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

Шаговый двигатель с разомкнутым контуром в сравнении с системами шаговых двигателей с замкнутым контуром

Преобразователи частоты

Джефф Кордик, технический директор • Applied Motion Products Inc. || Системы шаговых двигателей являются основой индустрии управления движением. Мы рассмотрим различия между системой с разомкнутым контуром и системой с замкнутым контуром, а также объясним последние разработки повышение скорости работы систем шаговых двигателей, тише и энергоэффективнее, чем когда-либо прежде.

Системы шаговых двигателей прошли долгий путь с первых дней появления приводов напряжения и полного пошагового управления. Сначала появились ШИМ-приводы и микрошаговые устройства, а затем цифровые сигнальные процессоры (DSP) и антирезонансные алгоритмы. Теперь новая шаговая технология с замкнутым контуром гарантирует, что шаговые двигатели останутся краеугольным камнем индустрии управления движением на долгие годы.

Независимо от того, является ли движение линейным или вращательным, два главных фактора, определяющих, какой двигатель и приводные системы являются наиболее подходящими, — это крутящий момент и эффективность. Это применимо независимо от того, является ли конечное применение автоматизированной сборочной системой, машиной для обработки материалов, 3D-принтером, декартовым позиционером, перистальтическим насосом или одним из бесчисленных других применений, в которых шаговые двигатели являются предпочтительной технологией.

Новейшей разработкой в области шаговых систем является применение недорогих устройств обратной связи с высоким разрешением и усовершенствованных DSP для замыкания цикла на шаговом движении. Такие элементы управления повышают производительность шаговых двигателей с замкнутым контуром, превосходя системы с разомкнутым контуром. Как мы увидим, одна из таких систем с замкнутым контуром реализуется на основе интегрированной конструкции двигателя, которая включает в себя устройство обратной связи, платы драйвера и контроллера, электронику питания, связи и ввода-вывода, а также системные разъемы на боковой и задней панели двигателя.

Шаговые системы с разомкнутым контуром против шаговых систем с замкнутым контуром
Сначала давайте рассмотрим, как высокопроизводительные шаговые системы с замкнутым контуром сравниваются с традиционными шаговыми системами с разомкнутым контуром с точки зрения крутящего момента и эффективности.

Шаговые системы с замкнутым контуром обладают более высокой производительностью по сравнению с установками с разомкнутым контуром, что продемонстрировано результатами лабораторных испытаний, сравнивающих ускорение (крутящий момент), эффективность (энергопотребление), ошибку положения (точность), тепловыделение и уровни шума. Просто рассмотрим взаимосвязь между крутящим моментом и ускорением. Кривые крутящий момент-скорость показывают пиковый и непрерывный диапазоны крутящего момента шаговой системы с замкнутым контуром наряду с диапазоном полезного крутящего момента шаговой системы с разомкнутым контуром. Очень часто крутящий момент в реальном мире преобразуется в ускорение — поэтому двигатели с большим крутящим моментом могут быстрее разгонять заданную нагрузку.

Чтобы проверить эту разницу в характеристиках крутящего момента в лаборатории, системы шаговых двигателей с разомкнутым и замкнутым контурами одинакового размера получают одинаковые инерционные нагрузки. Программирование позволяет двум системам выполнять идентичные профили перемещения, за исключением того, что скорость ускорения и максимальная скорость медленно увеличиваются в каждой системе до тех пор, пока они не допустят ошибок позиционирования.

Допустим, что система с разомкнутым контуром получает максимальную скорость ускорения 1000 об/сек2 и максимальная скорость 10 об/сек (600 об/мин). Эта максимальная скорость в 10 об/сек соответствует тому месту, где заканчивается плоская часть кривой крутящий момент-скорость. Система с замкнутым контуром (благодаря своей более высокой способности генерировать крутящий момент) обеспечивает максимальную скорость разгона 2000 об/сек2 и максимальная скорость 20 об/сек (1200 об/мин). Это вдвое повышает производительность системы с разомкнутым контуром и сокращает время перемещения почти вдвое — со 110 мс до 60 мс.

Для приложений, требующих высокой производительности (таких как индексация, позиционирование по направляющим кромкам и системы подбора и размещения), система замкнутого цикла обеспечивает явное преимущество в производительности.

Чтобы измерить относительную эффективность системы с разомкнутым контуром по сравнению с системой с замкнутым контуром, предположим, что мы повторяем тот же тест с теми же двумя двигателями одинакового размера. На этот раз двигатели с замкнутым и разомкнутым контурами работают бок о бок с одинаковыми инерционными нагрузками, но при этом выполняется программирование, которое поддерживает профили перемещения постоянными и равными, так что обе системы выполняют одинаковый объем работы.

В то время как два двигателя многократно индексируют один и тот же профиль перемещения, измеряется потребляемый ток от источника постоянного тока, питающего две системы, и рассчитывается потребляемая мощность. Как видно из графиков значений, средняя потребляемая мощность шаговой системы с разомкнутым контуром составляет 43,8 Вт, в то время как мощность системы с замкнутым контуром составляет всего треть от этой величины — в среднем 14,2 Вт. Эта разительная разница в энергопотреблении ясно показывает более высокую эффективность работы системы с замкнутым контуром. Любой пользователь, желающий повысить эффективность своей шаговой системы с разомкнутым контуром, теперь может рассмотреть простой переход на систему с замкнутым контуром и рассчитывать на значительно меньшее потребление.

Естественным продолжением тестов на энергопотребление является исследование нагрева двигателя. Шаговые системы с разомкнутым контуром — это простые звери. Достаточно просто настроить привод на номинальный ток двигателя, и привод сделает все возможное, чтобы постоянно подавать этот ток на двигатель, независимо от того, нужен результирующий крутящий момент или нет. Это часто приводит к выделению тепла вместо энергии для прикладной функции — и является причиной того, что шаговые системы с разомкнутым контуром обычно работают горячее, чем аналоги с замкнутым контуром. Это также означает, что разработчики машин должны предпринять дополнительные шаги для борьбы с этим нагревом, часто путем установки специальных ограждений вокруг шаговых двигателей, которые будут работать в непосредственной близости от людей-операторов, или путем установки дополнительных систем охлаждения, таких как вентиляторы.

Рассмотрим результаты испытания двигателя на нагрев, проведенного в лаборатории с использованием тех же систем с разомкнутым и замкнутым контурами, что и выше. В этом испытании две системы снова производят одинаковый объем работы, управляя одними и теми же инерционными нагрузками, и им разрешается работать до тех пор, пока они не достигнут теплового равновесия. Система с разомкнутым контуром достигает температуры корпуса 76,0 ° C, в то время как система с замкнутым контуром достигает теплового равновесия при температуре корпуса всего 36,9 °C — менее половины температуры системы с разомкнутым контуром. Это значительное сокращение нагрева двигателя может означать снижение затрат на компоненты для машиностроителей, поскольку они могут отказаться от дополнительных защитных и охлаждающих подсистем.

Еще одна распространенная жалоба на шаговые системы с разомкнутым контуром заключается в том, что они, как известно, издают довольно много слышимого шума. В определенных условиях, таких как лаборатории, больницы и офисы, этот шум может представлять реальную проблему для разработчиков машин.

Шум, издаваемый шаговыми двигателями, возникает из-за высокой электрической частоты и быстрых изменений потока в зубьях статора, а также из-за того, что системы с разомкнутым контуром работают на полном номинальном токе независимо от нагрузки. С другой стороны, шаговые системы с замкнутым контуром подают на двигатель ток, достаточный для управления нагрузкой, и это приводит к гораздо меньшему слышимому шуму.

Для получения результатов испытаний, показанных на графике акустического шума, прилагаемом к этой статье, акустический шум каждой системы измеряется в звуконепроницаемой камере. Система с замкнутым контуром значительно тише, чем вариант с разомкнутым контуром, при скоростях от 0 до 20 об/сек. Этот диапазон скоростей совпадает с реальным диапазоном скоростей приложений, где чаще всего используются системы шаговых двигателей, а это означает, что подавляющее большинство приложений с шаговыми двигателями могли бы извлечь выгоду из снижения шума двигателя при переходе на системы с замкнутым контуром.

Системы шаговых двигателей с разомкнутым контуром ценятся за их способность точно позиционировать грузы без механизма обратной связи или системы управления с замкнутым контуром, но только в том случае, если система с разомкнутым контуром имеет достаточный запас крутящего момента, чтобы ошибки позиционирования не возникали при нормальной работе. Для повышения точности и для более надежной конструкции системы замыкание контура положения сервопривода на обратную связь от датчика высокого разрешения позволяет системам с замкнутым контуром автоматически компенсировать увеличение требуемого крутящего момента, которое в противном случае привело бы к ошибкам положения в системах с разомкнутым контуром. Это значительно повышает общую точность системы, особенно для высокодинамичных приложений, таких как системы подбора и размещения и 3D-принтеры, где требуются короткие, быстрые перемещения и частая смена направления.

Из компонентов интегрированной системы шагового двигателя затраты на двигатель, усилитель мощности и связь, как правило, не увеличиваются при переходе от разомкнутого контура к замкнутому. Управляющей электронике может потребоваться немного больше центральной вычислительной мощности или памяти для сервоуправления двигателем, но обычно это не влияет на цены по прейскуранту. Значительная разница в стоимости между шаговыми системами с разомкнутым контуром и замкнутым контуром заключается в добавлении устройства обратной связи с высоким разрешением, но усовершенствования в производстве сделали эти устройства все более доступными. Таким образом, теперь шаговые системы с замкнутым контуром сохраняют экономические преимущества шаговых систем с разомкнутым контуром по сравнению с другими типами систем позиционирования, такими как традиционные сервоприводы, но при этом значительно повышают производительность практически во всех отношениях. Как правило, экономия энергии и увеличение пропускной способности системы с замкнутым контуром быстро окупают небольшое увеличение стоимости устройства обратной связи.

В дополнение к минимальному увеличению затрат, переход от шаговой системы с разомкнутым контуром к системе с замкнутым контуром упрощается благодаря предложениям NEMA frame size. Шаговый двигатель NEMA 23 с замкнутым контуром имеет тот же размер рамы, направляющий диаметр, окружность отверстия для болта и диаметр отверстия для болта, что и шаговый двигатель NEMA 23 с разомкнутым контуром, поэтому монтажные кронштейны остаются прежними. Больший крутящий момент, обеспечиваемый системой с замкнутым контуром, означает, что диаметр вала шагового двигателя с замкнутым контуром может быть больше, но обычно это довольно легко решается простой заменой муфты вала.

Технология шагового двигателя с замкнутым контуром StepSERVO является продуктом Applied Motion Products. В количественных примерах этой функции использовались встроенные двигатели с замкнутым контуром StepSERVO. Получите полные результаты лабораторных тестов, описанных в этой статье, на www.applied-motion.com/stepservo-white-paper.

Информация о перепечатке >>||Applied Motion Products Inc. •www.applied-motion.com