ЗА НЕОБХОДИМОЕ ВРЕМЯ?

Для поднятия груза массой 9 кг против силы тяжести потребуется сила около 88 Н. Расчёт мощности, необходимой для перемещения груза, послужит отправной точкой для определения компонентов остальной системы. Это средняя мощность, необходимая для вертикального перемещения груза массой 9 кг из точки А в точку В за 1 секунду. Потери системы, такие как трение, не учитываются. Требуемая мощность на валу двигателя будет несколько выше и зависит от других компонентов, используемых в системе, таких как редуктор и ходовой винт.

П = (Ф × С) / т

P = (88Н × 0,2м) / 1,0с = 17,64w

Это отличается от пиковой мощности, которая потребуется от системы. С учётом ускорения и замедления мгновенная мощность во время движения будет несколько выше; однако средняя выходная мощность, необходимая при нагрузке, составляет около 18 Вт. После тщательного анализа всех компонентов, такой системе потребуется около 37 Вт пиковой мощности для выполнения поставленной задачи. Эта информация, наряду с другими характеристиками применения, поможет выбрать наиболее подходящую технологию двигателя.

КАКУЮ ТЕХНОЛОГИЮ ДВИГАТЕЛЯ МНЕ СЛЕДУЕТ РАССМОТРЕТЬ?

Отличные возможности позиционирования и относительно простое управление побудили разработчика в первую очередь рассмотреть возможность использования шагового двигателя. Однако шаговый двигатель не отвечает требованиям компактности и не соответствует требованиям к нагрузке. Пиковая мощность в 37 Вт потребует очень большого шагового двигателя. Хотя шаговые двигатели обладают очень высоким крутящим моментом на низких скоростях, пиковая скорость и, следовательно, потребляемая мощность для профиля перемещения превышают возможности всех шаговых двигателей, за исключением самых крупных.

Щёточный серводвигатель постоянного тока удовлетворяет требованиям по нагрузке, занимает мало места и обеспечивает очень плавное вращение на низких скоростях. Однако из-за строгих требований к ЭМС, вероятно, лучше отказаться от щёточного двигателя в данном конкретном случае. Это менее дорогая альтернатива бесщёточной системе, но может создать трудности при выполнении строгих требований по ЭМС.

Бесщёточный двигатель постоянного тока с синусоидальной системой управления станет оптимальным выбором для удовлетворения всех требований к применению, включая профиль нагрузки и движения (высокая удельная мощность); плавное движение без заеданий на низких скоростях; и небольшие габариты. В этом случае сохраняется вероятность возникновения электромагнитных помех из-за высокочастотного переключения электроники привода; однако её можно снизить с помощью встроенной фильтрации благодаря более узкой полосе частот. Щёточный двигатель постоянного тока имеет более широкую полосу электромагнитных помех, что затрудняет его фильтрацию.

ВЫБОР РАЗМЕРА ДВИГАТЕЛЯ — ЭТО ТОЛЬКО НАЧАЛО

В этой статье кратко рассмотрены различные факторы, которые следует учитывать при выборе технологии двигателя для относительно простого линейного перемещения. Хотя принципы идентичны для более сложной системы, такой как двухкоординатный стол или многоосевой прецизионный механизм захвата и размещения, каждую ось необходимо анализировать на нагрузку независимо. Другой вопрос, выходящий за рамки данной статьи, — как выбрать подходящий коэффициент запаса прочности для достижения желаемого срока службы системы (количества циклов). Срок службы системы зависит не только от размера двигателя, но и от других механических элементов системы, таких как редуктор и ходовой винт. Другие факторы, такие как точность позиционирования, разрешение, повторяемость, максимальный крен, тангаж и рыскание и т. д., также важны для обеспечения соответствия или превышения системой линейного перемещения целей применения.