Стъпкови двигатели и серво мотори

Стъпките и сервоприводите могат да се използват с актуатори Bimba OLE. Те са най-добрата моторна технология за контрол на позицията. Изборът кой да се използва зависи от скоростта, въртящия момент, цената и често времето за доставка. Следващата дискусия обяснява разликите между двете технологии.

Дизайн на стъпков двигател

Стъпковите двигатели се наричат ​​"цифрови двигатели", защото се движат на стъпки, като стрелките на часовник. Когато първата бобина е захранена, зъбите на ротора се подравняват със зъбите в първата намотка на статора и задържат позиция. Когато втората намотка е захранена, зъбците на ротора се движат леко и се изравняват с втората намотка на статора и задържат позицията. Общото движение в този пример е една пълна стъпка.

Обикновено има 200 стъпки на оборот при 1,8 градуса на стъпка. Разработването на електронни контролери за стъпкови двигатели направи възможни стъпковите двигатели. Електронните устройства трябва да захранват намотките в точното време с правилното напрежение и ток, в правилната фаза и в правилния ред. Контролерите са еволюирали, за да могат да движат стъпкови двигатели с до 20000 стъпки на оборот, осигурявайки 100 пъти по-фино движение (0,018 градуса на стъпка).

Системни компоненти на стъпков двигател

За да разберете работата на стъпковите двигатели, е полезно да разберете компонентите на системата, базирана на стъпков двигател.

Мотор и задвижващ механизъм:Разглеждайте двигателя и задвижващия механизъм заедно като еквивалент на рамо. Няма да се движи без захранване.

• Изход: тягата и скоростта на движещия се товар.
• Вход: Захранване от стъпков драйвер.

Актуатор:Устройството, което осигурява на мускула да движи ръката, се нарича задвижващ механизъм.

• Изход: Намотките на двигателя се захранват с мощност в правилното количество и в правилната последователност, за да преместят "рамото" на задвижващия механизъм в желаната посока. Актуаторите изискват източник на захранване, като например захранване с постоянен ток. Изходното напрежение на DC захранването се предава директно към намотките на двигателя чрез задвижващия механизъм. Токът и напрежението през намотките на двигателя са пропорционални на изходния въртящ момент на двигателя и следователно пропорционални на изхода на тягата на задвижващия механизъм. Като цяло, колкото по-високи са напрежението и токът, толкова по-голяма е тягата. Над определена точка увеличаването на тока ще повиши само температурата на намотката на двигателя, но не и изходящия въртящ момент.
• ВХОД: Приема стъпкови импулси и команди за посока от контролера. Всеки електронен стъпков импулс променя начина, по който се захранват намотките на двигателя, което от своя страна кара двигателя да се завърти с една стъпка, което движи задвижващия механизъм.

Контролер:мислете за контролера като за мозъка, който насочва мускулите.

• Изходи: Към задвижването се предоставят импулси за стъпка и посока. Различни изходи също се предоставят на PLC, включително комуникации през шини (RS232, RS485, Ethernet IP, Profibus и др.), сигнали на място, аларми и изходи за грешки.
• Входящи данни: Интелигентно и систематично управление на входни данни от различни източници.

Магнитни превключватели

Сензори другаде в машината
Програмируеми контролерни изходи
Шини комуникации от PLC
Енкодерни сигнали от двигатели

Енкодер:Енкодерът е "окото" на системата. Той казва на контролера дали неговите команди са били изпълнени. Контролерът сравнява стъпковите импулси, които изпраща към задвижването, с импулсите, които получава от енкодера. Ако импулсите, които изпраща, са равни на импулсите, които получава, контролерът знае, че командата му е изпълнена. Ако те не са равни, контролерът настройва двигателя, докато получи правилния брой импулси на енкодера.

За улеснение на обсъждането блоковата диаграма на системата удобно разделя всички функционални компоненти. Обичайно е производителите да комбинират функции. Например, контролерите често имат вградени устройства, а някои имат вградени захранвания. Някои двигатели имат вградени енкодери, а някои имат вградени задвижвания и контролери. Някои PLC имат вградени контролери.

Производителност на стъпков двигател
Стъпковите двигатели имат присъщо предимство:

• Стъпковите двигатели са най-евтината технология за двигатели за управление на позицията.
• Стъпковите двигатели могат да се използват в отворена верига без нужда от енкодер.
• Стъпковите двигатели осигуряват много висок въртящ момент при ниски скорости.
• Размерите на рамката NEMA се предлагат със стандартизирани монтажни диаметри и диаметри на вала.

Стъпковите двигатели имат присъщи недостатъци:

• Докато стъпковите двигатели осигуряват висок въртящ момент при ниски скорости, изходният въртящ момент намалява бързо с увеличаване на скоростта.
• Стъпковите двигатели могат да се десинхронизират; тоест, извън синхрон със стъпковите импулси, идващи от контролера. С други думи, стъпковите импулси от контролера се преобразуват в електрическа енергия за намотките на двигателя, но двигателят не се върти. Това се случва, когато въртящият момент, необходим за преместване на товар, надвишава капацитета на въртящия момент на двигателя при желаната скорост. За да избегнете този проблем:
• Увеличете размера на двигателя. Оразмерете двигателя, за да осигурите удвоен максималния необходим въртящ момент.
• Намалете скоростта до точката, в която въртящият момент на двигателя е достатъчен.
• Увеличете напрежението към намотките на двигателя (голямо захранване).
• Увеличете тока към намотките на двигателя (голямо захранване).
• Използвайте енкодер, за да наблюдавате позицията и да коригирате пропуснатите стъпки.
• Трудно за синхронизиране, тъй като коригирането на грешки се извършва в края на хода, а не непрекъснато в реално време.
   

Дизайн на серво мотор
По дефиниция серво е всяко устройство с обратна връзка. Сервомоторите имат намотки на статора, които се захранват от серво драйвер или усилвател в последователност, която кара магнитния ротор да се върти (върти). За да може контролерът да определи коя намотка да активира следващата, той трябва да знае текущото положение на ротора. Това отчитане се осъществява с помощта на сензори на Хол или енкодери с двойна функция.

Компоненти на системата за серво мотор
Блоковата схема на една серво система е същата като тази на системата със стъпков двигател, въпреки че компонентите са технически различни. Серво усилвателите са функционално еквивалентни на драйверите на стъпкови двигатели. Както при стъпковите двигатели, функциите обикновено се комбинират от производителя.

Производителност на серво мотора
Сервомашините имат присъщо предимство:

• Висока скорост
• Високо ускорение
• Висока точност
• По-висок въртящ момент при по-високи скорости
• Множество мотори могат лесно да се синхронизират (коригиране на грешки в реално време)

Сервомашините имат присъщи недостатъци:

• По-сложна система от стъпковите двигатели
• Моторът трябва да бъде настроен за оптимална работа
• По-скъпа система от стъпковите двигатели
• По-малък въртящ момент при най-ниски скорости от стъпковите двигатели
• Нестандартна монтажна геометрия (варира според производителя) и диаметър на вала
• По-малък въртящ момент при ниски скорости в сравнение със стъпкови двигатели с еквивалентен размер
   

Последици за използване с електрически задвижващи механизми
Която и технология да се използва, тя трябва да бъде съобразена с дизайна на задвижващия механизъм.

• Нискоскоростното серво може да не постигне същата производителност на задвижващия механизъм при ниска скорост като стъпковия двигател.
• Замяната на стъпков двигател със серво на същия задвижващ механизъм не е задължително да произведе повече тяга при по-високи скорости, тъй като други компоненти на задвижващия механизъм могат да ограничат производителността.

В зависимост от приложението, всяка от двете моторни технологии има предимства. Следната таблица може да се използва като ръководство.