Silniki krokowe i serwosilniki

Silniki krokowe i serwomechanizmy można stosować z siłownikami Bimba OLE. Są najlepszą technologią silników do sterowania położeniem. Wybór, którego użyć, zależy od prędkości, momentu obrotowego, ceny i często czasu dostawy. Poniższa dyskusja wyjaśnia różnice między tymi dwiema technologiami.

Projekt silnika krokowego

Silniki krokowe nazywane są „silnikami cyfrowymi”, ponieważ poruszają się krokowo, jak wskazówki zegara. Gdy pierwsza cewka jest zasilana, zęby wirnika ustawiają się w jednej linii z zębami pierwszego uzwojenia stojana i pozycji podtrzymania. Gdy drugie uzwojenie jest zasilane, zęby wirnika przesuwają się nieznacznie i ustawiają się w jednej linii z drugim uzwojeniem stojana i pozycji podtrzymania. Całkowity ruch w tym przykładzie to jeden kompletny krok.

Zwykle jest 200 kroków na obrót przy 1,8 stopnia na krok. Rozwój elektronicznych sterowników silników krokowych umożliwił powstanie silników krokowych. Urządzenia elektroniczne muszą zasilać uzwojenia we właściwym czasie, właściwym napięciem i prądem, we właściwej fazie i we właściwej kolejności. Sterowniki ewoluowały, aby móc poruszać silnikami krokowymi z prędkością do 20,000 kroków na obrót, zapewniając 100 razy dokładniejszy ruch (0,018 stopnia na krok).

Elementy układu silnika krokowego

Aby zrozumieć działanie silników krokowych, pomocne będzie zrozumienie komponentów układu bazującego na silniku krokowym.

Silnik i siłownik:Rozważ silnik i siłownik razem jako odpowiednik ramienia. Nie poruszy się bez zasilania.

• Wyjście: Siła ciągu i prędkość poruszającego się ładunku.
• Wejście: Moc ze sterownika silnika krokowego.

Aparat:Urządzenie zapewniające ruch ramienia za pomocą mięśni nazywa się siłownikiem.

• Wyjście: Uzwojenia silnika są zasilane odpowiednią ilością energii i w odpowiedniej kolejności, aby przesunąć „ramię” siłownika w pożądanym kierunku. Siłowniki wymagają źródła zasilania, takiego jak zasilacz prądu stałego. Napięcie wyjściowe zasilacza prądu stałego jest przesyłane bezpośrednio do uzwojeń silnika przez siłownik. Prąd i napięcie w uzwojeniach silnika są proporcjonalne do momentu obrotowego silnika, a zatem proporcjonalne do ciągu wyjściowego siłownika. Zasadniczo im wyższe napięcie i prąd, tym większy ciąg. Powyżej pewnego punktu wzrost prądu zwiększy tylko temperaturę uzwojenia silnika, a nie moment obrotowy wyjściowy.
• WEJŚCIE: Akceptuje impulsy krokowe i polecenia kierunkowe ze sterownika. Każdy elektroniczny impuls krokowy zmienia sposób zasilania uzwojeń silnika, co z kolei powoduje, że silnik obraca się o jeden krok, co powoduje ruch siłownika.

Kontroler:Wyobraź sobie kontrolera jako mózg, który kieruje mięśniami.

• Wyjścia: Do napędu dostarczane są impulsy krokowe i kierunkowe. Do PLC dostarczane są również różne wyjścia, w tym komunikacja przez magistrale (RS232, RS485, Ethernet IP, Profibus itp.), sygnały na miejscu, alarmy i wyjścia błędów.
• Nakłady: Inteligentne i systematyczne zarządzanie nakładami pochodzącymi z różnych źródeł.

Przełączniki magnetyczne

Czujniki w innych miejscach maszyny
Wyjścia sterownika programowalnego
Komunikacja magistralna z PLC
Sygnały enkodera z silników

Koder:Enkoder jest „okiem” systemu. Informuje kontroler, czy jego polecenia zostały wykonane. Kontroler porównuje impulsy silnika krokowego wysyłane do napędu z impulsami otrzymywanymi z enkodera. Jeśli wysyłane impulsy są równe impulsom otrzymywanym, kontroler wie, że jego polecenie zostało wykonane. Jeśli nie są równe, kontroler reguluje silnik, aż otrzyma prawidłową liczbę impulsów enkodera.

Dla ułatwienia dyskusji schemat blokowy systemu wygodnie oddziela wszystkie komponenty funkcjonalne. Producenci często łączą funkcje. Na przykład sterowniki często mają wbudowane napędy, a niektóre mają wbudowane zasilacze. Niektóre silniki mają wbudowane enkodery, a niektóre mają wbudowane napędy i sterowniki. Niektóre PLC mają wbudowane sterowniki.

Wydajność silnika krokowego
Silniki krokowe mają wrodzoną zaletę:

• Silniki krokowe są najtańszą technologią silników sterujących położeniem.
• Silniki krokowe można stosować w pętli otwartej bez konieczności stosowania enkodera.
• Silniki krokowe zapewniają bardzo wysoki moment obrotowy przy niskich prędkościach.
• Rozmiary ram NEMA są dostępne ze standardowymi średnicami mocowania i wału.

Silniki krokowe mają swoje wady:

• Silniki krokowe zapewniają wysoki moment obrotowy przy niskich prędkościach, jednak moment wyjściowy gwałtownie spada wraz ze wzrostem prędkości.
• Silniki krokowe mogą stać się zdesynchronizowane; to znaczy, niesynchronizowane z impulsami krokowymi pochodzącymi ze sterownika. Innymi słowy, impulsy krokowe ze sterownika są zamieniane na energię elektryczną dla uzwojeń silnika, ale silnik się nie obraca. Dzieje się tak, gdy moment obrotowy wymagany do przesunięcia obciążenia przekracza moment obrotowy silnika przy żądanej prędkości. Aby uniknąć tego problemu:
• Zwiększ rozmiar silnika. Rozmiar silnika musi zapewniać dwukrotnie większy maksymalny wymagany moment obrotowy.
• Zmniejsz prędkość do punktu, w którym moment obrotowy silnika będzie wystarczający.
• Zwiększ napięcie na uzwojeniach silnika (duży zasilacz).
• Zwiększyć prąd do uzwojeń silnika (duży zasilacz).
• Użyj enkodera do monitorowania pozycji i korygowania pominiętych kroków.
• Trudno jest zsynchronizować, ponieważ korekta błędów jest wykonywana pod koniec ruchu, a nie w sposób ciągły w czasie rzeczywistym.
   

Projekt silnika serwo
Zgodnie z definicją serwo to każde urządzenie ze sprzężeniem zwrotnym. Serwomotory mają cewki na stojanie, które są pobudzane przez sterownik serwo lub wzmacniacz w sekwencji, która powoduje obrót (wirowanie) wirnika magnetycznego. Aby sterownik mógł określić, które uzwojenie ma być następne, musi znać aktualną pozycję wirnika. To wykrywanie odbywa się za pomocą czujników Halla lub enkoderów dwufunkcyjnych.

Komponenty układu serwosilnika
Schemat blokowy układu serwo jest taki sam jak układu silnika krokowego, chociaż komponenty są technicznie różne. Wzmacniacze serwo są funkcjonalnie równoważne sterownikom silników krokowych. Podobnie jak w przypadku silników krokowych, funkcje są zazwyczaj łączone przez producenta.

Wydajność silnika serwo
Serwa mają wrodzoną zaletę:

• Wysoka prędkość
• Duże przyspieszenie
• Wysoka dokładność
• Wyższy moment obrotowy przy wyższych prędkościach
• Możliwość łatwej synchronizacji wielu silników (korekcja błędów w czasie rzeczywistym)

Serwa mają swoje wady:

• Bardziej złożony system niż silniki krokowe
• Silnik musi być dostrojony w celu uzyskania optymalnej wydajności
• Droższy system niż silniki krokowe
• Niższy moment obrotowy przy najniższych prędkościach niż w przypadku silników krokowych
• Niestandardowa geometria mocowania (różni się w zależności od producenta) i średnica wału
• Niższy moment obrotowy przy niskich prędkościach niż w przypadku silników krokowych o podobnej wielkości
   

Implikacje dla stosowania z siłownikami elektrycznymi
Bez względu na to, którą technologię się stosuje, musi ona być dostosowana do konstrukcji siłownika.

• Serwomechanizm wolnoobrotowy może nie osiągać takich samych osiągów siłownika wolnoobrotowego jak silnik krokowy.
• Wymiana silnika krokowego na serwomechanizm w tym samym siłowniku niekoniecznie zapewni większy ciąg przy większych prędkościach, ponieważ inne komponenty siłownika mogą ograniczać jego wydajność.

W zależności od zastosowania, istnieją zalety każdej z dwóch technologii silników. Poniższa tabela może być używana jako przewodnik.