Низковольтные шаговые и сервоприводы постоянного тока предлагают инновационные и компактные варианты для многих применений управления движением, традиционно выполняемых сервоприводами переменного тока.

Кевин Ву
Менеджер по маркетингу продукта
Промышленность Siemens

В не столь отдаленном прошлом промышленные предприятия были ограничены в типах двигателей, которые они могли устанавливать на производственных линиях. Однако сегодня их выбор быстро расширяется, что позволяет инженерам выбирать двигатели и приводы, особенно подходящие для каждого применения.

Двигатели, приводимые в действие переменным током (ac), больше не являются единственным надежным вариантом для промышленного управления движением, поскольку достижения в области шаговых двигателей и сервоприводов постоянного тока (dc) обеспечивают надежные альтернативы.

На многих производственных площадках для питания привода легко доступно питание от сети переменного тока, хотя это не всегда так. Когда вместо этого требуется низковольтный постоянный ток, доступны варианты двигателя и привода. В то время как многие традиционные приводы постоянного тока сверхнизкого напряжения не справляются с суровыми условиями эксплуатации, современные высокопроизводительные приводы меняют эту ситуацию к лучшему.

Шаговые приводы против сервоприводов
Разрыв в области применения между шаговыми и серводвигателями и приводами быстро сокращается, поскольку достижения в области точности шаговых приводов значительно повышают их удобство использования. Однако ключевые различия между ними по-прежнему исключают использование степперов в самых требовательных приложениях.

Некоторые ключевые особенности шаговых двигателей заключаются в том, что они:

Несмотря на то, что современные шаговые двигатели технически дискретны из-за их постепенных перемещений с каждым последовательным импульсом, количество полюсов на оборот приближается к показателям аналогового непрерывного позиционирования и скорости. Это делает шаговые двигатели жизнеспособной альтернативой сервоприводам во многих приложениях. Кроме того, включение коробки передач рядом с двигателем часто может уменьшить проблемы с крутящим моментом, хотя это увеличивает стоимость системы и требования к техническому обслуживанию, снижая два главных преимущества шаговых двигателей.

С другой стороны, некоторые общие характеристики серводвигателя включают в себя то, что они:

В отличие от шаговых двигателей с импульсами фиксированной длины, сервоприводы обеспечивают истинное непрерывное позиционирование и скорость, поскольку их датчики или преобразователи модулируют длительность импульса и ток, подаваемый на полюса, обеспечивая высокоточное управление движением. Хотя сервоприводы часто рекомендуются для использования в приложениях с высокими ставками, высокая надежность современных промышленных шаговых двигателей делает их приемлемым выбором и во многих требовательных областях применения.

Ограничения переменного тока
В то время как частотно-регулируемые приводы переменного тока среднего и высокого напряжения (VFD) и сервоприводы удовлетворяют многие потребности на типичном заводе, питание от сети переменного тока иногда недоступно или неприемлемо для определенных применений. Несколько сценариев, в которых это применимо, включают:

Особый интерес представляет возрастающая роль коботов, роботов и машин в системах, контактирующих с человеком. В области медицины роботы проводят сканирование состояния здоровья и помогают при операциях, маневрируя в том же пространстве, что и люди. Автоматизация продуктовых магазинов и системы доставки без водителя, такие как доставка пиццы, управляют транспортными средствами с автоматическим управлением в местах, где ходят люди. И многие другие отрасли промышленности также внедряют аналогичные машины с тесным взаимодействием с человеком.

Эти и другие проблемы делают необходимым безопасное и точное управление движением машины при одновременном ограничении электрического напряжения в этих системах.

Кроме того, в некоторых областях применения низковольтные приводы и двигатели постоянного тока приносят пользу даже при отсутствии контакта с человеком или других вышеупомянутых условиях. Традиционные приводы переменного тока могут быть сложными в настройке, и многие из них относительно большие. Кроме того, двигатели переменного тока не так эффективны, как двигатели постоянного тока, даже на полной скорости.

Но многие приводы постоянного тока, представленные на рынке, не обладают надежностью традиционных промышленных приводов переменного тока. Независимо от конфигурации питания, персонал завода не может довольствоваться электронными компонентами потребительского класса, поскольку для обеспечения максимального времени безотказной работы требуются надежные промышленные приводы.

Управление движением с помощью шаговых двигателей постоянного тока и сервоприводов
Для персонала завода, сталкивающегося с этими проблемами при выборе двигателя и привода, современные низковольтные шаговые двигатели постоянного тока и сервоприводы часто являются лучшим решением. При использовании в одноосных или многоосевых системах с двигателями постоянного тока напряжением от 24 до 48 вольт эти приводы безопаснее для эксплуатации в непосредственной близости от людей, чем альтернативы переменного тока более высокого напряжения, и они обеспечивают быстрое ускорение и замедление. Они также могут использоваться в приложениях с питанием от аккумулятора, и в отличие от приводов потребительского класса, они имеют промышленную закалку, позволяющую выдерживать экстремальные температуры, вибрацию и электрические помехи.

Эти компактные приводы просты в настройке даже для неспециалистов, благодаря пошаговым инструкциям в их интегрированных пакетах программного обеспечения автоматизации для настройки наряду с ПЛК, HMI и другими устройствами автоматизации. ПЛК, взаимодействующий с приводом, управляет движением двигателя с помощью встроенных в программное обеспечение технологических объектов для бесшовной интеграции с остальной системой автоматизации.

При использовании в системах безопасности инженеры могут воспользоваться встроенной функциональностью STO низковольтных шаговых приводов для непосредственного отключения подачи энергии на двигатель, создающей крутящий момент или усилие. Кроме того, сервоприводы постоянного тока обеспечивают безопасность благодаря настраиваемым SLT и SLS.

Эти низковольтные приводы постоянного тока обеспечивают интерфейс сбора данных о двигателе, позволяющий совместимым контроллерам обрабатывать состояние двигателя и действовать в соответствии с настройками среды программирования. Обмен данными происходит по встроенному протоколу связи приводов, такому как PROFINET, и приводы могут использовать эти данные для команд управления движением непосредственно в ПЛК или передавать их в другое место для дополнительного анализа.

Современные низковольтные шаговые приводы имеют мощность от 100 до 1000 Вт и подходят для широкого спектра применений с переменной скоростью, позиционированием, синхронной осью и зубчатыми передачами. Несколько примеров включают:

Кроме того, шаговые приводы и двигатели постоянного тока содержат относительно мало компонентов, что упрощает техническое обслуживание. Преимущество серводвигателей постоянного тока с электронной коммутацией заключается в отсутствии изнашиваемых деталей, таких как вентиляторы или щетки, что помогает им работать в течение длительного периода времени при минимальных затратах на техническое обслуживание, даже при использовании с энкодером или преобразователем.

Результаты
Одним из примеров успешного использования приводов постоянного тока является установка магнитно-резонансной томографии, где инженерный персонал установил низковольтный привод постоянного тока Siemens F-TM StepDrive для обеспечения точного, безопасного и автоматического позиционирования кровати пациента для медленного и безопасного перемещения его в камеру визуализации. Во время работы система собирала и обрабатывала данные о двигателе, такие как ток и крутящий момент, обеспечивая безопасность пациента на протяжении всего процесса визуализации.

Одним из основных факторов, побудивших центр визуализации выбрать StepDrive, было требование к низкому напряжению для безопасной и надежной работы из-за непосредственной близости к пациентам. Предварительно проверенные объекты технологии управления движением в ПЛК Siemens S7 сократили время разработки приложения, в то время как использование коммуникационного протокола PROFIsafe плюс встроенная функциональность STO повысило уверенность в интегрированных функциях безопасности всей системы.

В другом случае производитель бумажной продукции установил на своем предприятии на сортировочной линии сервопривод F-TM для управления роботами, раскладывающими продукцию по соответствующим лоткам для хранения или погрузки в грузовик. Привод хорошо зарекомендовал себя в этом приложении благодаря низкому энергопотреблению, а также точному регулированию крутящего момента и скорости для точного и эффективного размещения продукта.

Используя программный комплекс Siemens TIA Portal integrated automation, производитель спроектировал и запрограммировал всю систему автоматизации транспортировки и сортировки, включая привод, ПЛК, HMI и сетевое оборудование, с интегрированными функциями безопасности. Затем производитель добавил к изображению анализ облачных данных, легко передав необработанные данные в облако Siemens MindSphere, поскольку все компоненты системы были запрограммированы совместно в общем пакете программного обеспечения. Имея в наличии данные о двигателях с датчиков роботов, производитель настроил расписание для автоматической генерации отчетов, содержащих рекомендуемые действия по техническому обслуживанию и улучшению эксплуатации.

Промышленность Siemens
www.siemens.com