Шаговые двигатели и серводвигатели

Шаговые двигатели и сервоприводы можно использовать с приводами Bimba OLE. Это лучшая технология двигателей для управления положением. Выбор того, какой из них использовать, зависит от скорости, крутящего момента, цены и часто времени доставки. Нижеследующее обсуждение объясняет различия между двумя технологиями.

Конструкция шагового двигателя

Шаговые двигатели называются «цифровыми двигателями», потому что они движутся шагами, как стрелки часов. Когда первая катушка находится под напряжением, зубцы ротора совмещаются с зубцами в первой обмотке статора и удерживаются в этом положении. Когда вторая обмотка находится под напряжением, зубцы ротора слегка перемещаются и совмещаются со второй обмоткой статора и удерживаются в этом положении. Общее движение в этом примере составляет один полный шаг.

Обычно на оборот приходится 200 шагов по 1,8 градуса на шаг. Разработка электронных контроллеров шаговых двигателей сделала шаговые двигатели возможными. Электронные устройства должны питать обмотки в нужное время правильным напряжением и током, в нужной фазе и в нужном порядке. Контроллеры эволюционировали, чтобы иметь возможность перемещать шаговые двигатели со скоростью до 20,000 шагов на оборот, обеспечивая в 100 раз более точное движение (0,018 градуса на шаг).

Компоненты системы шагового двигателя

Чтобы понять работу шаговых двигателей, полезно ознакомиться с компонентами системы на основе шагового двигателя.

Двигатель и привод:Рассматривайте двигатель и привод вместе как эквивалент руки. Он не будет двигаться без питания.

• Выход: тяга и скорость движущейся нагрузки.
• Вход: Питание от шагового драйвера.

Привод:Устройство, которое обеспечивает движение мышц руки, называется приводом.

• Выход: обмотки двигателя снабжаются питанием в правильном количестве и в правильной последовательности для перемещения «рычага» привода в желаемом направлении. Приводам требуется источник питания, такой как источник постоянного тока. Выходное напряжение источника постоянного тока передается непосредственно на обмотки двигателя через привод. Ток и напряжение на обмотках двигателя пропорциональны выходному крутящему моменту двигателя и, следовательно, пропорциональны выходной тяге привода. В общем, чем выше напряжение и ток, тем выше тяга. Выше определенной точки увеличение тока приведет только к увеличению температуры обмотки двигателя, но не выходного крутящего момента.
• ВХОД: Принимает импульсы шагового двигателя и команды направления от контроллера. Каждый электронный шаговый импульс изменяет способ подачи питания на обмотки двигателя, что в свою очередь заставляет двигатель поворачиваться на один шаг, что приводит в движение привод.

Контроллер:Представьте себе контроллер как мозг, который управляет мышцами.

• Выходы: импульсы шага и направления подаются на привод. Различные выходы также подаются на ПЛК, включая связь по шинам (RS232, RS485, Ethernet IP, Profibus и т. д.), сигналы на месте, аварийные сигналы и выходы неисправностей.
• Входные данные: Интеллектуальное и систематическое управление входными данными из различных источников.

Магнитные выключатели

Датчики в других местах машины
Программируемые выходы контроллера
Шинная связь от ПЛК
Сигналы энкодера от двигателей

Кодер:Энкодер — это «глаз» системы. Он сообщает контроллеру, были ли выполнены его команды. Контроллер сравнивает импульсы шагового двигателя, которые он посылает приводу, с импульсами, которые он получает от энкодера. Если импульсы, которые он посылает, равны импульсам, которые он получает, контроллер знает, что его команда была выполнена. Если они не равны, контроллер регулирует двигатель, пока не получит правильное количество импульсов энкодера.

Для удобства обсуждения блок-схема системы удобно разделяет все функциональные компоненты. Производители часто объединяют функции. Например, контроллеры часто имеют встроенные приводы, а некоторые имеют встроенные блоки питания. Некоторые двигатели имеют встроенные энкодеры, а некоторые имеют встроенные приводы и контроллеры. Некоторые ПЛК имеют встроенные контроллеры.

Производительность шагового двигателя
Шаговые двигатели имеют неотъемлемое преимущество:

• Шаговые двигатели являются наименее затратной технологией двигателей с позиционным управлением.
• Шаговые двигатели могут использоваться в открытом контуре без необходимости использования энкодера.
• Шаговые двигатели обеспечивают очень высокий крутящий момент на низких скоростях.
• Доступны размеры рам NEMA со стандартизированными диаметрами крепления и вала.

Шаговые двигатели имеют свои недостатки:

• В то время как шаговые двигатели обеспечивают высокий крутящий момент на низких скоростях, выходной крутящий момент быстро уменьшается с увеличением скорости.
• Шаговые двигатели могут рассинхронизироваться, то есть не синхронизироваться с импульсами шагового двигателя, поступающими от контроллера. Другими словами, импульсы шагового двигателя от контроллера преобразуются в электрическую энергию для обмоток двигателя, но двигатель не вращается. Это происходит, когда крутящий момент, необходимый для перемещения нагрузки, превышает крутящий момент двигателя на желаемой скорости. Чтобы избежать этой проблемы:
• Увеличьте размер двигателя. Выберите размер двигателя, чтобы обеспечить крутящий момент, вдвое превышающий максимальный требуемый крутящий момент.
• Уменьшите скорость до точки, при которой крутящий момент двигателя будет достаточным.
• Увеличьте напряжение на обмотках двигателя (большая мощность).
• Увеличьте ток в обмотках двигателя (большая мощность).
• Используйте энкодер для контроля положения и исправления пропущенных шагов.
• Трудно синхронизировать, поскольку исправление ошибок выполняется в конце хода, а не непрерывно в реальном времени.
   

Конструкция серводвигателя
По определению, сервопривод — это любое устройство с обратной связью. Серводвигатели имеют катушки на статоре, которые активируются сервоприводом или усилителем в последовательности, которая заставляет магнитный ротор вращаться (вращаться). Для того чтобы контроллер мог определить, какую обмотку активировать следующей, он должен знать текущее положение ротора. Это измерение выполняется с помощью датчиков Холла или двухфункциональных энкодеров.

Компоненты системы серводвигателя
Блок-схема сервосистемы такая же, как и у шагового двигателя, хотя компоненты технически отличаются. Сервоусилители функционально эквивалентны драйверам шаговых двигателей. Как и в случае с шаговыми двигателями, функции обычно комбинируются производителем.

Характеристики серводвигателя
Сервоприводы имеют неотъемлемое преимущество:

• Высокоскоростной
• Высокое ускорение
• Высокая точность
• Более высокий крутящий момент на более высоких скоростях
• Несколько двигателей можно легко синхронизировать (коррекция ошибок в реальном времени)

Сервоприводы имеют свои недостатки:

• Более сложная система, чем шаговые двигатели
• Двигатель должен быть настроен для оптимальной производительности
• Более дорогая система, чем шаговые двигатели
• Меньший крутящий момент на самых низких скоростях, чем у шаговых двигателей
• Нестандартная геометрия крепления (зависит от производителя) и диаметр вала
• Меньший крутящий момент на низких скоростях, чем у шаговых двигателей эквивалентного размера
   

Последствия использования с электрическими приводами
Какая бы технология ни использовалась, она должна соответствовать конструкции привода.

• Низкоскоростной сервопривод может не обеспечить тех же низкоскоростных характеристик привода, что и шаговый двигатель.
• Замена шагового двигателя на сервопривод в том же приводе не обязательно приведет к увеличению тяги на более высоких скоростях, поскольку другие компоненты привода могут ограничивать производительность.

В зависимости от применения, каждая из двух технологий двигателей имеет свои преимущества. Следующая таблица может быть использована в качестве руководства.