Крокові двигуни із замкнутим циклом можуть бути найкращим вибором для завдань, які зазвичай виконуються сервоприводами, оскільки традиційні крокові двигуни не могли з ними впоратися.

Одним із найважливіших рішень, яке інженери можуть прийняти під час проектування будь-якого типу процесу керування рухом, є вибір двигуна. Вибір правильного двигуна, як за типом, так і за розміром, є надзвичайно важливим для експлуатаційної ефективності кінцевої машини. Крім того, забезпечення того, щоб двигун не спустошив бюджет, завжди є першочерговим завданням.

Одне з перших питань, на яке потрібно відповісти під час прийняття рішення: який тип двигуна буде найкращим? Чи потрібен для застосування високопродуктивний серводвигун? Чи буде кращим недорогий кроковий двигун? Або, можливо, є третій, середньої цінності варіант, який слід розглянути?

Відповіді починаються з потреб конкретного застосування. Перш ніж визначити тип двигуна, який ідеально підійде для будь-якого конкретного застосування, необхідно врахувати багато факторів.

Вимоги

Скільки циклів за хвилину має зробити двигун? Який крутний момент потрібен? Яка потрібна пікова швидкість?

Ці критичні питання не можна вирішити, просто вибравши двигун із заданою потужністю в кінських силах.

Вихідна потужність двигуна - це комбінація крутного моменту та швидкості, яку можна розрахувати шляхом множення швидкості, крутного моменту та константи.

Однак, через особливості цього розрахунку, існує багато різних комбінацій крутного моменту та швидкості, які дадуть певну вихідну потужність. Таким чином, різні двигуни з подібною номінальною потужністю можуть працювати по-різному через комбінацію швидкості та крутного моменту, які вони пропонують.

Інженери повинні знати, з якою швидкістю має рухатися вантаж певного розміру, перш ніж впевнено вибрати двигун, який працюватиме найкраще. Виконувана робота також повинна відповідати кривій крутного моменту/швидкості двигуна. Ця крива показує, як крутний момент двигуна змінюється під час роботи. Використовуючи припущення «найгіршого випадку» (іншими словами, визначаючи максимальну/мінімальну величину крутного моменту та швидкості, необхідних для роботи), інженери можуть бути впевнені, що обраний двигун має достатню криву крутного моменту/швидкості.

Інерція навантаження – це ще один фактор, який слід врахувати, перш ніж заглиблюватися в процес прийняття рішення щодо вибору двигуна. Необхідно розрахувати коефіцієнт інерції, який є порівнянням між інерцією навантаження та інерцією двигуна. Одне емпіричне правило говорить, що якщо інерція навантаження перевищує в 10 разів інерцію ротора, то налаштування двигуна може бути складнішим, і продуктивність може постраждати. Але це правило залежить не лише від технології до технології, але й від постачальника до постачальника і навіть від продукту до продукту. На це рішення також вплине критичність застосування. Деякі продукти працюють з коефіцієнтами до 30:1, тоді як прямі приводи працюють зі співвідношенням до 200:1. Багатьом людям не подобається вибирати розмір двигуна, який перевищує коефіцієнт 10:1.

Зрештою, чи існують фізичні обмеження, які обмежують використання одного двигуна порівняно з іншим. Двигуни бувають різних форм і розмірів. У деяких випадках двигуни великі та громіздкі, а також існують певні операції, які не можуть вмістити двигун певного розміру. Перш ніж прийняти обґрунтоване рішення щодо найкращого типу двигуна, слід розпізнати та зрозуміти ці фізичні характеристики.

Щойно інженери дадуть відповіді на всі ці питання — швидкість, крутний момент, потужність, інерцію навантаження та фізичні обмеження — вони зможуть визначитися з найефективнішим розміром двигуна. Однак процес прийняття рішень на цьому не зупиняється. Інженери також повинні з'ясувати, який тип двигуна найкраще підходить для застосування. Роками вибір типу для більшості застосувань зводився до одного з двох варіантів: серводвигун або кроковий двигун з розімкнутим контуром.

Сервоприводи та крокові двигуни

Принципи роботи серводвигунів та крокових двигунів з розімкнутим контуром схожі. Однак між ними є ключові відмінності, які інженери повинні розуміти, перш ніж вирішити, який двигун ідеально підходить для певного застосування.

У традиційних сервосистемах контролер надсилає команди до приводу двигуна за допомогою імпульсів та напрямків або аналогових команд, пов'язаних з положенням, швидкістю або крутним моментом. Деякі системи керування можуть використовувати метод на основі шини, який у найновіших системах керування зазвичай є методом зв'язку на основі Ethernet. Потім привід надсилає відповідний струм до кожної фази двигуна. Зворотний зв'язок від двигуна повертається до приводу двигуна та, за потреби, до контролера. Привід спирається на цю інформацію для правильної комутації двигуна та надсилання достовірної інформації про динамічне положення вала двигуна. Отже, серводвигуни вважаються двигунами із замкнутим циклом і містять вбудовані енкодери, а дані про положення часто передаються до контролера. Цей зворотний зв'язок надає контролеру більше контролю над двигуном. Контролер може вносити корективи в роботу, в різному ступені, якщо щось працює не так, як повинно. Цей тип важливої ​​інформації є перевагою, яку крокові двигуни з розімкнутим циклом не можуть запропонувати.

Крокові двигуни також працюють за командами, що надсилаються до приводу двигуна, щоб диктувати переміщену відстань та швидкість. Зазвичай цей сигнал є командою кроку та напрямку. Однак крокові двигуни з розімкнутим циклом не можуть забезпечувати зворотний зв'язок операторам, тому їхні елементи керування не можуть належним чином оцінити ситуацію та внести корективи для покращення роботи двигуна.

Наприклад, якщо крутний момент двигуна недостатній для обробки навантаження, двигун може зупинитися або пропустити певні кроки. Коли це трапляється, цільове положення не буде досягнуто. З огляду на характеристики розімкнутого циклу крокового двигуна, це неточне позиціонування не буде належним чином передано назад до контролера, щоб він міг внести корективи.

Серводвигун, здається, має очевидні переваги з точки зору ефективності та продуктивності, тож чому хтось має обрати кроковий двигун? Є кілька причин. Найпоширеніша з них – це ціна; експлуатаційні бюджети є важливими міркуваннями при прийнятті будь-якого рішення щодо проектування. Зі скороченням бюджетів необхідно приймати рішення щодо скорочення непотрібних витрат. Це стосується не лише вартості самого двигуна, але й планового та аварійного обслуговування крокових двигунів, як правило, дешевше, ніж сервоприводи. Тож, якщо переваги серводвигуна не виправдовують його витрати, стандартного крокового двигуна може бути достатньо.

З чисто експлуатаційної точки зору, крокові двигуни значно простіші у використанні, ніж стандартні серводвигуни. Керування кроковим двигуном набагато простіше для розуміння та легше налаштовується. Більшість персоналу погодиться, що якщо немає причин для надмірного ускладнення операцій, слід дотримуватися простоти.

Переваги, що пропонуються двома різними типами двигунів, дуже різні. Серводвигуни ідеально підходять, якщо вам потрібен двигун зі швидкістю понад 3000 об/хв та високим крутним моментом. Однак для застосування, яке вимагає лише швидкості кілька сотень об/хв або менше, серводвигун не завжди є найкращим вибором. Серводвигуни можуть бути надмірними для низькошвидкісних застосувань.

Низькошвидкісні застосування – це ті, де крокові двигуни є найкращим можливим рішенням. Крокові двигуни не тільки повторювані, коли справа доходить до зупинки, але й розроблені для роботи на низькій швидкості, забезпечуючи при цьому високий крутний момент. Завдяки самій природі цієї конструкції крокові двигуни можна керувати та працювати до їхніх меж швидкості. Межа швидкості типових крокових двигунів зазвичай становить менше 1000 об/хв, тоді як серводвигуни можуть мати номінальну швидкість до 3000 об/хв і вище, а іноді навіть понад 7000 об/хв.

Якщо кроковий двигун правильно підібраний, він може бути ідеальним вибором. Однак, коли кроковий двигун працює в конфігурації з розімкнутим контуром, і щось йде не так, оператори можуть не отримати всіх даних, необхідних для виправлення проблеми.

Розв'язання задачі розімкнутого циклу

Протягом останніх кількох десятиліть було запропоновано кілька різних підходів до вирішення традиційних проблем, пов'язаних з кроковими двигунами з розімкнутим циклом. Одним із методів було перенаправлення двигуна до датчика під час увімкнення живлення або навіть кілька разів під час роботи. Хоча це просто, це уповільнює роботу та не враховує проблеми, що виникають під час звичайних робочих процесів.

Іншим підходом є додавання зворотного зв'язку для виявлення зупинки двигуна або його виходу з позиції. Інженери компаній, що займаються керуванням рухом, створили функції «виявлення зупинки» та «підтримки положення». Було навіть кілька підходів, що йдуть ще далі, і вони розглядають крокові двигуни подібно до сервоприводів або принаймні імітують їх за допомогою складних алгоритмів.

У широкому спектрі двигунів — між сервоприводами та кроковими двигунами з розімкнутим циклом — знаходиться дещо нова технологія, відома як кроковий двигун із замкнутим циклом. Це найкращий та найекономічніший спосіб вирішення проблеми застосувань, що вимагають точності позиціонування та низьких швидкостей. Застосовуючи пристрої зворотного зв'язку високої роздільної здатності для замкнення циклу, інженери можуть насолоджуватися «найкращим з обох світів».

Крокові двигуни із замкнутим циклом пропонують усі переваги крокових двигунів: простоту використання, простоту та здатність стабільно працювати на низьких швидкостях з точною зупинкою. Крім того, вони все ще пропонують можливості зворотного зв'язку, які мають серводвигуни. На щастя, це не обов'язково має найбільший недолік серводвигунів: вищу ціну.

Ключем завжди був спосіб роботи крокових двигунів з розімкнутим контуром. Зазвичай вони мають дві котушки, іноді п'ять, з магнітним балансуванням між ними. Рух порушує цей баланс, змушуючи вал двигуна електрично відставати, але оператор не може знати, наскільки він відстає. Точка зупинки повторювана для крокових двигунів з розімкнутим контуром, але не для всіх навантажень. Встановлення енкодера на кроковому двигуні та перетворення його на замкнутий контур забезпечує певний динамічний контроль. Це дозволяє операторам зупинятися в точці при різних навантаженнях.

Ці переваги використання крокових двигунів із замкнутим циклом для певних застосувань різко підвищили популярність цих двигунів у спільноті керування рухом. Зокрема, у двох найвідоміших галузях промисловості, виробниках напівпровідників та медичного обладнання, спостерігається явне зростання використання крокових двигунів із замкнутим циклом. Інженери в цих галузях повинні точно знати, де двигуни розташували навантаження або виконавчі механізми, незалежно від того, чи живлять вони ремінь чи кулькову гвинтову передачу. Зворотний зв'язок із замкнутим циклом у цих крокових двигунах дозволяє їм точно знати, де вони знаходяться. Ці крокові двигуни також можуть забезпечити кращу продуктивність, ніж сервоприводи, на нижчих швидкостях.

Зазвичай, будь-яке застосування, яке потребує гарантованої продуктивності за нижчою ціною, ніж серводвигун, та можливості роботи на відносно низьких швидкостях, є хорошим кандидатом на крокові двигуни із замкнутим циклом.

Майте на увазі, що операторам необхідно переконатися, що привід або елементи керування підтримують крокові двигуни із замкнутим циклом. Історично, кроковий двигун міг мати енкодер на задній панелі, але сам привід був стандартним кроковим і не підтримував енкодери. Енкодер потрібно було повернути до контролера, а перевірку положення потрібно було реалізувати в кінці заданого руху. Це не потрібно для нових крокових приводів із замкнутим циклом. Крокові приводи із замкнутим циклом можуть динамічно та автоматично керувати положенням і швидкістю без залучення контролерів.