Шаговые двигатели с замкнутым контуром могут оказаться наилучшим выбором для задач, обычно выполняемых сервоприводами, поскольку традиционные шаговые двигатели с ними справиться не могут.

Одним из важнейших решений, которое инженеры принимают при проектировании любого типа системы управления движением, является выбор двигателя. Правильный выбор двигателя, как по типу, так и по размеру, имеет решающее значение для эффективности работы машины. Кроме того, первостепенное значение всегда имеет обеспечение бюджетного финансирования при покупке двигателя.

Один из первых вопросов, на которые следует ответить при принятии решения: какой тип двигателя лучше всего подойдёт? Требуется ли для вашего приложения высокопроизводительный серводвигатель? Может быть, лучше использовать недорогой шаговый двигатель? Или, может быть, стоит рассмотреть третий, средний вариант?

Ответы начинаются с потребностей конкретного применения. Прежде чем определить тип двигателя, идеально подходящий для конкретного применения, необходимо учесть множество факторов.

Требования

Сколько циклов в минуту должен совершать двигатель? Какой необходим крутящий момент? Какова необходимая пиковая скорость?

Эти важные вопросы невозможно решить, просто выбрав двигатель определенной мощности.

Выходная мощность двигателя представляет собой комбинацию крутящего момента и скорости, которую можно рассчитать путем умножения скорости, крутящего момента и константы.

Однако из-за особенностей этого расчёта существует множество различных комбинаций крутящего момента и скорости, обеспечивающих определённую выходную мощность. Таким образом, разные двигатели с одинаковой номинальной мощностью могут работать по-разному из-за сочетания скорости и крутящего момента.

Инженеры должны знать, с какой скоростью должна двигаться нагрузка определённой величины, чтобы с уверенностью выбрать двигатель, который будет работать наилучшим образом. Выполняемая задача также должна соответствовать кривой крутящего момента/скорости двигателя. Эта кривая показывает, как крутящий момент двигателя изменяется во время работы. Используя предположения о «наихудшем случае» (другими словами, определяя максимальный/минимальный крутящий момент и скорость, необходимые для конкретной задачи), инженеры могут быть уверены, что выбранный двигатель имеет достаточную кривую крутящего момента/скорости.

Инерция нагрузки — ещё один фактор, который следует учесть, прежде чем приступать к выбору двигателя. Необходимо рассчитать коэффициент инерции, то есть сравнить инерцию нагрузки и инерцию двигателя. Одно из эмпирических правил гласит, что если инерция нагрузки превышает инерцию ротора в 10 раз, то настройка двигателя может быть затруднена, а производительность может пострадать. Но это правило различается не только в зависимости от технологии, но и от поставщика и даже от продукта. Критичность применения также влияет на решение. Некоторые продукты работают с коэффициентами до 30:1, в то время как прямые приводы работают с коэффициентами до 200:1. Многие не любят выбирать двигатель, коэффициент которых превышает 10:1.

Наконец, существуют ли физические ограничения, ограничивающие выбор одного двигателя по сравнению с другим? Двигатели бывают разных форм и размеров. В некоторых случаях двигатели большие и громоздкие, и существуют определённые области применения, где невозможно использование двигателей определённого размера. Прежде чем принять обоснованное решение о выборе наилучшего типа двигателя, необходимо изучить и понять эти физические характеристики.

Ответив на все эти вопросы — скорость, крутящий момент, мощность, инерция нагрузки и физические ограничения — инженеры смогут выбрать двигатель наиболее эффективного размера. Однако процесс принятия решения на этом не заканчивается. Инженерам также необходимо определить, какой тип двигателя лучше всего подходит для конкретной задачи. Годами выбор типа двигателя для большинства применений сводился к одному из двух вариантов: серводвигатель или шаговый двигатель с разомкнутым контуром.

Сервоприводы и шаговые двигатели

Принципы работы серводвигателей и шаговых двигателей с разомкнутым контуром управления схожи. Однако между ними есть ключевые различия, которые инженерам необходимо понимать, прежде чем выбрать двигатель, идеально подходящий для конкретного применения.

В традиционных сервосистемах контроллер посылает команды на привод двигателя посредством импульсов и направления или аналоговых команд, связанных с положением, скоростью или крутящим моментом. Некоторые системы управления могут использовать шинный метод, который в новейших системах управления обычно представляет собой метод связи на основе Ethernet. Затем привод подает соответствующий ток на каждую фазу двигателя. Обратная связь от двигателя возвращается к приводу двигателя и, при необходимости, к контроллеру. Привод использует эту информацию для правильной коммутации двигателя и передачи достоверной информации о динамическом положении вала двигателя. Таким образом, серводвигатели считаются двигателями с замкнутым контуром и содержат встроенные энкодеры, и данные о положении часто передаются на контроллер. Эта обратная связь дает контроллеру больше возможностей управления двигателем. Контроллер может вносить корректировки в работу двигателя в различной степени, если что-то работает не так, как должно. Эта важная информация является преимуществом, которое не могут предложить шаговые двигатели с разомкнутым контуром.

Шаговые двигатели также работают по командам, передаваемым на привод двигателя, чтобы задать пройденное расстояние и скорость. Обычно этот сигнал представляет собой команду шага и направления. Однако шаговые двигатели без обратной связи не могут обеспечить обратную связь с оператором, поэтому их системы управления не могут правильно оценить ситуацию и внести коррективы для улучшения работы двигателя.

Например, если крутящего момента двигателя недостаточно для работы с нагрузкой, он может заглохнуть или пропустить некоторые шаги. В этом случае целевое положение не будет достигнуто. Учитывая особенности шагового двигателя с разомкнутым контуром управления, это неточное позиционирование не будет адекватно передано контроллеру для внесения корректировок.

Серводвигатель, по всей видимости, обладает явными преимуществами с точки зрения эффективности и производительности, так почему же стоит выбрать шаговый двигатель? Есть несколько причин. Самая распространённая — цена; эксплуатационный бюджет играет важную роль при принятии любого проектного решения. В условиях ограниченного бюджета необходимо принимать решения по сокращению ненужных расходов. Это касается не только стоимости самого двигателя, но и того, что плановое и аварийное обслуживание шаговых двигателей обходится дешевле, чем сервоприводов. Таким образом, если преимущества серводвигателя не оправдывают его стоимость, стандартного шагового двигателя может быть достаточно.

С точки зрения эксплуатации шаговые двигатели значительно проще в использовании, чем стандартные серводвигатели. Принцип работы шагового двигателя гораздо проще понять и настроить. Большинство специалистов согласятся, что если нет смысла усложнять работу, то всё должно быть просто.

Преимущества двух типов двигателей существенно различаются. Серводвигатели идеально подходят, если вам нужен двигатель со скоростью вращения более 3000 об/мин и высоким крутящим моментом. Однако для приложений, требующих скорости вращения всего несколько сотен об/мин или меньше, серводвигатель не всегда является лучшим выбором. Для низкоскоростных применений серводвигатели могут оказаться избыточными.

Шаговые двигатели – это наилучшее решение для низкоскоростных применений. Шаговые двигатели не только обеспечивают стабильную остановку, но и рассчитаны на работу на низкой скорости с высоким крутящим моментом. Благодаря своей конструкции шаговые двигатели можно контролировать и разгонять до предельных скоростей. Предельная скорость типичных шаговых двигателей обычно составляет менее 1000 об/мин, в то время как серводвигатели могут иметь номинальную скорость до 3000 об/мин и выше, а иногда даже более 7000 об/мин.

Если шаговый двигатель правильно подобран, он может быть идеальным выбором. Однако, когда шаговый двигатель работает в разомкнутом контуре и что-то выходит из строя, операторы могут не получить всех данных, необходимых для устранения проблемы.

Решение проблемы разомкнутого цикла

За последние несколько десятилетий было предложено несколько различных подходов к решению традиционных проблем, связанных с шаговыми двигателями с открытым контуром. Одним из таких методов было приведение двигателя в исходное положение по датчику при включении питания или даже несколько раз в процессе работы. Несмотря на простоту, этот подход замедляет работу и не позволяет выявить проблемы, возникающие в ходе обычных рабочих процессов.

Другой подход — добавление обратной связи для определения остановки двигателя или его смещения. Инженеры компаний, занимающихся управлением движением, разработали функции «обнаружения остановки» и «удержания положения». Существуют даже более продвинутые подходы, которые работают с шаговыми двигателями подобно сервоприводам или, по крайней мере, имитируют их с помощью сложных алгоритмов.

В широком спектре двигателей — между сервоприводами и шаговыми двигателями с разомкнутым контуром — находится относительно новая технология, известная как шаговый двигатель с замкнутым контуром. Это лучший и наиболее экономичный способ решения задач, требующих точности позиционирования и низких скоростей. Применяя высокоточные устройства обратной связи для замыкания контура, инженеры могут получить «лучшее из обоих миров».

Шаговые двигатели с замкнутым контуром обладают всеми преимуществами шаговых двигателей: простотой использования, простотой конструкции и способностью стабильно работать на низких скоростях с точной остановкой. Кроме того, они обладают той же обратной связью, что и серводвигатели. К счастью, это не обязательно связано с главным недостатком сервоприводов: высокой ценой.

Ключевым моментом всегда был принцип работы шаговых двигателей с разомкнутым контуром. Обычно они имеют две катушки, иногда пять, между которыми происходит магнитная балансировка. Движение нарушает эту балансировку, вызывая электрическое отставание вала двигателя, но оператор не может знать, насколько сильно оно отстаёт. Точка остановки повторяется для шаговых двигателей с разомкнутым контуром, но не для всех нагрузок. Установка энкодера на шаговый двигатель и включение его в замкнутый контур обеспечивает определённый динамический контроль. Это позволяет операторам останавливаться в точном месте при изменяющихся нагрузках.

Эти преимущества использования шаговых двигателей с замкнутым контуром управления в некоторых приложениях резко повысили их популярность в сфере управления движением. В частности, в двух наиболее известных отраслях, производстве полупроводников и медицинских приборов, наблюдается явный рост использования шаговых двигателей с замкнутым контуром управления. Инженеры в этих отраслях должны точно знать, где двигатели позиционируют нагрузку или исполнительные механизмы, независимо от того, приводят ли они в действие ременную передачу или шарико-винтовую передачу. Замкнутый контур обратной связи в этих шаговых двигателях позволяет им точно определить местоположение нагрузки. Эти шаговые двигатели также могут обеспечивать более высокую производительность, чем сервоприводы, на более низких скоростях.

Как правило, любое приложение, требующее гарантированной производительности по более низкой цене, чем у серводвигателя, а также возможности работать на относительно низких скоростях, является хорошим кандидатом для шаговых двигателей с замкнутым контуром.

Имейте в виду, что операторам необходимо убедиться, что привод или система управления поддерживают шаговые двигатели с замкнутым контуром. Традиционно можно было приобрести шаговый двигатель с энкодером на задней панели, но привод был стандартным и не поддерживал энкодеры. Энкодер необходимо было вернуть в контроллер, а в конце каждого перемещения необходимо было выполнить проверку положения. В новых шаговых приводах с замкнутым контуром это не требуется. Шаговые приводы с замкнутым контуром могут динамически и автоматически управлять положением и скоростью без участия контроллеров.