Zamknięta pętlasilniki krokoweZmieniły stosunek wydajności do kosztów w wielu aplikacjach sterowania ruchem. Sukces silników progresywnych VIC z zamkniętą pętlą otworzył również możliwość zastąpienia drogich serwosilników niedrogimisilniki krokoweW coraz większej liczbie zaawansowanych zastosowań automatyki przemysłowej postęp technologiczny zmienia stosunek wydajności do kosztów pomiędzy silnikami krokowymi i serwosilnikami.
Silniki krokowe kontra silniki serwo
Zgodnie z powszechną opinią, systemy sterowania serwo lepiej sprawdzają się w zastosowaniach, w których wymagane są prędkości powyżej 800 obr./min i wysoka dynamika reakcji. Silniki krokowe są bardziej odpowiednie do zastosowań o niższych prędkościach, niskim lub średnim przyspieszeniu i wysokim momencie trzymania.
Na czym więc opiera się ta powszechna opinia na temat silników krokowych i serwomotorów? Przeanalizujmy to bardziej szczegółowo poniżej.
1. Prostota i cena
Silniki krokowe są nie tylko tańsze niż serwosilniki, ale także prostsze w uruchomieniu i utrzymaniu. Silniki krokowe są stabilne w stanie spoczynku i utrzymują swoją pozycję (nawet przy obciążeniach dynamicznych). Jednak jeśli w niektórych zastosowaniach wymagana jest wyższa wydajność, konieczne jest zastosowanie droższych i bardziej złożonych serwosilników.
2. Struktura
Silniki krokoweObracają się skokowo, wykorzystując cewki magnetyczne do stopniowego przesuwania magnesu z jednego położenia do drugiego. Aby przesunąć silnik o 100 pozycji w dowolnym kierunku, obwód wymaga wykonania 100 operacji krokowych na silniku. Silniki krokowe wykorzystują impulsy do uzyskania ruchów przyrostowych, umożliwiając precyzyjne pozycjonowanie bez użycia czujników sprzężenia zwrotnego.
Metoda ruchu serwosilnika jest inna. Podłącza on czujnik położenia – enkoder – do wirnika magnetycznego i stale monitoruje dokładne położenie silnika. Serwosilnik monitoruje różnicę między rzeczywistym położeniem silnika a położeniem zadanym i odpowiednio dostosowuje prąd. Ten układ pętli zamkniętej utrzymuje silnik w prawidłowym stanie ruchu.
3. Prędkość i moment obrotowy
Różnica w osiągach silników krokowych i serwomotorów wynika z różnych rozwiązań konstrukcyjnych silnika.Silniki krokoweMają znacznie większą liczbę biegunów niż serwosilniki, więc pełny obrót silnika krokowego wymaga znacznie większej liczby wymian prądu w uzwojeniu, co skutkuje gwałtownym spadkiem momentu obrotowego przy rosnących prędkościach. Ponadto, po osiągnięciu maksymalnego momentu obrotowego, silnik krokowy może utracić funkcję synchronizacji prędkości. Z tych powodów serwosilniki są preferowanym rozwiązaniem w większości zastosowań wymagających dużej prędkości. Z kolei większa liczba biegunów silnika krokowego jest korzystna przy niższych prędkościach, gdy silnik krokowy ma przewagę momentu obrotowego nad serwosilnikiem o tej samej wielkości.
Wraz ze wzrostem prędkości moment obrotowy silnika krokowego maleje
4. Pozycjonowanie
Istnieją istotne różnice między silnikami krokowymi a serwosilnikami w zastosowaniach, w których dokładna pozycja maszyny musi być zawsze znana. W aplikacjach ruchu w pętli otwartej sterowanych silnikami krokowymi, system sterowania zakłada, że silnik zawsze znajduje się w prawidłowym stanie ruchu. Jednak po wystąpieniu problemu, takiego jak zablokowanie silnika z powodu zablokowanego elementu, sterownik nie jest w stanie określić rzeczywistej pozycji maszyny, co może prowadzić do utraty pozycji. Sam układ serwosilnika w pętli zamkniętej ma tę zaletę: jeśli zostanie zablokowany przez obiekt, zostanie on natychmiast wykryty. Maszyna zatrzyma się i nigdy nie straci swojej pozycji.
5. Zużycie ciepła i energii
Silniki krokowe z otwartą pętlą wykorzystują stały prąd i emitują dużo ciepła. Sterowanie w pętli zamkniętej dostarcza jedynie prąd wymagany do regulacji prędkości, co pozwala uniknąć problemu nagrzewania się silnika.
Podsumowanie porównania
Systemy sterowania serwomechanizmami najlepiej sprawdzają się w aplikacjach o dużej prędkości, wymagających dynamicznych zmian obciążenia, takich jak ramiona robotów. Z kolei systemy sterowania krokowego lepiej sprawdzają się w aplikacjach wymagających niskiego lub średniego przyspieszenia i wysokiego momentu obrotowego, takich jak drukarki 3D, przenośniki taśmowe, podosie itp. Ze względu na niższą cenę silniki krokowe mogą obniżyć koszty systemów automatyki. Systemy sterowania ruchem, które muszą wykorzystać zalety silników serwo, będą musiały udowodnić, że te droższe silniki są warte swojej wagi w złocie.
Silniki krokowe ze sterowaniem w pętli zamkniętej
Silnik krokowy ze zintegrowanym sterowaniem elektronicznym jest odpowiednikiem dwufazowego bezszczotkowego silnika prądu stałego i może realizować sterowanie pętlą położenia, sterowanie pętlą prędkości, sterowanie DQ i inne algorytmy. Jednoobrotowy enkoder absolutny służy do komutacji w pętli zamkniętej, zapewniając optymalny moment obrotowy przy każdej prędkości.
Niskie zużycie energii i utrzymanie chłodu
Silniki krokowe VIC charakteryzują się wysoką energooszczędnością. W przeciwieństwie do silników krokowych z otwartą pętlą, które zawsze pracują z pełną mocą i generują ciepło oraz hałas, prąd zmienia się w zależności od rzeczywistych warunków ruchu, na przykład podczas przyspieszania i zwalniania. Podobnie jak w przypadku serwomechanizmów, prąd pobierany przez te silniki krokowe w danym momencie jest proporcjonalny do rzeczywistego wymaganego momentu obrotowego. Ponieważ silnik i zintegrowana elektroniczna płytka sterująca pracują chłodniej, silniki krokowe VIC mogą osiągać wyższe momenty szczytowe porównywalne z serwosilnikami.
Nawet przy dużych prędkościach silniki krokowe VIC wymagają mniejszego prądu
Dzięki postępowi w technologii pętli zamkniętej silniki krokowe mogą znaleźć zastosowanie w aplikacjach wymagających dużej wydajności i prędkości, które wcześniej były dostępne wyłącznie dla silników serwo
Silniki krokowe z technologią pętli zamkniętej
A co, jeśli zalety technologii serwomechanizmów z zamkniętą pętlą dałoby się zastosować w silnikach krokowych?
Czy moglibyśmy osiągnąć wydajność porównywalną z silnikami serwo, a jednocześnie skorzystać z zalet silników krokowych pod względem kosztów?
Łącząc technologię sterowania w pętli zamkniętej, silnik krokowy stałby się wszechstronnym produktem, łączącym zalety serwosilników i silników krokowych, przy niskiej cenie. Ponieważ silniki krokowe w pętli zamkniętej oferują znaczną poprawę wydajności i efektywności energetycznej, mogą zastąpić droższe serwosilniki w coraz większej liczbie zaawansowanych zastosowań.
Poniżej przedstawiono przykład zintegrowanego silnika krokowego VIC ze sterowaniem w pętli zamkniętej, mający na celu wyjaśnienie działania oraz zalet i wad silników krokowych z technologią pętli zamkniętej.
Dokładnie dopasowane wymagania dotyczące wydajności
Aby zapewnić moment obrotowy wystarczający do pokonania zakłóceń i uniknięcia utraty kroku, silniki krokowe z pętlą otwartą zazwyczaj muszą zapewnić moment obrotowy o co najmniej 40% wyższy niż wartość wymagana przez aplikację. Silniki krokowe z pętlą zamkniętą nie mają tego problemu. Gdy silniki te utkną z powodu przeciążenia, będą nadal utrzymywać obciążenie bez utraty momentu obrotowego. Będą kontynuować pracę po ustąpieniu stanu przeciążenia. Maksymalny moment obrotowy może być zagwarantowany przy dowolnej prędkości, a czujnik położenia gwarantuje brak utraty kroku. Silniki krokowe z pętlą zamkniętą można zatem dokładnie określić tak, aby odpowiadały wymaganiom momentu obrotowego danej aplikacji, bez potrzeby dodatkowego 40% marginesu.
W przypadku silników krokowych z otwartą pętlą trudno jest spełnić wysokie wymagania dotyczące momentu obrotowego ze względu na ryzyko utraty kroków. W porównaniu z konwencjonalnymi silnikami krokowymi, silniki krokowe VIC z zamkniętą pętlą zapewniają bardzo szybkie przyspieszenie, niski poziom hałasu i niski rezonans. Mogą pracować w znacznie szerszym paśmie i osiągać doskonałą wydajność.
Brak szafki
Toda integruje płytę sterującą napędem z silnikiem, redukując ilość okablowania i upraszczając rozwiązanie wdrożeniowe. Dzięki Toda możesz budować maszyny bez szaf sterowniczych.
Integracja elektroniki z silnikami krokowymi zmniejsza złożoność
Dzięki technologii pętli zamkniętej, silniki krokowe z zamkniętą pętlą oferują użytkownikom doskonałą dokładność i wydajność, łącząc wydajność serwosilnika z niskim kosztem silnika krokowego. Tańsze silniki krokowe stopniowo wkraczają do zastosowań, które w innym przypadku byłyby zdominowane przez drogie serwosilniki.
Czas publikacji: 10 kwietnia 2023 r.