Системи крокових двигунів є основою індустрії керування рухом. Ми розглянемо відмінності між системами з розімкнутим циклом та системами із замкнутим циклом, а також пояснимо останні розробки, які роблять системи крокових двигунів ще швидшими, тихішими та енергоефективнішими, ніж будь-коли раніше.

Системи крокових двигунів пройшли довгий шлях від перших днів приводів напруги та повного крокування. Спочатку з'явилися ШІМ-приводи та мікрокрокове керування, а потім цифрові сигнальні процесори (DSP) та антирезонансні алгоритми. Тепер нова технологія крокових двигунів із замкнутим циклом гарантує, що крокові двигуни залишатимуться наріжним каменем індустрії керування рухом протягом багатьох років.

Незалежно від того, чи рух лінійний, чи обертальний, два головні фактори, які визначають, які двигуни та системи приводу є найбільш підходящими, – це крутний момент та ефективність. Це стосується будь-якого кінцевого застосування: автоматизованої системи складання, машини для обробки матеріалів, 3D-принтера, декартового позиціонера, перистальтичного насоса чи одного з незліченних інших застосувань, у яких крокові двигуни є кращою технологією.

Найновішою розробкою в крокових системах є застосування недорогих пристроїв зворотного зв'язку з високою роздільною здатністю та вдосконалених цифрових сигнальних процесорів (DSP) для замикання циклу руху крокового двигуна. Такі механізми керування підвищують продуктивність крокових двигунів із замкнутим циклом, перевершуючи системи з розімкнутим циклом. Як ми побачимо, одна з таких систем із замкнутим циклом реалізована на інтегрованій конструкції двигуна, що включає пристрій зворотного зв'язку, плати драйвера та контролера, електроніку живлення, зв'язку та введення/виведення, а також системні роз'єми на боковій та задній панелях двигуна.

Крокові системи з відкритим циклом та замкнутим циклом
Спочатку давайте розглянемо, як високопродуктивні замкнуті крокові системи порівнюються з традиційними розімкнутими кроковими системами з точки зору крутного моменту та ефективності.

Системи крокових двигунів із замкнутим циклом мають кращу продуктивність порівняно з системами з розімкнутим циклом, що продемонстровано результатами лабораторних випробувань, що порівнюють прискорення (крутний момент), ефективність (споживання енергії), похибку позиціонування (точність), тепловиділення та рівень шуму цих двох систем. Просто розглянемо взаємозв'язок між крутним моментом і прискоренням. Криві залежності крутного моменту від швидкості показують піковий та безперервний діапазони крутного моменту системи крокових двигунів із замкнутим циклом, а також корисний діапазон крутного моменту системи крокових двигунів з розімкнутим циклом. Дуже часто крутний момент у реальному світі перетворюється на прискорення, тому двигуни з більшим крутним моментом можуть швидше розганяти задане навантаження.

Щоб перевірити цю різницю в характеристиках крутного моменту в лабораторії, системи крокових двигунів однакового розміру з розімкнутим та замкнутим циклом отримують однакові інерційні навантаження. Програмування дає команду двом системам виконувати однакові профілі руху, за винятком того, що швидкість прискорення та максимальна швидкість повільно збільшуються в кожній системі, доки не з'являться помилки позиціонування.

Припустимо, що система з розімкнутим контуром досягає максимального прискорення 1000 об/с.²та максимальну швидкість 10 об/с (600 об/хв). Ця максимальна швидкість 10 об/с відповідає тому, де закінчується плоска частина кривої крутного моменту-швидкості. Замкнута система (завдяки своїй здатності створювати вищий крутний момент) досягає максимального коефіцієнта розгону 2000 об/с.²та максимальну швидкість 20 об/с (1200 об/хв). Це вдвічі перевищує продуктивність системи з розімкнутим циклом і скорочує час переміщення майже вдвічі — зі 110 мс до 60 мс.

Для застосувань, що потребують високої пропускної здатності (таких як індексування, позиціонування крайових напрямних та системи захоплення та розміщення), система із замкнутим циклом забезпечує явну перевагу в продуктивності.

Ефективність розімкнутого циклу проти ефективності замкнутого циклу

Щоб виміряти відносну ефективність системи з розімкнутим та замкнутим контуром, припустимо, що ми повторюємо той самий тест з тими ж двома двигунами однакової потужності. Цього разу двигуни із замкнутим та розімкнутим контурами працюють пліч-о-пліч з однаковими інерційними навантаженнями, але запускаємо програму, яка підтримує профілі руху постійними та рівними, щоб обидві системи виконували однаковий обсяг роботи.

Хоча два двигуни неодноразово індексують один і той самий профіль руху, вимірюється струм, що споживається від джерела постійного струму, що живить дві системи, та розраховується споживання енергії. Як видно на графіках значень, середнє споживання енергії розімкнутою кроковою системою становить 43,8 Вт, тоді як системою із замкнутим циклом воно лише на третину менше — в середньому 14,2 Вт. Ця разюча різниця в споживанні енергії чітко показує вищу ефективність роботи замкнутої системи. Будь-який користувач, який бажає підвищити ефективність своєї розімкнутої крокової системи, тепер може розглянути просте оновлення до замкнутої системи та очікувати значно нижчого споживання.

Як вирішити проблему нагрівання двигуна

Природним продовженням випробувань споживання енергії є дослідження нагрівання двигуна. Крокові системи з розімкнутим циклом — це прості пристрої. Просто налаштовується привід на номінальний струм двигуна, і привід докладатиме всіх зусиль, щоб подавати цей струм до двигуна постійно, незалежно від того, потрібен результуючий крутний момент чи ні. Це часто призводить до виділення тепла замість енергії для виконання функцій застосування — і є причиною того, що крокові системи з розімкнутим циклом зазвичай нагріваються сильніше, ніж аналоги із замкнутим циклом. Це також означає, що конструктори машин повинні вживати додаткових заходів для боротьби з цим теплом, часто шляхом встановлення спеціальних захисних пристроїв навколо крокових двигунів, які працюватимуть поблизу операторів, або шляхом встановлення додаткових систем охолодження, таких як вентилятори.

Розглянемо результати випробування на нагрівання двигуна, проведеного в лабораторії з використанням тих самих систем з розімкнутим та замкнутим контуром, що й вище. У цьому випробуванні дві системи знову виконують однакову кількість роботи, керуючи тими ж інерційними навантаженнями, і їм дозволяється працювати, доки вони не досягнуть теплової рівноваги. Система з розімкнутим контуром досягає температури корпусу 76,0°C, тоді як система з замкнутим контуром досягає теплової рівноваги при температурі корпусу лише 36,9°C — менше половини температури, яку має система з розімкнутим контуром. Це значне зниження нагрівання двигуна може означати зниження вартості компонентів для машинобудівників, оскільки вони можуть відмовитися від додаткових підсистем захисту та охолодження.

Гучні двигуни більше не працюють

Ще однією поширеною скаргою на крокові системи з розімкнутим циклом є те, що вони, як відомо, створюють досить сильний шум. У певних середовищах, таких як лабораторії, лікарні та офіси, цей шум може становити справжню проблему для розробників машин.

Шум, що випромінюється кроковими двигунами, виникає через високу електричну частоту та швидкі зміни потоку в зубцях статора, а також тому, що системи з розімкнутим контуром працюють на повному номінальному струмі незалежно від навантаження. З іншого боку, крокові системи із замкнутим контуром забезпечують двигун струмом, достатнім для керування навантаженням, і це призводить до значно меншого шуму.

Для отримання результатів випробувань, показаних на графіку акустичного шуму, що супроводжує цю статтю, акустичний шум кожної системи вимірюється у звукоізольованій камері. Система із замкнутим циклом значно тихіша, ніж система із замкнутим циклом, на швидкостях від 0 до 20 об/с. Цей діапазон швидкостей збігається з реальним діапазоном швидкостей застосувань, де найчастіше використовуються системи крокових двигунів, а це означає, що переважна більшість застосувань крокових двигунів можуть отримати вигоду від зниження шуму двигуна, якщо перейти на системи із замкнутим циклом.

Краща точність двигуна для усунення помилок позиціонування

Системи крокових двигунів з розімкнутим циклом цінуються за їхню здатність точно позиціонувати вантажі без механізму зворотного зв'язку або системи керування із замкнутим циклом, але лише за умови, що система з розімкнутим циклом має достатній запас крутного моменту, щоб помилки позиціонування не виникали під час нормальної роботи. Для підвищення точності та для більш надійної конструкції системи, замикання циклу позиціонування сервоприводу навколо зворотного зв'язку від енкодера високої роздільної здатності дозволяє системам із замкнутим циклом автоматично компенсувати збільшення вимог до крутного моменту, яке в іншому випадку призвело б до помилок позиціонування у системах із розімкнутим циклом. Це значно підвищує загальну точність системи, особливо для високодинамічних застосувань, таких як системи захоплення та розміщення та 3D-принтери, де потрібні короткі, швидкі рухи та часта зміна напрямку.

Модернізація існуючих крокових систем

З компонентів інтегрованої системи крокового двигуна витрати на двигун, підсилювач потужності та зв'язок, як правило, не зростатимуть при переході від розімкнутого до замкнутого циклу. Керуюча електроніка може вимагати трохи більше центральної обчислювальної потужності або пам'яті для сервокерування двигуном, але це зазвичай не впливає на прейскурантні ціни. Значна різниця у вартості між кроковими системами з розімкнутим та замкнутим циклом полягає в додаванні пристрою зворотного зв'язку високої роздільної здатності, але вдосконалення у виробництві зробили ці пристрої все більш доступними. Тож зараз крокові системи із замкнутим циклом зберігають економічні переваги крокових систем з розімкнутим циклом порівняно з іншими типами систем позиціонування, такими як традиційні сервоприводи, але зі значно підвищеною продуктивністю майже в усіх відношеннях. Як правило, економія енергії та підвищена пропускна здатність замкнутої системи швидко окуповують незначне збільшення вартості пристрою зворотного зв'язку.

Окрім мінімального збільшення вартості, перехід від крокової системи з розімкнутим циклом до системи із замкнутим циклом спрощується завдяки пропозиціям розміру корпусу NEMA. Кроковий двигун із замкнутим циклом NEMA 23 має той самий розмір корпусу, діаметр напрямного механізму, довжину окружності отвору для болтів та діаметр отвору для болтів, що й кроковий двигун NEMA 23 з розімкнутим циклом, тому монтажні кронштейни залишаються незмінними. Більший крутний момент, доступний у системі із замкнутим циклом, означає, що діаметр вала крокового двигуна із замкнутим циклом може бути більшим, але зазвичай це можна досить легко вирішити простою зміною муфти вала.