600007 г. Владимир, ул. 16 лет Октября, д. 68А, литер "Ф", этаж 2, помещение 12
+7 (4922) 53-10-31
info@skb-proton.ru

Шаговые двигатели делают шаг в правильном направлении

Преобразователи частоты

Поскольку шаговые двигатели относительно недороги и просты в управлении, они часто являются первым вариантом, который следует учитывать при проектировании машин. Недорогие решения имели ограничения по производительности, но новая технология управления существенно расширяет возможности шаговых двигателей.

Шаговые двигатели с годами превратились из первых в мире цифровых двигателей в универсальное решение, которое становится все более распространенным по нескольким веским причинам. Одна из причин — простота использования. Шаговые двигатели предназначены для управления с помощью двух TTL-переключателей, один для самого шага, а другой для направления движения. Легче от этого не становится. В век цифровых средств управления это идеальный способ управлять перемещением груза. Цифровые импульсы могут быть запрограммированы с предельной точностью и переведены через силовые переключатели MOSFET для передачи крутящего момента, скорости и положения на выходном валу двигателя.

Хотя существуют шаговые двигатели с несколькими различными геометриями шага, наиболее распространенный шаговый двигатель рассчитан на 200 шагов за оборот. В сочетании с ходовым винтом с шагом 5: 1 каждый шаг двигателя обеспечивает линейный ход в одну тысячную дюйма. Это упрощает программирование профилей движения, особенно декартовых координат. Декартово движение можно рассматривать как движение в крестики-нолики по сравнению с рисованием круга или более сложными движениями, которые можно найти на станке с ЧПУ.

Частью низкой стоимости внедрения шаговых двигателей является возможность работы без обратной связи. Применение шагового двигателя надлежащего размера не требует наличия энкодера для замыкания позиционного контура контроллера. Управление шаговым двигателем также относительно простое и недорогое.

Ограничения традиционных шаговых двигателей
Шаговые двигатели делают шаги вместо того, чтобы свободно вращаться, как обычный двигатель, отчасти потому, что в роторе и статоре есть “зубья”, которые легко видны в поперечном сечении стандартного шагового двигателя. Это создает локальное магнитное поле, которое притягивает ротор к относительному положению по окружности статора. Это механическое устройство в сочетании с переключением электромагнитных полей в статоре — вот что создает ступень.

К сожалению, магнитная сила действует подобно пружине, заставляя ротор “звенеть” или слегка колебаться, когда он устанавливается в нужное положение. В высокоскоростных системах время отстаивания — это потраченное впустую время ожидания, пока двигатель перестанет вибрировать, и это время ожидания может ограничить скорость производства. В дополнение к проблемам со временем установки, пружинящий привод может быть подвержен другим проблемам, зависящим от частоты. Если собственная частота в комбинированном роторе и нагрузке возбуждается определенной рабочей скоростью, с которой работает шаговый двигатель, это может привести к нестабильному состоянию, и двигатель потеряет положение. Для обхода такого поведения были созданы различные контрмеры. Все, начиная от добавления инерционной массы, частотных фильтров, электронного демпфирования и даже добавления внешнего энкодера, может быть использовано для минимизации проблем, связанных с частотой.

Микрошаговые системы были созданы для увеличения разрешающей способности двигателя без необходимости полной перестройки механики двигателя. Поскольку шаговый двигатель является двухфазной электрической машиной, можно регулировать ток в каждой фазе и постепенно размещать двигатель между зубьями конструкции двигателя, отсюда и термин «микрошаг». Такой подход к управлению двигателем работает довольно хорошо и стал отраслевым стандартом для повышения плавности хода и разрешения.

Большинство шаговых двигателей работают очень горячими, потому что мощность, проходящая через двигатель, и силовая электроника плохо регулируются. Некоторые контроллеры уменьшили настройки тока, чтобы обеспечить удерживающий момент, когда двигатель не движется, чтобы свести это к минимуму, но идеальная схема регулирования мощности не была найдена.

Несмотря на некоторые особенности технологии, существуют миллионы устройств для панорамирования и наклона камер с приводом от шагового двигателя, которые работают идеально. Существует еще больше принтеров, использующих шаговые двигатели для продвижения бумаги и позиционирования печатающей головки. Но история автомобильной промышленности такова, что всегда существует спрос на более высокую производительность.

Новое решение
Что произошло бы, если бы к шаговому двигателю можно было добавить регулирование тока в замкнутом контуре, как в бесщеточном сервоприводе? Как оказалось, новое сервоуправление Step от Applied Motion Products делает именно это.

Использование регулирования тока по замкнутому контуру означает, что двигатель получает только столько энергии, сколько необходимо для регулирования нагрузки. Если нагрузка не движется, к двигателю почти не поступает мощность. Если нагрузка отклоняется из положения хотя бы на один отсчет энкодера, привод возвращает двигатель в исходное положение. В большинстве случаев нагрев двигателя и цепи привода исключается. Обычно интегрированный двигатель и контроллер требуют некоторого снижения мощности для управления выделяемым теплом, но с новой технологией этот компромисс в значительной степени устранен.

Кроме того, регулирование тока обеспечивает плавность, подобную микрошагиванию. Это происходит потому, что ток в каждой фазе включается и выключается постепенно, а не через прямоугольный “удар” мощности. Плавный синусоидальный скачок тока и синхронизация в каждой фазе обеспечивают электронное средство сглаживания фиксации в шаговом двигателе, которое присутствует в зависимости от его конструкции.

Вместо обычного пониженного пускового или втягивающего момента, составляющего 65-70% от номинального значения шаговых двигателей, шаговое сервоуправление позволяет двигателю выдавать полный крутящий момент на низких оборотах. Это приводит к улучшению ускорения и увеличению инерционной грузоподъемности. Джефф Кордик, технический директор Applied Motion, сказал: “Во многих случаях с умеренными рабочими циклами пользователи могут использовать двигатель и привод следующего меньшего размера из-за улучшенных характеристик как по крутящему моменту, так и по тепловому пределу. Преимущества упаковки сложных систем могут быть действительно значительными с точки зрения размера, веса, рассеивания тепла и, в конечном счете, снижения стоимости”.

Улучшенные тепловые характеристики также делают возможной функцию, называемую повышением крутящего момента. Как следует из названия, приводная электроника может обеспечить больший крутящий момент для запуска и остановки при условии, что общая энергия двигателя в среднем находится в пределах номинальной мощности, на которую он рассчитан; на 50% больший крутящий момент доступен для требовательных ускорений и замедлений без дополнительных затрат.

Управление осью движения в режиме крутящего момента обычно считается исключительной областью щетки постоянного тока и бесщеточного сервопривода. Это ограничение также было устранено в шаговом сервоконтроллере. Поскольку контур тока, или контур крутящего момента, замыкается с чрезвычайно высокой частотой, шаговый двигатель теперь может довольно легко работать в качестве натяжного устройства. Впервые сложными приложениями, связанными с натяжением полотна или проволоки, можно управлять с помощью системы шаговых двигателей.

В настоящее время продукт Step Servo от Applied Motion доступен в виде полностью интегрированного решения в пакете двигатель / привод / обратная связь. Такой подход устраняет затраты и сложность дискретного подключения обмотки двигателя, каналов обратной связи и датчиков, которые обычно требуются при автономном управлении. Любой, кто сталкивался с трудностями устранения неполадок в многоосевой системе управления с “призраками в машине”, знает, что сведение к минимуму дискретных проводных соединений — отличный способ повысить надежность.

Решения с интегрированными шаговыми двигателями доступны уже некоторое время и обеспечивают удобство за счет устранения большого количества проводов. Это удобство достигается за счет снижения номинального крутящего момента двигателя и контроллера из-за тепловых ограничений. В новом шаге Servo верно обратное. Пиковые и непрерывные значения мощности достижимы в зависимости от рабочего цикла нагрузки, что может позволить пользователю перейти на двигатель меньшего размера и выполнить ту же работу.

Информация о перепечатке >>

Применяемые продукты движения
www.applied-motion.com