Βηματικοί κινητήρες και σερβοκινητήρες

Τα stepper και οι σερβομηχανισμοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν με ενεργοποιητές Bimba OLE. Είναι η καλύτερη τεχνολογία κινητήρα για έλεγχο θέσης. Η επιλογή του που θα χρησιμοποιηθεί εξαρτάται από την ταχύτητα, τη ροπή, την τιμή και συχνά τον χρόνο παράδοσης. Η ακόλουθη συζήτηση εξηγεί τις διαφορές μεταξύ των δύο τεχνολογιών.

Σχεδιασμός Stepper Motor

Οι βηματικοί κινητήρες ονομάζονται «ψηφιακοί κινητήρες» επειδή κινούνται με βήματα, όπως οι δείκτες σε ένα ρολόι. Όταν ενεργοποιείται το πρώτο πηνίο, τα δόντια του ρότορα ευθυγραμμίζονται με τα δόντια στην πρώτη περιέλιξη του στάτη και συγκρατούν τη θέση τους. Όταν ενεργοποιείται η δεύτερη περιέλιξη, τα δόντια στον ρότορα κινούνται ελαφρά και ευθυγραμμίζονται με τη θέση περιέλιξης και συγκράτησης του δεύτερου στάτορα. Η συνολική κίνηση σε αυτό το παράδειγμα είναι ένα πλήρες βήμα.

Συνήθως υπάρχουν 200 βήματα ανά περιστροφή σε 1,8 μοίρες ανά βήμα. Η ανάπτυξη ηλεκτρονικών ελεγκτών βηματικού κινητήρα κατέστησε δυνατούς τους βηματικούς κινητήρες. Οι ηλεκτρονικές συσκευές πρέπει να τροφοδοτούν τις περιελίξεις την κατάλληλη στιγμή με τη σωστή τάση και ρεύμα, στη σωστή φάση και με τη σωστή σειρά. Οι ελεγκτές έχουν εξελιχθεί ώστε να μπορούν να μετακινούν βηματικούς κινητήρες με έως και 20,{4}} βήματα ανά περιστροφή, παρέχοντας 100 φορές λεπτότερη κίνηση (0,018 μοίρες ανά βήμα).

Εξαρτήματα συστήματος Stepper Motor

Για να κατανοήσετε την απόδοση των βηματικών κινητήρων, είναι χρήσιμο να κατανοήσετε τα στοιχεία ενός συστήματος που βασίζεται σε βηματικούς κινητήρες.

Κινητήρας και ενεργοποιητής:Θεωρήστε τον κινητήρα και τον ενεργοποιητή μαζί ως ισοδύναμο ενός βραχίονα. Δεν θα κινηθεί χωρίς ρεύμα.

• Έξοδος: Η ώθηση και η ταχύτητα του κινούμενου φορτίου.
• Είσοδος: Τροφοδοσία από το πρόγραμμα οδήγησης stepper.

Ενεργοποιητής:Η συσκευή που παρέχει στον μυ για την κίνηση του βραχίονα ονομάζεται ενεργοποιητής.

• Έξοδος: Οι περιελίξεις του κινητήρα τροφοδοτούνται με ισχύ στη σωστή ποσότητα και στη σωστή σειρά για να μετακινήσετε τον «βραχίονα» του ενεργοποιητή προς την επιθυμητή κατεύθυνση. Οι ενεργοποιητές απαιτούν μια πηγή ρεύματος, όπως ένα τροφοδοτικό DC. Η τάση εξόδου του τροφοδοτικού συνεχούς ρεύματος μεταδίδεται απευθείας στις περιελίξεις του κινητήρα μέσω του ενεργοποιητή. Το ρεύμα και η τάση στις περιελίξεις του κινητήρα είναι ανάλογα με την έξοδο ροπής του κινητήρα και επομένως ανάλογη με την έξοδο ώσης του ενεργοποιητή. Γενικά, όσο υψηλότερη είναι η τάση και το ρεύμα, τόσο μεγαλύτερη είναι η ώση. Πάνω από ένα ορισμένο σημείο, μια αύξηση του ρεύματος θα αυξήσει μόνο τη θερμοκρασία περιέλιξης του κινητήρα, όχι την έξοδο της ροπής.
• INPUT: Δέχεται βηματικούς παλμούς και εντολές κατεύθυνσης από τον ελεγκτή. Κάθε ηλεκτρονικός παλμός βηματισμού αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο ενεργοποιούνται οι περιελίξεις του κινητήρα, γεγονός που με τη σειρά του προκαλεί τον κινητήρα να στρίψει ένα βήμα, το οποίο κινεί τον ενεργοποιητή.

Ελεγκτής:σκεφτείτε τον ελεγκτή ως τον εγκέφαλο που κατευθύνει τους μύες.

• Έξοδοι: Παρέχονται παλμοί βήματος και κατεύθυνσης στον ηλεκτροκινητήρα. Παρέχονται επίσης διάφορες έξοδοι στο PLC, συμπεριλαμβανομένων των επικοινωνιών μέσω διαύλων (RS232, RS485, Ethernet IP, Profibus, κ.λπ.), σημάτων επί τόπου, συναγερμών και εξόδων σφάλματος.
• Εισροές: Έξυπνη και συστηματική διαχείριση εισροών από διάφορες πηγές.

Μαγνητικοι διακοπτες

Αισθητήρες σε άλλα σημεία του μηχανήματος
Προγραμματιζόμενες έξοδοι ελεγκτή
Επικοινωνίες με λεωφορείο από PLC
Σήματα κωδικοποιητή από κινητήρες

Κωδικοποιητής:Ο κωδικοποιητής είναι το «μάτι» του συστήματος. Ενημερώνει τον ελεγκτή εάν οι εντολές του έχουν εκτελεστεί. Ο ελεγκτής συγκρίνει τους βηματικούς παλμούς που στέλνει στη μονάδα δίσκου με τους παλμούς που λαμβάνει από τον κωδικοποιητή. Εάν οι παλμοί που στέλνει είναι ίσοι με τους παλμούς που λαμβάνει, ο ελεγκτής γνωρίζει ότι η εντολή του έχει εκτελεστεί. Εάν δεν είναι ίσοι, ο ελεγκτής ρυθμίζει τον κινητήρα μέχρι να λάβει τον σωστό αριθμό παλμών κωδικοποιητή.

Για ευκολία συζήτησης, το μπλοκ διάγραμμα συστήματος διαχωρίζει εύκολα όλα τα λειτουργικά στοιχεία. Είναι σύνηθες για τους κατασκευαστές να συνδυάζουν λειτουργίες. Για παράδειγμα, οι ελεγκτές έχουν συχνά ενσωματωμένες μονάδες δίσκου και ορισμένοι έχουν ενσωματωμένα τροφοδοτικά. Μερικοί κινητήρες έχουν ενσωματωμένους κωδικοποιητές και μερικοί έχουν ενσωματωμένους δίσκους και ελεγκτές. Ορισμένα PLC διαθέτουν ενσωματωμένους ελεγκτές.

Απόδοση βηματικού κινητήρα
Οι βηματικοί κινητήρες έχουν ένα εγγενές πλεονέκτημα:

• Οι βηματικοί κινητήρες είναι η φθηνότερη τεχνολογία κινητήρα ελέγχου θέσης.
• Οι βηματικοί κινητήρες μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ανοιχτό βρόχο χωρίς την ανάγκη κωδικοποιητή.
• Οι βηματικοί κινητήρες παρέχουν πολύ υψηλή ροπή σε χαμηλές στροφές.
• Διατίθενται μεγέθη πλαισίου NEMA με τυποποιημένες διαμέτρους τοποθέτησης και άξονα.

Οι βηματικοί κινητήρες έχουν εγγενή μειονεκτήματα:

• Ενώ οι βηματικοί κινητήρες παρέχουν υψηλή ροπή σε χαμηλές ταχύτητες, η απόδοση της ροπής μειώνεται γρήγορα με την αύξηση της ταχύτητας.
• Οι βηματικοί κινητήρες μπορούν να αποσυγχρονιστούν. δηλαδή εκτός συγχρονισμού με τους βηματικούς παλμούς που προέρχονται από τον ελεγκτή. Με άλλα λόγια, οι βηματικοί παλμοί από τον ελεγκτή μετατρέπονται σε ηλεκτρική ενέργεια για τις περιελίξεις του κινητήρα, αλλά ο κινητήρας δεν περιστρέφεται. Αυτό συμβαίνει όταν η ροπή που απαιτείται για τη μετακίνηση ενός φορτίου υπερβαίνει την ικανότητα ροπής του κινητήρα στην επιθυμητή ταχύτητα. Για να αποφύγετε αυτό το πρόβλημα:
• Αυξήστε το μέγεθος του κινητήρα. Μέγεθος του κινητήρα ώστε να παρέχει διπλάσια τη μέγιστη απαιτούμενη ροπή.
• Μειώστε την ταχύτητα στο σημείο όπου η ροπή του κινητήρα είναι επαρκής.
• Αυξήστε την τάση στις περιελίξεις του κινητήρα (μεγάλη παροχή ρεύματος).
• Αυξήστε το ρεύμα στις περιελίξεις του κινητήρα (μεγάλο τροφοδοτικό).
• Χρησιμοποιήστε έναν κωδικοποιητή για να παρακολουθήσετε τη θέση και να διορθώσετε τα χαμένα βήματα.
• Δύσκολος ο συγχρονισμός γιατί η διόρθωση σφαλμάτων γίνεται στο τέλος της διαδρομής, όχι συνεχώς σε πραγματικό χρόνο.
   

Σχεδιασμός σερβοκινητήρα
Εξ ορισμού, σερβομηχανισμός είναι οποιαδήποτε συσκευή με ανάδραση. Οι σερβοκινητήρες έχουν πηνία στον στάτορα που ενεργοποιούνται από έναν σερβο-οδηγό ή ενισχυτή με μια σειρά που προκαλεί την περιστροφή του μαγνητικού ρότορα (σπιν). Για να προσδιορίσει ο ελεγκτής ποια περιέλιξη θα ενεργοποιήσει στη συνέχεια, πρέπει να γνωρίζει την τρέχουσα θέση του ρότορα. Αυτή η ανίχνευση επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας αισθητήρες Hall ή κωδικοποιητές διπλής λειτουργίας.

Εξαρτήματα συστήματος σερβοκινητήρα
Το μπλοκ διάγραμμα ενός σερβο συστήματος είναι το ίδιο με αυτό ενός συστήματος βηματικού κινητήρα, αν και τα εξαρτήματα είναι τεχνικά διαφορετικά. Οι σερβοενισχυτές είναι λειτουργικά ισοδύναμοι με τους οδηγούς βηματικού κινητήρα. Όπως και με τους βηματικούς κινητήρες, οι λειτουργίες συνήθως συνδυάζονται από τον κατασκευαστή.

Απόδοση σερβοκινητήρα
Οι σερβομηχανισμοί έχουν ένα εγγενές πλεονέκτημα:

• Υψηλή ταχύτητα
• Υψηλή επιτάχυνση
• Υψηλή ακρίβεια
• Υψηλότερη ροπή σε υψηλότερες στροφές
• Πολλοί κινητήρες μπορούν να συγχρονιστούν εύκολα (διόρθωση σφαλμάτων σε πραγματικό χρόνο)

Οι σερβομηχανισμοί έχουν εγγενή μειονεκτήματα:

• Πιο πολύπλοκο σύστημα από τους βηματικούς κινητήρες
• Ο κινητήρας πρέπει να ρυθμιστεί για βέλτιστη απόδοση
• Πιο ακριβό σύστημα από τους βηματικούς κινητήρες
• Λιγότερη ροπή στις χαμηλότερες ταχύτητες από τους βηματικούς κινητήρες
• Μη τυπική γεωμετρία τοποθέτησης (διαφέρει ανάλογα με τον κατασκευαστή) και διάμετρος άξονα
• Λιγότερη ροπή σε χαμηλές στροφές από τους βηματικούς κινητήρες ισοδύναμου μεγέθους
   

Συνέπειες για χρήση με ηλεκτρικούς ενεργοποιητές
Όποια τεχνολογία και αν χρησιμοποιηθεί, πρέπει να ταιριάζει με το σχέδιο του ενεργοποιητή.

• Ένας σερβομηχανισμός χαμηλής ταχύτητας μπορεί να μην επιτυγχάνει την ίδια απόδοση ενεργοποιητή χαμηλής ταχύτητας με έναν βηματικό κινητήρα.
• Η αντικατάσταση ενός βηματικού κινητήρα με έναν σερβομηχανισμό στον ίδιο ενεργοποιητή δεν θα παράγει απαραίτητα περισσότερη ώθηση σε υψηλότερες ταχύτητες, καθώς άλλα εξαρτήματα ενεργοποιητή ενδέχεται να περιορίσουν την απόδοση.

Ανάλογα με την εφαρμογή, υπάρχουν πλεονεκτήματα σε καθεμία από τις δύο τεχνολογίες κινητήρα. Ο παρακάτω πίνακας μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως οδηγός.