Крокові двигуни є найкращим вибором для багатьох застосувань керування рухом та положенням. Вони доступні в широкому діапазоні розмірів та номінальних крутних моментів і значно дешевші, ніж високоякісні серводвигуни. Отже, давайте поговоримо про способи підвищення продуктивності крокових двигунів до рівня серводвигунів шляхом додавання пристроїв зворотного зв'язку. Крокові двигуни зі зворотним зв'язком не є повною заміною серводвигунів, але вони можуть забезпечити надійну альтернативу для багатьох реальних застосувань. Ці рішення для проектування руху покращують продуктивність машин, не спустошуючи їх зайвий бюджет.

Переваги та недоліки крокових двигунів, які слід розглянути

Крокові двигуни – це безщіткові електродвигуни постійного струму, які рухаються дискретними кроками, а не безперервно обертальним рухом. Ці крокові рухи зумовлені зміщеннями магнітного поля наборами електромагнітних котушок у статорі. Робота крокового двигуна залежить від...контролер— електронний пристрій, який подає струм на обмотки статора двигуна в послідовності, що керує кроковими рухами. Можливості контролера суттєво впливають на продуктивність двигуна.

Існує кілька типів крокових двигунів, але найпоширеніші різновиди пропонують хорошу роздільну здатність (200 кроків на оберт або краще), а також пристойний крутний момент на низькій швидкості, міцну конструкцію, тривалий термін служби та відносно низьку вартість. Однак вони мають обмеження. Вихідний крутний момент падає на вищих швидкостях обертання, і (з простими контролерами) крокові двигуни можуть бути схильні до дзвінких коливань — високочастотних вібрацій. Найбільшим недоліком є ​​те, що навіть у системах позиціонування базові системи крокових двигунів працюють під керуванням у розімкнутому циклі.

Крокові двигуни реагують на інструкції контролера щодо виконання певної кількості кроків, але не повертають контролеру жодного зворотного зв'язку про те, чи цей рух було завершено. Тому, якщо двигун не виконує запитувані кроки, може виникнути зростаюча розбіжність між тим, що контролер...припускаєяк обертальне положення вала двигуна таправдаположення вала (та будь-яких приєднаних навантажень або ведених механізмів). Такі невідповідності виникають, коли крутний момент двигуна недостатній для подолання механічного опору… і насправді ці невідповідності можуть стати значною проблемою на високих обертах, оскільки саме тоді можливості вихідного крутного моменту двигуна обмежені. Ось чому інженери-конструктори часто надмірно специфікують крокові двигуни — щоб уникнути пропущених кроків, навіть якщо це призводить до вибору крокових двигунів, які є занадто великими та важкими для всіх, крім найвимогливіших профілів руху.

Ще одним недоліком є ​​те, що коли традиційно застосовуваний кроковий двигун зупиняється, через обмотки двигуна має протікати струм, щоб утримувати вал крокового двигуна в потрібному положенні. Це споживає електроенергію та нагріває обмотки двигуна та навколишні підкомпоненти.

Відгуки про системи крокових двигунів для надійного позиціонування

Додавання енкодерів до системи крокового двигуна для отримання зворотного зв'язку щодо положення вала по суті замикає цикл керування. Додавання цих пристроїв зворотного зв'язку збільшує загальну вартість системи, але не так сильно, як перехід на серводвигун.

Один із підходів до додавання зворотного зв'язку енкодера полягає в роботі вперемістити та перевіритирежим. У цьому випадку до хвостового вала крокового двигуна додається простий інкрементальний енкодер. Потім, коли контролер видає крокові команди двигуну, енкодер постійно перевіряє контролеру, чи відбулися задані рухи. Якщо двигун не виконує задану кількість кроків, контролер може запитувати більше кроків, доки двигун не досягне заданого положення. Більш складні контролери також збільшують фазний струм у двигуні, щоб збільшити крутний момент для виконання цих додаткових кроків.

Енкодерні пристрої, що використовуються в таких системах переміщення та перевірки, зазвичай мають роздільну здатність, кратну 200 позиціям на оберт.

Зверніть увагу, що установки, що використовують режими переміщення та перевірки, все ще можуть отримати користь від включення двигунів збільшеного розміру, але не збільшених до ступеня, необхідного для простих систем з розімкнутим контуром.

Також зауважте, що цей режим може допомогти інтелектуальним контролерам точно налаштувати струми утримання двигуна для незначного підвищення ефективності під час зупинки… хоча загальне споживання енергії все ще залишається високим.

Крокове керування із замкнутим контуром та абсолютними енкодерами

Ще один дещо складніший варіант для критично важливих застосувань керування положенням — це повне керування із замкненим контуром, що використовує багатооборотні абсолютні енкодери. Енкодери, що використовуються тут, підключаються до хвостового валу крокового двигуна для контролю:

1. Кутове положення крокового двигуна, а також
2. Кількість повних обертів крокового двигуна.

У цій конфігурації кроковий двигун керується як безщітковий двигун постійного струму (BLDC) з великою кількістю полюсів… а енкодер постійно забезпечує зворотний зв'язок щодо положення до контролера. Струм утримання, що подається на двигун, потім точно підлаштовується під величину, необхідну для підтримки положення в межах заданого допуску положення. Кроковий двигун, керований як безщітковий серводвигун, є енергоефективним і дешевшим, ніж справжній серводвигун BLDC. То чому б не використовувати недорогі крокові двигуни для всіх застосувань серводвигунів BLDC?

Ну, крокові двигуни, що використовуються в сервосистемах із замкнутим циклом, мають фізичне обмеження, якого немає у справжніх серводвигунах BLDC. Більш конкретно, крокові двигуни, що працюють таким чином, по суті працюють як 50-полюсні безщіткові двигуни, тому не можуть досягти обертів, можливих із серводвигунами. Крім того, ротори крокових двигунів мають вищу інерцію, ніж ротори справжніх серводвигунів BLDC еквівалентної потужності… тому не можуть забезпечити таке ж прискорення.

Коли кроковий двигун використовується в режимі BLDC, енкодер виконує життєво важливу роль.комутаціяроль — повідомлення про точне положення обертання вала двигуна… що, у свою чергу, дозволяє контролеру подавати живлення на відповідний набір електромагнітів статора для безперервного обертання за потреби. Крім того, прецизійні абсолютні енкодери також можуть допомогти вдосконаленим мікрокроковим контролерам у точному налаштуванні фазного струму для зменшення вібрації, яка виникає в більш простих системах крокових двигунів.