Шаговые двигатели с обратной связью не являются полноценной заменой серводвигателям, но они могут стать надежной альтернативой для многих применений в реальном мире. Эти решения в области проектирования движения повышают производительность станка, не снижая затрат.
Автор: Джим Стивенс • Специалист по продуктам | ПОЗИТАЛ Инк.
Шаговые двигатели являются лучшим выбором для многих систем управления движением и положением. Они доступны в широком диапазоне размеров и значений крутящего момента и значительно дешевле, чем высококачественные серводвигатели. Итак, давайте поговорим о способах повышения производительности шаговых двигателей до уровня серводвигателей за счет добавления устройств обратной связи.
Шаговые двигатели — это бесщеточные электродвигатели постоянного тока, которые совершают дискретные, а не непрерывные вращательные движения. Эти шаговые движения приводятся в действие сдвигами магнитного поля, создаваемыми наборами электромагнитных катушек в статоре. Работа шагового двигателя зависит от контроллер — электронное устройство, которое подает ток на обмотки статора двигателя в последовательности, обеспечивающей пошаговое перемещение. Возможности контроллера оказывают значительное влияние на производительность двигателя.
Существует несколько типов шаговых двигателей, но наиболее распространенные из них отличаются хорошей разрешающей способностью (200 шагов на оборот и выше), а также приемлемым крутящим моментом на низких оборотах, прочной конструкцией, длительным сроком службы и относительно низкой стоимостью. Однако у них есть свои ограничения. При более высоких скоростях вращения выходной крутящий момент снижается, и (при использовании простых контроллеров) шаговые двигатели могут подвергаться высокочастотным вибрациям. Самым большим недостатком является то, что даже в системах позиционирования базовые системы шаговых двигателей работают в режиме разомкнутого контура управления.
Шаговые двигатели реагируют на команды контроллера о перемещении на определенное количество шагов, но не сообщают контроллеру о том, было ли выполнено это движение. Таким образом, если двигатель не выполняет запрошенные шаговые движения, может возникнуть растущее несоответствие между тем, что делает контроллер. предполагает поскольку положение вала двигателя при вращении и истинный положение вала (и любых присоединенных грузов или приводных механизмов). Такие несоответствия возникают, когда крутящий момент двигателя недостаточен для преодоления механического сопротивления, и на самом деле эти несоответствия могут стать серьезной проблемой при высоких оборотах, поскольку в этом случае возможности двигателя по передаче крутящего момента ограничены. Вот почему инженеры—проектировщики часто переоценивают требования к шаговым двигателям — чтобы избежать пропущенных шагов, даже если это приводит к выбору слишком больших и тяжелых шаговых двигателей для всех, кроме самых требовательных, профилей движения.
Другим недостатком является то, что при остановке традиционно используемого шагового двигателя через обмотки двигателя должен протекать ток, чтобы удерживать вал шагового двигателя в нужном положении. Это потребляет электроэнергию и нагревает обмотки двигателя и окружающие их компоненты.
Добавление датчиков в систему шагового двигателя для получения обратной связи по положению вала существенно замыкает контур управления. Добавление этих устройств обратной связи увеличивает общую стоимость системы, но не так сильно, как переход на серводвигатель.
Один из подходов к добавлению обратной связи с энкодером заключается в работе в переместить и проверить режим. В этом случае к хвостовому валу шагового двигателя добавляется простой инкрементальный энкодер. Затем, когда контроллер выдает двигателю пошаговые команды, энкодер непрерывно подтверждает контроллеру, что запрошенные движения выполнены. Если двигатель не выполняет требуемое количество шагов, контроллер может запросить дополнительные шаги, пока двигатель не достигнет заданного положения. Более совершенные контроллеры также увеличивают фазный ток в двигателе, чтобы увеличить крутящий момент для выполнения этих дополнительных шагов.
Датчики, используемые в таких установках для перемещения и проверки, обычно имеют разрешение, кратное 200 позициям за оборот.
Обратите внимание, что установки, использующие режимы перемещения и проверки, могут по-прежнему выигрывать от использования крупногабаритных двигателей, но не в такой степени, как это требуется в простых системах с разомкнутым контуром.
Также обратите внимание, что этот режим может помочь интеллектуальным контроллерам точно настроить ток удержания в двигателе для незначительного повышения эффективности во время остановки, хотя общее потребление энергии по-прежнему остается высоким.
Другим, несколько более сложным вариантом для критически важных систем контроля положения является полностью замкнутый контур управления с использованием многооборотных абсолютных датчиков. Используемые здесь датчики крепятся к хвостовому валу шагового двигателя для контроля:
• Угловое положение шагового двигателя, а также
• Количество полных оборотов шагового двигателя.
В этой конфигурации шаговый двигатель управляется как бесщеточный двигатель постоянного тока (bldc) с большим количеством полюсов, а датчик постоянно передает управляющему устройству информацию о положении. Ток удержания, подаваемый на двигатель, точно соответствует величине, необходимой для поддержания положения в пределах заданного допуска по положению. Шаговый двигатель, управляемый как бесщеточный серводвигатель, является энергоэффективным и менее дорогостоящим, чем настоящий серводвигатель bldc. Итак, почему бы не использовать недорогие шаговые двигатели для всех применений сервоприводов bldc?
Что ж, шаговые двигатели, используемые в сервосистемах с замкнутым контуром, имеют физические ограничения, которых нет в настоящих сервомоторах BLDC. Более конкретно, шаговые двигатели, работающие таким образом, по сути, работают как 50-полюсные бесщеточные двигатели, поэтому они не могут достигать оборотов, возможных при использовании серводвигателей. Кроме того, роторы шаговых двигателей обладают большей инерцией, чем у обычных серводвигателей bldc эквивалентной мощности, поэтому не могут обеспечивать такое же ускорение.
Когда шаговый двигатель используется в режиме постоянного тока, энкодер выполняет жизненно важную функцию коммутация функция — информирование о точном вращательном положении вала двигателя, что, в свою очередь, позволяет контроллеру запитывать соответствующий набор электромагнитов статора для непрерывного вращения по мере необходимости. Кроме того, прецизионные абсолютные датчики также могут помочь усовершенствованным контроллерам микрошага в точной настройке фазного тока для уменьшения звона (вибрации), возникающего в более простых системах с шаговыми двигателями.
Правильный выбор энкодера для шаговой конструкции
Как уже упоминалось выше, простой инкрементные энкодеры может быть эффективным, если шаговый двигатель используется в режиме перемещения и проверки. Инкрементные энкодеры также поддерживают управление скоростью, хотя шаговые двигатели обычно не являются лучшим выбором для непрерывной работы на постоянных скоростях.
Абсолютные энкодеры Датчики, которые сообщают о вращательном положении вала, превосходно подходят для определения критических осей позиционирования. Они выпускаются в автономном исполнении (с собственным закрытым корпусом и валом) или в виде комплекта. Вот в чем разница:
• Для подключения автономных энкодеров к валу двигателя требуется какая-либо соединительная муфта.
• В отличие от этого, комплектные или модульные энкодеры встраиваются производителем оборудования в двигатель или приводной механизм для измерения вращательного движения непосредственно от приводного вала. Эти комплектные энкодеры могут быть встроены в корпус двигателя или прикреплены снаружи к торцевому раструбу двигателя.
Абсолютные магнитные энкодеры, которые измеряют обороты с помощью набора датчиков на основе эффекта Холла, являются лучшим вариантом для управления шаговыми двигателями с обратной связью. Доступные как в отдельном исполнении, так и в виде комплекта, они прочны и относительно нечувствительны к пыли, влаге и другим загрязнениям, а также просты в монтаже. Магнитные энкодеры, которые изготавливаются в виде комплекта, состоят из электронного блока (смонтированного на небольшой печатной плате) и небольшого блока с постоянными магнитами, прикрепленного к вращающемуся валу. Для особо компактных двигателей доступны миниатюрные версии этих датчиков в автономном исполнении (с наружным диаметром до 22 мм).
Многовитковые магнитные энкодеры позволяет отслеживать количество полных оборотов двигателя. Такие датчики полезны для управления двигателями, приводящими в движение нагрузки с помощью редукторов, червячных передач и кабельных барабанов. Счетчик оборотов для этих устройств построен на датчике Wiegand, который определяет количество полных оборотов и обеспечивает питание схемы счетчика. Это гарантирует, что счетчик оборотов всегда будет точным, даже если повороты происходят при отключенном питании системы.
Энкодеры для комплекта с полым валом использование емкостных измерений может быть полезным в тех случаях, когда предпочтительнее устанавливать устройство для измерения вращения на приводной части более крупных двигателей. Они доступны с многооборотными диапазонами измерений и центральными отверстиями 30 и 50 мм.
Позитал Инк. | www.posital.com
Вам также может понравиться:
Свежие комментарии