Шаговые двигатели с замкнутым контуром управления могут быть лучшим выбором для задач, обычно выполняемых сервоприводами, поскольку традиционные шаговые двигатели с ними не справляются.

Одним из наиболее важных решений, которые инженеры могут принять при проектировании любого процесса управления движением, является выбор двигателя. Правильный выбор двигателя, как по типу, так и по размеру, имеет решающее значение для эффективности работы конечной машины. Кроме того, обеспечение того, чтобы двигатель не превысил бюджет, всегда является первостепенной задачей.

Один из первых вопросов, на который нужно ответить при принятии решения: какой тип двигателя будет оптимальным? Требуется ли для данного применения высокопроизводительный серводвигатель? Будет ли лучше недорогой шаговый двигатель? Или, может быть, есть третий, промежуточный вариант?

Ответы начинаются с потребностей конкретного применения. Перед определением типа двигателя, идеально подходящего для той или иной задачи, необходимо учесть множество факторов.

Требования

Сколько циклов в минуту должен совершать двигатель? Какой крутящий момент необходим? Какова требуемая максимальная скорость?

На эти важнейшие вопросы нельзя ответить, просто выбрав двигатель с заданной мощностью.

Мощность двигателя представляет собой сумму крутящего момента и скорости, которая может быть рассчитана путем умножения скорости, крутящего момента и константы.

Однако из-за особенностей этого расчета существует множество различных комбинаций крутящего момента и скорости, которые обеспечат определенную выходную мощность. Таким образом, разные двигатели со схожей мощностью могут работать по-разному в зависимости от сочетания скорости и крутящего момента.

Инженеры должны знать, с какой скоростью должна перемещаться нагрузка определенного размера, прежде чем уверенно выбрать двигатель, который будет работать наилучшим образом. Выполняемая работа также должна соответствовать кривой крутящего момента/скорости двигателя. Эта кривая показывает, как крутящий момент двигателя изменяется во время работы. Используя предположения «наихудшего случая» (другими словами, определяя максимальный/минимальный крутящий момент и скорость, необходимые для выполнения работы), инженеры могут быть уверены, что выбранный двигатель имеет достаточную кривую крутящего момента/скорости.

Инерция нагрузки — ещё один фактор, который следует учитывать перед принятием решения о выборе двигателя. Необходимо рассчитать коэффициент инерции, который представляет собой сравнение инерции нагрузки и инерции двигателя. Одно из эмпирических правил гласит, что если инерция нагрузки превышает инерцию ротора в 10 раз, то настройка двигателя может быть затруднена, а его производительность может снизиться. Однако это правило варьируется не только от технологии к технологии, но и от поставщика к поставщику и даже от продукта к продукту. Критичность применения также повлияет на это решение. Некоторые продукты работают с передаточными числами до 30 к 1, в то время как прямые приводы работают с передаточными числами до 200 к 1. Многие не любят выбирать двигатель с передаточным числом, превышающим 10 к 1.

Наконец, существуют ли физические ограничения, которые ставят под сомнение тот или иной двигатель. Двигатели бывают разных форм и размеров. В некоторых случаях двигатели большие и громоздкие, а для определенных операций двигатель определенного размера не подходит. Прежде чем принять взвешенное решение о выборе наилучшего типа двигателя, необходимо учитывать и понимать эти физические характеристики.

Как только инженеры ответят на все эти вопросы — скорость, крутящий момент, мощность, инерция нагрузки и физические ограничения — они смогут определить наиболее эффективный размер двигателя. Однако процесс принятия решения на этом не заканчивается. Инженеры также должны выяснить, какой тип двигателя лучше всего подходит для конкретного применения. В течение многих лет выбор типа сходил к одному из двух вариантов для большинства применений: серводвигатель или шаговый двигатель с разомкнутым контуром управления.

Сервоприводы и шаговые двигатели

Принципы работы серводвигателей и шаговых двигателей с разомкнутым контуром управления схожи. Однако между ними существуют ключевые различия, которые инженеры должны понимать, прежде чем решить, какой двигатель идеально подходит для конкретного применения.

В традиционных сервосистемах контроллер посылает команды приводу 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 посылает 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 для передачи точной информации о динамическом положении вала двигателя. Таким образом, серводвигатели считаются двигателями с замкнутым контуром управления и содержат встроенные энкодеры, а данные о положении часто передаются на контроллер. Эта обратная связь дает контроллеру больший контроль над двигателем. Контроллер может вносить корректировки в работу, в различной степени, если что-то работает не так, как должно. Этот тип важной информации является преимуществом, которое не могут предложить шаговые двигатели с разомкнутым контуром управления.

Шаговые двигатели также работают на основе команд, посылаемых на привод двигателя для определения пройденного расстояния и скорости. Как правило, этот сигнал представляет собой команду шага и направления. Однако шаговые двигатели с разомкнутым контуром управления не могут предоставлять обратную связь оператору, поэтому их система управления не может должным образом оценивать ситуацию и вносить корректировки для улучшения работы двигателя.

Например, если крутящего момента двигателя недостаточно для работы с нагрузкой, двигатель может заглохнуть или пропустить определенные шаги. В этом случае целевое положение не будет достигнуто. Учитывая особенности работы шагового двигателя в режиме разомкнутого контура, эта неточная информация о местоположении не будет должным образом передана контроллеру для внесения корректировок.

Сервомотор, казалось бы, обладает явными преимуществами с точки зрения эффективности и производительности, так почему же кто-то выберет шаговый двигатель? На это есть несколько причин. Самая распространенная — цена; операционные бюджеты являются важным фактором при принятии любого проектного решения. По мере сокращения бюджетов необходимо принимать решения о сокращении ненужных расходов. Это касается не только стоимости самого двигателя, но и того, что плановое и аварийное техническое обслуживание шаговых двигателей, как правило, обходится дешевле, чем сервомоторов. Поэтому, если преимущества сервомотора не оправдывают его стоимость, стандартный шаговый двигатель может оказаться достаточным.

С чисто эксплуатационной точки зрения, шаговые двигатели значительно проще в использовании, чем стандартные серводвигатели. Управление шаговым двигателем намного проще для понимания и настройки. Большинство специалистов согласятся, что если нет причин чрезмерно усложнять операции, лучше придерживаться простых решений.

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

Шаговые двигатели проявляют себя наилучшим образом в низкоскоростных приложениях. Шаговые двигатели не только обеспечивают стабильную остановку, но и спроектированы для работы на низких скоростях при высоком крутящем моменте. Благодаря своей конструкции, шаговые двигатели могут управляться и работать 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 по размеру, он может стать идеальным выбором. Однако, когда шаговый двигатель работает в режиме разомкнутого контура управления и что-то идёт не так, операторы могут не получить всех необходимых данных для устранения проблемы.

Решение проблемы разомкнутой системы

За последние несколько десятилетий было предложено несколько различных подходов к решению традиционных проблем, связанных с шаговыми двигателями с разомкнутым контуром управления. Одним из методов было возвращение двигателя в исходное положение относительно датчика при включении питания или даже несколько раз в течение работы. Хотя это и просто, такой подход замедляет работу и не позволяет выявлять проблемы, возникающие в процессе нормальной эксплуатации.

Еще один подход — добавление обратной связи для обнаружения остановки двигателя или смещения его положения. Инженеры компаний, занимающихся управлением движением, разработали функции «обнаружения остановки» и «поддержания положения». Существуют даже несколько подходов, которые идут еще дальше, рассматривая шаговые двигатели как сервоприводы или, по крайней мере, имитируя их с помощью сложных алгоритмов.

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

Шаговые двигатели с замкнутым контуром управления обладают всеми преимуществами шаговых двигателей: простотой использования, удобством в эксплуатации и способностью стабильно работать на низких скоростях с точной остановкой. Кроме того, они сохраняют возможности обратной связи, присущие серводвигателям. К счастью, это не обязательно должно сопровождаться самым большим недостатком серводвигателей: более высокой ценой.

Ключевым моментом всегда был принцип работы шаговых двигателей с разомкнутым контуром управления. Обычно они имеют две обмотки, иногда пять, между которыми происходит магнитная балансировка. Движение нарушает эту балансировку, вызывая электрическое отставание вала двигателя, но оператор не может знать, насколько именно он отстал. Точка остановки является повторяемой для шаговых двигателей с разомкнутым контуром управления, но не для всех нагрузок. Установка энкодера на шаговый двигатель и создание замкнутого контура управления обеспечивает некоторое динамическое управление. Это позволяет операторам останавливаться в точно заданной точке при изменяющихся нагрузках.

Преимущества использования шаговых двигателей с замкнутым контуром управления в определенных областях применения резко возросли в сообществе специалистов по управлению движением. В частности, в двух наиболее важных отраслях — производстве полупроводников и медицинских устройств — наблюдается явный рост использования шаговых двигателей с замкнутым контуром управления. Инженеры в этих отраслях должны точно знать, где расположены нагрузки или исполнительные механизмы, независимо от того, приводится ли в движение ременная или шариковинтовая передача. Обратная связь с замкнутым контуром в этих шаговых двигателях позволяет им точно определять их местоположение. Эти шаговые двигатели также могут обеспечивать более высокую производительность, чем сервоприводы, на низких скоростях.

В целом, любое приложение, требующее гарантированной производительности при меньших затратах, чем у сервомотора, и возможности работы на относительно низких скоростях, является хорошим кандидатом для шаговых двигателей с замкнутым контуром управления.

Следует помнить, что операторам необходимо убедиться в поддержке приводом или системой управления шаговых двигателей с замкнутым контуром управления. Исторически существовали шаговые двигатели с энкодером на задней панели, но это был стандартный привод шагового двигателя, не поддерживающий энкодеры. Энкодер необходимо было передавать на контроллер, и проверка положения должна была осуществляться в конце каждого перемещения. В новых приводах шаговых двигателей с замкнутым контуром управления это не требуется. Приводы шаговых двигателей с замкнутым контуром управления могут динамически и автоматически управлять положением и скоростью без участия контроллеров.