Zamknięta pętlasilniki krokowezmieniły stosunek wydajności do kosztów w wielu aplikacjach sterowania ruchem. Sukces silników progresywnych VIC z zamkniętą pętlą otworzył również możliwość zastąpienia kosztownych silników serwo niedrogimisilniki krokoweW coraz większej liczbie zaawansowanych zastosowań automatyki przemysłowej postęp technologiczny zmienia stosunek wydajności do kosztów między 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 reakcja dynamiczna. Silniki krokowe są bardziej odpowiednie do zastosowań o niższych prędkościach, niskim lub średnim przyspieszeniu i wysokim momencie trzymania.
Jaka jest więc podstawa tej konwencjonalnej mądrości na temat silników krokowych i serwomotorów? Przeanalizujmy to bardziej szczegółowo poniżej.
1. Prostota i cena
Silniki krokowe są nie tylko tańsze od silników serwo, ale także prostsze w uruchomieniu i konserwacji. Silniki krokowe są stabilne w stanie spoczynku i utrzymują swoją pozycję (nawet przy obciążeniach dynamicznych). Jednak jeśli w niektórych zastosowaniach wymagana jest wyższa wydajność, należy użyć droższych i bardziej złożonych silników serwo.
2. Struktura
Silniki krokoweobracać w sposób krokowy, używając cewek magnetycznych do stopniowego przeciągania magnesu z jednej pozycji do drugiej. Aby przesunąć silnik o 100 pozycji w dowolnym kierunku, obwód wymaga wykonania 100 operacji krokowych na silniku. Silniki krokowe wykorzystują impulsy do osiągania przyrostowych ruchów, umożliwiając precyzyjne pozycjonowanie bez użycia czujników sprzężenia zwrotnego.
Metoda ruchu serwomotoru jest inna. Łączy on czujnik położenia - tj. enkoder - z wirnikiem magnetycznym i stale wykrywa dokładną pozycję silnika. Serwomotor monitoruje różnicę między rzeczywistą pozycją silnika a pozycją zadaną i odpowiednio dostosowuje prąd. Ten zamknięty układ utrzymuje silnik w prawidłowym stanie ruchu.
3. Prędkość i moment obrotowy
Różnica w osiągach silników krokowych i serwomotorów wynika z odmiennych rozwiązań konstrukcyjnych silnika.Silniki krokowemają znacznie większą liczbę biegunów niż serwomotory, więc pełny obrót silnika krokowego wymaga znacznie większej liczby wymian prądu uzwojenia, co skutkuje gwałtownym spadkiem momentu obrotowego przy rosnących prędkościach. Ponadto, jeśli zostanie osiągnięty maksymalny moment obrotowy, silnik krokowy może utracić funkcję synchronizacji prędkości. Z tych powodów, serwomotory są preferowanym rozwiązaniem w większości zastosowań o dużej prędkości. Natomiast większa liczba biegunów silnika krokowego jest korzystna przy niższych prędkościach, gdy silnik krokowy ma przewagę momentu obrotowego nad serwomotorem tej samej wielkości.
W miarę wzrostu prędkości moment obrotowy silnika krokowego maleje
4. Pozycjonowanie
Istnieją istotne różnice między silnikami krokowymi a serwosilnikami w zastosowaniach, w których dokładne położenie maszyny musi być znane przez cały czas. W zastosowaniach ruchu w pętli otwartej sterowanych przez silniki krokowe, układ sterowania zakłada, że silnik zawsze znajduje się w prawidłowym stanie ruchu. Jednak po napotkaniu problemu, takiego jak zatrzymanie silnika z powodu zablokowanego komponentu, sterownik nie jest w stanie poznać rzeczywistego położenia maszyny, co może prowadzić do utraty położenia. Zamknięty układ pętli samego serwosilnika ma zaletę: jeśli zostanie zablokowany przez obiekt, wykryje to natychmiast. Maszyna przestanie działać i nigdy nie będzie w nieodpowiedniej pozycji.
5. Zużycie ciepła i energii
Silniki krokowe z otwartą pętlą wykorzystują stały prąd i wydzielają dużo ciepła. Sterowanie z zamkniętą pętlą dostarcza tylko prąd wymagany do pętli prędkości, a zatem unika problemu nagrzewania się silnika.
Podsumowanie porównania
Systemy sterowania serwo najlepiej nadają się do szybkich zastosowań wymagających dynamicznych zmian obciążenia, takich jak ramiona robotów. Z drugiej strony systemy sterowania krokowego są bardziej odpowiednie do zastosowań wymagających niskiego do średniego przyspieszenia i wysokiego momentu trzymającego, takich jak drukarki 3D, przenośniki, podosie itp. Ponieważ silniki krokowe są tańsze, mogą obniżyć koszt systemów automatyki, gdy są używane. Systemy sterowania ruchem, które muszą wykorzystać cechy 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 silnika prądu stałego bezszczotkowego i może wykonywać sterowanie pętlą położenia, sterowanie pętlą prędkości, sterowanie DQ i inne algorytmy. Jednoobrotowy enkoder absolutny jest używany do komutacji pętli zamkniętej, zapewniając w ten sposób optymalny moment obrotowy przy każdej prędkości.
Niskie zużycie energii i utrzymanie chłodu
Silniki krokowe VIC są wysoce energooszczędne. W przeciwieństwie do silników krokowych z otwartą pętlą, które zawsze działają na pełnym poborze prądu i powodują problemy z ciepłem i hałasem, prąd zmienia się zgodnie z rzeczywistymi warunkami ruchu, na przykład podczas przyspieszania i zwalniania. Podobnie jak w przypadku serwomechanizmów, prąd pobierany przez te silniki krokowe w dowolnym momencie jest proporcjonalny do rzeczywistego wymaganego momentu obrotowego. Ponieważ silnik i zintegrowana elektroniczna płyta sterownicza działają chłodniej, silniki krokowe VIC mogą osiągać wyższe momenty szczytowe porównywalne z silnikami serwo.
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, gdyby zalety technologii serwomechanizmów zamkniętych dało się zastosować w silnikach krokowych?
Czy moglibyśmy osiągnąć wydajność porównywalną z silnikami serwo, a jednocześnie skorzystać z zalet ekonomicznych silników krokowych?
Łącząc technologię sterowania w pętli zamkniętej, silnik krokowy stałby się wszechstronnym produktem z zaletami zarówno serwosilników, jak i silników krokowych przy niskich kosztach. Ponieważ silniki krokowe w pętli zamkniętej oferują znaczną poprawę wydajności i efektywności energetycznej, mogą zastąpić droższe silniki serwo w coraz większej liczbie aplikacji o wysokim standardzie.
Poniżej przedstawiono przykład zintegrowanego silnika krokowego VIC ze sterowaniem w pętli zamkniętej, aby wyjaśnić wydajność oraz zalety i wady silników krokowych z technologią pętli zamkniętej.
Dokładnie dopasowane wymagania wydajnościowe
Aby zapewnić wystarczający moment obrotowy do pokonania zakłóceń i uniknięcia utraty kroków, silniki krokowe z otwartą pętlą zazwyczaj muszą zapewnić, że moment obrotowy jest co najmniej o 40% wyższy niż wartość wymagana przez aplikację. Silniki krokowe z zamkniętą pętlą toda nie mają tego problemu. Gdy te silniki krokowe zatrzymają się z powodu przeciążenia, będą nadal utrzymywać obciążenie bez utraty momentu obrotowego. Będą nadal działać po usunięciu stanu przeciążenia. Maksymalny moment obrotowy może być gwarantowany przy dowolnej danej prędkości, a czujnik położenia zapewnia, że nie nastąpi utrata kroku. Silniki krokowe z zamkniętą pętlą można zatem określić tak, aby dokładnie odpowiadały wymaganiom momentu obrotowego odpowiedniej 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 do konwencjonalnych silników krokowych silniki krokowe z zamkniętą pętlą VIC mogą osiągnąć bardzo szybkie przyspieszenie, niski poziom hałasu roboczego i niski rezonans. Mogą pracować przy znacznie większych szerokościach pasma i osiągać doskonałą wydajność.
Brak szafki
Toda integruje płytę sterowania napędem z silnikiem, zmniejszając ilość okablowania i upraszczając rozwiązanie implementacyjne. Dzięki Toda możesz budować maszyny bez szafek.
Zintegrowanie elektroniki z silnikami krokowymi zmniejsza złożoność
Dzięki technologii pętli zamkniętej silniki krokowe pętli zamkniętej oferują użytkownikom doskonałą dokładność i wydajność, z wydajnością serwosilnika i niskim kosztem silnika krokowego. Silniki krokowe o niższym koszcie stopniowo wkraczają do zastosowań, które w przeciwnym razie byłyby zdominowane przez drogie serwosilniki.
Czas publikacji: 10-kwi-2023