Сервопривод и шаговый двигатель для линейных модулей с ремнем ГРМ

Серводвигатели и шаговые двигатели обычно используются для привода ремня ГРМ.линейные модули. Хотя любой двигатель может перемещать каретку вдоль линейной оси, они существенно различаются по скоростным характеристикам, характеристикам крутящего момента, обратной связи по положению, точности управления, стоимости и сложности системы.

Правильный выбор зависит от полезной нагрузки, скорости движения, ускорения, требований к расположению, рабочего цикла и условий эксплуатации. Выбор двигателя только по номинальной мощности или покупной цене может привести к недостаточному крутящему моменту, нестабильному позиционированию, чрезмерной вибрации или ненужным затратам на систему.

Как двигатели приводят в движение линейный модуль ремня ГРМ

В срокленточный линейный модуль, двигатель вращает приводной шкив посредством прямого соединения, муфты или редуктора. Шкив приводит в движение ремень ГРМ, который перемещает каретку по линейной направляющей.

Двигатель должен обеспечивать достаточный крутящий момент для преодоления:

• Инерция полезной нагрузки
• Инерция каретки и ремня
• Трение направляющей
• Силы ускорения и торможения
• Внешнее сопротивление
• Гравитационные нагрузки в вертикальных установках

Требуемый крутящий момент двигателя можно рассматривать как комбинацию момента ускорения, момента трения и момента внешней нагрузки. Также следует предусмотреть соответствующий запас прочности, позволяющий выдерживать колебания нагрузки и длительную эксплуатацию.

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель вращается на фиксированный угол для каждого входного импульса. Контроллер определяет расстояние перемещения, отправляя заданное количество импульсов, и контролирует скорость, изменяя частоту импульсов.

Традиционные шаговые системы обычно работают в конфигурации с разомкнутым контуром. Контроллер отправляет команды движения, не подтверждая напрямую, достиг ли двигатель заданного положения.

Шаговые двигатели широко используются в модулях ремня ГРМ, поскольку они обеспечивают простое управление, хороший крутящий момент на низких скоростях и относительно низкую стоимость системы.

Преимущества шаговых двигателей

• Более низкая стоимость двигателя и драйвера
• Простая архитектура управления
• Хороший удерживающий момент в состоянии покоя
• Высокий крутящий момент на низких рабочих скоростях
• Простое управление положением с помощью импульсных команд.
• Подходит для простого перемещения от точки к точке.

Ограничения шаговых двигателей

• Доступный крутящий момент уменьшается по мере увеличения скорости двигателя.
• Системы с разомкнутым контуром не могут напрямую обнаруживать потерянные шаги.
• На определенных скоростях могут возникать вибрация и резонанс.
• Температура двигателя может оставаться высокой во время удержания положения.
• Запас производительности должен быть тщательно зарезервирован
• Менее подходит для работы на высоких скоростях и ускорениях.

Если полезная нагрузка, ускорение или внешнее сопротивление превышают доступный крутящий момент, шаговый двигатель с разомкнутым контуром может не следовать заданному положению. Это состояние обычно описывается как проигрыш шагов.

Что такое серводвигатель?

Серводвигатель обычно работает как часть системы управления с обратной связью. Энкодер измеряет положение и скорость двигателя, а сервопривод постоянно сравнивает сигнал обратной связи с заданным движением.

При возникновении ошибки положения или скорости сервопривод корректирует выходную мощность двигателя, чтобы уменьшить отклонение. Такое управление с обратной связью позволяет двигателю поддерживать стабильную работу при изменяющихся нагрузках и условиях динамического движения.

Преимущества серводвигателей

• Обратная связь по положению и скорости с замкнутым контуром
• Высокие показатели крутящего момента в более широком диапазоне скоростей
• Более высокая максимальная рабочая скорость
• Улучшенные характеристики ускорения и замедления
• Автоматическая коррекция отклонения позиции
• Более плавная работа на высокой скорости.
• Подходит для автоматизации с высокой нагрузкой.
• Поддерживает функции мониторинга и диагностики сигналов тревоги.

Ограничения серводвигателей

• Более высокая стоимость двигателя и привода
• Более сложная конфигурация параметров
• Может потребоваться настройка сервопривода
• Повышенные требования к электропроводке и электромонтажу.
• Неправильные настройки усиления могут вызвать вибрацию или нестабильность.

Сравнение сервопривода и шагового двигателя

Сравнительный элемент	Шаговый двигатель	Сервомотор
Метод управления	Обычно импульсное управление с разомкнутым контуром	Управление с обратной связью с обратной связью от энкодера
Низкоскоростной крутящий момент	Хороший	Хороший и более управляемый
Высокоскоростной крутящий момент	Значительно уменьшается с увеличением скорости	Поддерживает более высокий крутящий момент в более широком диапазоне скоростей.
Максимальная скорость	Лучше подходит для низких и средних скоростей.	Лучше подходит для средних и высоких скоростей.
Обратная связь по позиции	Обычно недоступен в системах с разомкнутым контуром.	Обратная связь с энкодером обычно включена.
Обнаружение потерянного шага	Системы с разомкнутым контуром не могут напрямую обнаруживать потерянные шаги.	Отклонение положения можно отслеживать и корректировать.
Ускорение	Умеренный	Более высокая способность ускорения
Плавность движения	Может возникнуть вибрация или резонанс	Более плавная работа в более широком рабочем диапазоне
Удержание позиции	Сильный удерживающий момент, но может выделяться тепло	Поддерживает положение посредством управления с обратной связью
Сложность управления	Относительно просто	Более сложная настройка и настройка
Стоимость системы	Ниже	Выше
Типичное применение	Простое, низкоскоростное и недорогое оборудование.	Высокоскоростные, динамичные и точные системы автоматизации

Скорость Производительность

Скорость — одно из наиболее важных различий между сервоприводами и шаговыми системами.

Шаговый двигатель может обеспечить высокий крутящий момент на низкой скорости, но его доступный крутящий момент обычно уменьшается с увеличением скорости вращения. Когда модуль ремня ГРМ требует быстрого перемещения на длинный ход, шаговому двигателю может потребоваться работа вблизи верхнего предела его полезного диапазона скоростей. В этот момент возможности ускорения и запас крутящего момента могут стать ограниченными.

Серводвигатель обычно поддерживает полезный крутящий момент в более широком диапазоне рабочих скоростей. Поэтому он больше подходит для модулей ремня ГРМ, которым требуется высокая линейная скорость, короткое время цикла или частое ускорение и замедление.

Серводвигатели обычно предпочтительнее для:

• Быстрое позиционирование с длинным ходом
• Высокоскоростные системы захвата и размещения
• Частые циклы старт-стоп
• Приложения с коротким временем такта
• Оси, требующие плавного высокоскоростного движения

Крутящий момент и грузоподъемность

Крутящий момент двигателя необходимо оценивать при фактической рабочей скорости, а не только в состоянии покоя. Шаговый двигатель может иметь высокий удерживающий момент, но удерживающий момент не представляет собой крутящий момент, доступный во время высокоскоростного движения.

Для оси ремня ГРМ требуемый крутящий момент увеличивается, если:

• Полезная нагрузка становится тяжелее
• Ускорение становится выше
• Диаметр ведущего шкива увеличивается.
• Инерция каретки или инструмента увеличивается.
• Модуль устанавливается вертикально.
• Применяется внешнее сопротивление процесса

Серводвигатели обычно обеспечивают лучшую перегрузочную способность при коротких периодах ускорения. Это полезно, когда ось должна ускорить тяжелое приспособление или быстро изменить направление.

Шаговые двигатели по-прежнему могут быть пригодны для умеренных нагрузок, когда рабочая скорость низкая и сохраняется достаточный запас крутящего момента.

Обратная связь по позиции и риск сбиться с пути

В шаговой системе с разомкнутым контуром контроллер предполагает, что двигатель выполняет каждый заданный шаг. Если нагрузка внезапно возрастает или крутящий момент двигателя становится недостаточным, фактическое положение может отличаться от заданного положения без немедленной обратной связи с контроллером.

Сервосистема использует обратную связь от энкодера для контроля движения двигателя. Если следующая ошибка превышает допустимый предел, привод может исправить выходной сигнал или подать сигнал тревоги.

Это делает серводвигатели более подходящими для применений, где необнаруженная ошибка позиционирования может привести к повреждению оборудования, остановке производства или созданию дефектной продукции.

Однако обратная связь энкодера на двигателе не измеряет напрямую конечное положение каретки. Эластичность ремня, установка шкива, механический зазор, прогиб конструкции и точность направляющих все еще могут влиять на фактическую производительность позиционирования линейного модуля.

Точность позиционирования

Серводвигатель не обеспечивает автоматически высокую точность модуля ремня ГРМ. Конечная точность оси зависит от всей механической системы и системы управления, включая:

• Точность шага ремня ГРМ
• Натяжение и жесткость ремня
• Точность обработки и установки шкивов
• Точность линейной направляющей
• Жесткость каретки
• Разрешение энкодера двигателя
• Разрешение команды контроллера
• Настройки ускорения и стабилизации
• Полезная нагрузка и моментная нагрузка

Для многократного перемещения между фиксированными положениями на умеренной скорости правильно выбранный шаговый двигатель может обеспечить стабильное позиционирование.

Для применений, связанных с изменяющимися нагрузками, высоким ускорением, коротким временем стабилизации или непрерывным движением, серводвигатель обычно обеспечивает лучшие характеристики динамического позиционирования.

Сложность управления

Шаговые системы, как правило, проще в установке и вводе в эксплуатацию. Для базовой работы могут потребоваться только импульсные сигналы, сигналы направления и разрешения. Это делает их пригодными для автономного оборудования и машин с простой последовательностью движений.

Сервосистемы могут потребовать настройки:

• Электронное передаточное число
• Прирост позиции
• Увеличение скорости
• Параметры ускорения и замедления
• Инерционная система
• Режекторные фильтры
• Пределы крутящего момента
• Выходы сигнализации

Современные сервоприводы часто включают функции автоматической настройки, но правильная настройка параметров по-прежнему важна. Чрезмерное усиление может вызвать вибрацию, а недостаточное усиление может привести к медленному отклику и увеличению времени стабилизации.

Сравнение затрат

Шаговые двигатели и драйверы обычно имеют более низкую первоначальную стоимость покупки. Более простой процесс подключения и ввода в эксплуатацию также может снизить стоимость базового оборудования.

Сервосистемы обычно требуют более высоких первоначальных инвестиций, поскольку они включают в себя энкодер, сервопривод и более продвинутые функции управления. Однако цена покупки не должна быть единственным фактором.

Серводвигатель может снизить общие эксплуатационные расходы, если приложение требует:

• Более высокая производительность
• Сокращение времени цикла
• Автоматическое обнаружение неисправностей
• Меньше ошибок позиционирования
• Стабильная работа при переменных нагрузках
• Непрерывное производство с высокой производительностью

Для простой низкоскоростной оси использование серводвигателя может увеличить стоимость, не обеспечивая существенного производственного преимущества. Для высокоскоростной производственной оси выбор шагового двигателя только для снижения первоначальных затрат может ограничить производительность машины.

Шаговые двигатели с замкнутым контуром

Шаговый двигатель с обратной связью сочетает в себе шаговый двигатель и энкодер. Водитель использует обратную связь по положению, чтобы контролировать, следует ли двигатель команде.

Это решение может снизить риск необнаруженной потери шагов и обеспечить более высокую производительность, чем традиционная шаговая система с разомкнутым контуром. Его часто позиционируют между шаговым двигателем с разомкнутым контуром и сервосистемой с точки зрения стоимости и возможностей.

Однако шаговый двигатель с обратной связью не полностью заменяет серводвигатель. Его характеристики крутящего момента на высоких скоростях, возможности ускорения и диапазон управления по-прежнему зависят от конструкции шагового двигателя.

Шаговый двигатель с замкнутым контуром может подойти в следующих случаях:

• Надежность разомкнутого контура вызывает беспокойство
• Скорость работы умеренная
• Стоимость должна оставаться ниже полной сервосистемы.
• Приложение требует базового контроля ошибок положения.

Какой двигатель лучше подходит для модулей с горизонтальным ремнем ГРМ?

Для горизонтального модуля ремня ГРМ можно использовать оба типа двигателей. Решение должно основываться на требованиях к скорости, полезной нагрузке и циклу.

Шаговый двигатель часто подходит для:

• Умеренная полезная нагрузка
• Низкие или средние рабочие скорости
• Простое индексирующее движение
• Редкая работа старт-стоп.
• Дорогостоящее оборудование

Серводвигатель обычно предпочтительнее для:

• Тяжелые движущиеся грузы
• Высокоскоростное позиционирование
• Высокое ускорение
• Частая смена направления
• Короткие производственные циклы
• Приложения, требующие сигнализации движения

Какой двигатель лучше подходит для вертикальных модулей ремня ГРМ?

Вертикальные установки требуют дополнительного внимания, поскольку двигатель должен поддерживать и перемещать груз против силы тяжести.

Серводвигатель со стояночным тормозом обычно предпочтителен для вертикальных модулей зубчатого ремня, особенно когда полезная нагрузка тяжелая или ось представляет риск падения во время потери мощности.

Тормоз предназначен для удержания оси при остановке двигателя или отключении питания. Обычно его не следует использовать в качестве основного устройства для многократного динамического замедления.

Шаговый двигатель можно использовать для небольшой вертикальной нагрузки, но при проектировании необходимо учитывать:

• Доступный момент ускорения вверх
• Нагрев двигателя при удержании положения
• Предотвращение падения при выключении питания
• Требования к механическому тормозу или противовесу
• Соответствующий коэффициент безопасности

Руководство по выбору приложений

Требования к приложению	Рекомендуемый двигатель	Причина
Низкоскоростная передача материала	Шаговый двигатель	Простое управление и хороший крутящий момент на низких скоростях.
Базовое двухточечное позиционирование	Шаговый двигатель	Экономичность при предсказуемых нагрузках
Высокоскоростной подбор и размещение	Серводвигатель	Лучшая скорость, ускорение и динамический отклик
Быстрое движение с длинным ходом	Серводвигатель	Более высокий крутящий момент на высоких скоростях
Автоматизация переменной полезной нагрузки	Серводвигатель	Управление с обратной связью лучше адаптируется к изменениям нагрузки.
Экономичное инспекционное приспособление	Шаговый двигатель	Подходит при умеренной скорости и нагрузке.
Вертикальная подъемная ось	Серводвигатель с тормозом	Улучшенный динамический контроль и возможность удержания при выключении питания.
Ось средней скорости, требующая обратной связи	Шаговый или серводвигатель с замкнутым контуром	Выбор зависит от ускорения и бюджета.
Непрерывное промышленное производство	Серводвигатель	Подходит для высоких рабочих циклов и мониторинга неисправностей.

Вопросы, которые следует задать перед выбором двигателя

Прежде чем выбрать сервопривод или шаговый двигатель для линейного модуля ремня ГРМ, подтвердите следующую информацию:

1. Какова общая подвижная полезная нагрузка?
2. Какова необходимая линейная скорость?
3. Какое ускорение и замедление необходимо?
4. Каково эффективное расстояние перемещения?
5. Как часто ось будет запускаться и останавливаться?
6. Модуль установлен горизонтально или вертикально?
7. Какая точность и повторяемость позиционирования необходимы?
8. Будет ли меняться полезная нагрузка в процессе эксплуатации?
9. Требуется ли обратная связь по положению или обнаружение неисправностей?
10. Какой запас прочности необходим?
11. Каковы доступные интерфейсы контроллера и связи?
12. Какова приемлемая общая стоимость системы?

Распространенные ошибки при выборе двигателя

Выбор двигателя только по удержанию крутящего момента

Удерживающий момент шагового двигателя измеряется в состоянии покоя. Доступный крутящий момент во время движения может быть намного ниже, особенно на более высоких скоростях.

Игнорирование инерции нагрузки

Двигатель может иметь достаточный статический крутящий момент, но при этом медленно ускоряться, если инерция движения слишком велика. Инерцию двигателя, инерцию шкива, инерцию ремня и инерцию полезной нагрузки следует рассматривать вместе.

Использование недостаточного запаса крутящего момента

Постоянная работа вблизи предела крутящего момента двигателя может увеличить риск перегрева, потери шагов или сигналов тревоги сервопривода.

Предполагая, что сервопривод устраняет механическую ошибку

Сервоэнкодер контролирует вращение двигателя, но он не может полностью устранить эластичность ремня, деформацию рамы, ошибки шкивов или неточности направляющих.

Игнорирование безопасности вертикальной оси

Вертикальные модули ремня ГРМ могут упасть при отключении питания. Может потребоваться тормозной двигатель, противовес или механическое предохранительное устройство.

Выбор только по начальной цене покупки

Самый дешевый двигатель может снизить первоначальные инвестиции, но может также ограничить скорость, производительность и надежность. Выбор должен основываться на общих требованиях приложения.

Заключение

Шаговые двигатели подходят для линейных модулей с зубчатым ремнем с умеренными нагрузками, низкими или средними скоростями, предсказуемым движением и ограниченным бюджетом. Они обеспечивают простое управление, хороший крутящий момент на низких скоростях и экономичную работу при выполнении основных задач позиционирования.

Серводвигатели лучше подходят для высокоскоростных применений с высокими ускорениями и высокими рабочими циклами. Их обратная связь с обратной связью, более высокий крутящий момент на высоких скоростях и возможности мониторинга неисправностей обеспечивают большую стабильность в условиях динамической или изменяющейся нагрузки.

Шаговые двигатели с замкнутым контуром представляют собой промежуточный вариант, когда требуется контроль положения, но при этом приложение не требует полных динамических характеристик сервосистемы.

Окончательный выбор двигателя должен основываться на фактической полезной нагрузке, скорости, ускорении, перемещении, направлении установки, требованиях к расположению и рабочем цикле. Оценка двигателя вместе с модулем ремня ГРМ, размером шкива, контроллером и механической структурой помогает обеспечить надежную работу двигателя и избежать ненужных затрат на систему.