معرفی موتورهای مرحله ای: از مکانیک اساسی تا سیستم های کنترل پیشرفته

موتورهای پله ای بسیار قابل اعتماد: قدرت و دقت در کنترل حرکت

موتورهای پله ای اغلب در مقایسه با موتورهای سروو کم ارزش هستند ، اما قابلیت اطمینان قابل مقایسه ای را ارائه می دهند. این موتورها دقیقاً با سیگنال های پالس از کنترل کننده ها به درایورها همگام سازی می شوند و موقعیت یابی دقیق و کنترل سرعت را قادر می سازند. با گشتاور کم سرعت و لرزش حداقل ، آنها در برنامه های کوتاه و سریع موقعیتی برتری دارند.

موتورهای پله ای: یک راهنمای کامل برای اصول ، انواع و برنامه ها

"موتورهای استپ؟ موتورهای سروو باید عملکرد بهتری داشته باشند." این یک تصور غلط رایج هنگام بحث در مورد موتورهای پله ای است. در واقعیت ، موتورهای استپر در برنامه های متنوع - از تجهیزات پیشرفته صنعتی تا ابزارهای خودکار روزمره ، برتری دارند. این مقاله از این موضوع باز می گردد که چرا آنها همچنان یک انتخاب برتر برای سیستم های دقیق محور هستند.

در حالی که برخی ممکن است از موتورهای پله ای غافل شوند ، نقش آنها در کنترل با دقت بالا در صنایع مهم است. آنها اتوماسیون کارخانه (FA) ، نیمه هادی/تجهیزات تولید پنل خورشیدی ، نیمه هادی/FPD/SOLAR ، دستگاه های پزشکی ، ابزارهای تحلیلی ، مراحل دقیق ، سیستم های مالی ، دستگاه های بسته بندی مواد غذایی و حتی تنظیمات دیافراگم دوربین-ارائه همه کاره بودن آنها در محیط های خواستار ، دقیق و مهم.

چرا از موتور پله ای استفاده می کنید؟

استفاده آسان: 34 ٪
ارزان: 17 ٪
عملیات ساده: 16 ٪
نیازی به تنظیم نیست: 12 ٪
دیگر: 21 ٪
*# پرسشنامه ها: 258 (پاسخ های چندگانه مجاز)/ تحقیق شده توسط موتور شرقی

مزایای اصلی: کاربر پسند ، کار ساده و کم هزینه

طبق نظرسنجی از کاربران موتور پله ای ، بسیاری از آنها به خاطر کاربرپسندی ، عملکرد ساده و کم هزینه خود را به نفع خودشان می گذارند. مکانیک ساده و پیکربندی موتورهای استپر به طور طبیعی این مزایا را توضیح می دهد. با این حال ، برخی از خوانندگان ممکن است دقت و عملکرد گشتاور خود را زیر سوال ببرند. چنین شک و تردیدهایی از طریق مقایسه مستقیم با سایر موتورهای کنترل مانند Servos مورد بررسی قرار می گیرد. با درک ویژگی های موتور پله ای و تطبیق آنها با نیازهای عملیاتی ، کاربران می توانند به طور موثری هزینه تجهیزات را کاهش دهند. در زیر ، ما ویژگی های اصلی و بینش فنی آنها را تجزیه می کنیم:

دقت توقف بالا با عملکرد سریع/سرعت متوسط

موتورهای پله ای دقت توقف استثنایی را ارائه می دهند و کنترل دقیق حلقه باز را فعال می کنند. به عنوان مثال ، سری RK II در هنگام قرار دادن یک جدول چرخش ، به دقت 0.05 درجه (بدون بار) دست می یابد. آنها بدون هیچ گونه خطای مرحله تجمعی ، موقعیت یابی با دقت بالا را تضمین می کنند. طراحی بدون رمزگذار آنها سیستم درایو را ساده می کند و ضمن حفظ قابلیت اطمینان ، هزینه ها را کاهش می دهد.

نقطه 1
دقت توقف فوق العاده

به عنوان مثال ، هنگام تبدیل دقت توقف 0.05 درجه از موتور پله به مکانیسم پیچ توپ:

شرایط عملیاتی:
• موتور: سری RK II

• سرب پیچ توپ: 10 میلی متر

توقف صحت: 1.4 μ-m-m

به طور کلی ، صحت یک نوع پیچ توپ زمینی 10 میکرومتر پوند است. هنگام استفاده از نوع پیچ توپ نورد ، دقت آن به 20 میکرومتر پوند کاهش می یابد ، نشان می دهد که دقت متوقف کردن موتور پله ای بسیار بالاتر از نوع پیچ توپ است.

موتورهای پله ای در گشتاور کم/سرعت متوسط-یک تمایز دهنده کلیدی از موتورهای سروو ، که گشتاور مداوم را در سرعت های میانی تا بالا ارائه می دهند و کارهای چرخشی بلند و بلند را ارائه می دهند ، برتری دارند. بر خلاف Servos ، موتورهای پله ای دارای منحنی گشتاور غیر مسطح هستند: گشتاور اوج با سرعت کم/میانی با سرعت زیاد به طور قابل توجهی کاهش می یابد. این باعث می شود آنها برای برنامه های کوتاه کار (به عنوان مثال ، چرخش های محدود) ایده آل شوند ، جایی که آنها ارائه می دهند:

• گشتاور بالا با سرعت مورد نیاز برای موقعیت یابی سریع در کارهایی مانند جداول چند چرخش یا اینچ.
• عملکرد کم سرعت پایدار (یک چالش برای سرووس) ، با حداقل نیاز به عملیات پر سرعت-از کارهای کوتاه سکته مغزی کاهش می یابد و قبل از رسیدن به اوج RPM متوقف می شود.

به طور خلاصه ، استپرها برای گشتاور در جایی که مهمتر از همه هستند بهینه می شوند: دامنه کم سرعت/سرعت متوسط ​​برای برنامه های کوتاه و دقیق و با محوریت.

پاسخگویی بالا و هماهنگ سازی عالی

سومین ویژگی برجسته Stepper Motors ، پاسخگویی آنها است. با کنترل حلقه باز ، که دستورات یک طرفه را به موتور می فرستد ، موتورهای استپر می توانند با سیگنال های فرمان همگام شوند. در مقابل ، موتورهای سروو به بازخورد رمزگذار متکی هستند ، که اغلب باعث تأخیر در فرمان می شوند. با این حال ، موتورهای پله ای در زمان واقعی با پالس های ورودی ، به حداقل رساندن تأخیر و اطمینان از پاسخ سریع عمل می کنند.

این باعث می شود موتورهای Stepper برای برنامه هایی که نیاز به هماهنگی چند انگیزه دارند ایده آل باشد. به عنوان مثال ، در سیستم های انتقال تخته با دو نوار نقاله ، که هر یک از آنها توسط یک موتور جداگانه هدایت می شوند ، موتورهای پله ای می توانند دقیقاً حرکات را هماهنگ کنند و از انتقال تخته یکپارچه بین نوار نقاله ها اطمینان حاصل کنند.

نقطه 2
دامنه عالی / سرعت متوسط ​​عالی!

مثال: گشتاور یک قاب موتور 85 میلی متر معادل گشتاور دارای امتیاز یک موتور 400 W Servo در هنگام 1000 R/دقیقه است.

گشتاور در یک محدوده سرعت حتی پایین تر می تواند تا 5 برابر بیشتر باشد. برای موقعیت یابی کوتاه ، داشتن گشتاور بالا در محدوده کم / سرعت متوسط ​​ضروری است.

نقطه 3
پاسخگو بودن بالا!

برنامه های مناسب

به غیر از یک برنامه کاربردی با شروع و توقف مکرر ، موتورهای پله ای برای موقعیت یابی پردازنده های بررسی تصویر که از لرزش ها غافل هستند ، درایوهای CAM که تنظیم آن با موتورهای سروو دشوار است و مکانیسم های استحکام کم مانند درایو کمربند مناسب هستند. علاوه بر این ، با تعویض یک درایو پیچ توپ به درایو کمربند ، هزینه به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.

مزیت ویژگی های عالی

علاوه بر کاهش هزینه ، موتورهای پله ای از نظر عملکرد مزایای بسیاری دارند. نمودار زیر گشتاور تبدیل کننده نمونه سری RKII را به دامنه های معمولی سرویس دهنده های سروو نشان می دهد. علاوه بر این ، اطلاعات دقیق در مورد موتورهای استپر ، مانند ساختار اساسی ، سیستم و برنامه های مثال ، برای اطلاعات بیشتر در مورد موتورهای استپر معرفی می شود.

مبانی موتورهای پله

عمل و ساختار

یک موتور پله ای درست مانند دست دوم یک ساعت با یک زاویه پله ثابت می چرخد. موقعیت یابی بسیار دقیق به لطف ساختار مکانیکی موجود در موتور می تواند با کنترل حلقه باز انجام شود.

موقعیت یابی دقیق (تعداد مراحل)

در حالی که کنترل کامل چرخش و سرعت دارد ، ساختار ساده موتورهای پله ای بدون استفاده از اجزای الکتریکی مانند رمزگذار درون موتور حاصل می شود. به همین دلیل ، موتورهای پله ای بسیار قوی هستند و با خرابی های بسیار کمی از قابلیت اطمینان بالایی برخوردار هستند. در مورد توقف دقت ، 0.05 ± ° (بدون خطاهای زمین تجمعی) بسیار دقیق است. از آنجا که موقعیت یابی موتورهای پله ای با کنترل حلقه باز انجام می شود و توسط استاتور مغناطیسی و روتور مغناطیسی با دندانهای کوچک عمل می شود ، موتورهای پله ای مکانیسم پیگیری بالاتری نسبت به دستورات نسبت به موتورهای سروو دارند. همچنین ، هنگام متوقف کردن موتورهای پله ای ، هیچ شکار رخ نمی دهد. آنها همچنین در درایوهای کمربند بسیار عالی هستند که از استحکام کم برخوردار هستند.

برای کنترل سرعت و کنترل موقعیت مفید است

هنگامی که پالس ها از طریق ژنراتور پالس به درایور وارد می شوند ، با توجه به تعداد پالس های ورودی ، موقعیت موتورهای استپ را قرار می دهد. زاویه اصلی مرحله موتورهای استپر 5 فاز 0.72 درجه و 1.8 درجه برای موتورهای پله 2 فاز است. سرعت چرخش موتور پله با سرعت فرکانس پالس (هرتز) به راننده تعیین می شود و می توان با تغییر تعداد پالس های ورودی یا فرکانس ها به درایور ، چرخش موتور را آزادانه تغییر داد. موتورهای پله ای نه تنها به عنوان موتورهای کنترل موقعیت بلکه به عنوان موتورهای کنترل سرعت با هماهنگ سازی بالا عمل می کنند.

موتورهای پله ای استفاده می کنند:

• فرکانس بالا ، موقعیت یابی تکراری زاویه های مرحله ثابت
• موقعیت یابی که به دلیل تعدیل عرض و غیره نیاز به زمان توقف طولانی دارد.
• نوسان بارها و تغییر استحکام
• موقعیت یابی که 1 چرخه را تقسیم می کند
• شفت های موتوری که نیاز به عملکرد همزمان دارند

سیستم عامل

کنترل ساده بدون سنسور یا بازخورد

از آنجا که می توان در حالی که همگام سازی با تعداد پالس های فرمان و سرعت ، موقعیت یابی دقیق و کنترل موقعیت را انجام داد ، دیگر نیازی به دستگاه هایی مانند سنسور برای موقعیت یابی نیست. بنابراین ، کل سیستم برای ساخت ساده است. اگر کنترل پیشرفته ، مانند یک عملیات درون یابی ، لازم نیست ، درایور نوع عملکرد کنترل کننده داخلی توصیه می شود. با از بین بردن کنترل کننده ها ، مانند ژنراتور پالس و ماژول های موقعیت یابی PLC ، هزینه کاهش می یابد.

سنسور داخلی نوع حلقه بسته

اگرچه موقعیت یابی با دقت بالا با کنترل حلقه باز امکان پذیر است ، در صورت بروز مشکلی چه اتفاقی می افتد؟ به منظور جلوگیری از چنین مشکلات ، از نوع رمزگذار یا موتور کنترل حلقه بسته (سری AR) استفاده می شود.

آیا می توان هزینه را بیشتر کاهش داد؟

مسئله متداول در بین مهندسان طراحی کاهش هزینه است. آیا واقعاً راهی برای کاهش بیشتر هزینه وجود ندارد؟ برای یافتن یک آزمایش کاهش هزینه ، با پیشرفت های مشخصات ، بر اساس مکانیسم پیچ توپ انجام شد. موارد زیر جزئیات آزمون را توضیح می دهد:

مأموریت

مکانیسم حرکت خطی

1. افزایش بیشتر سرعت
2. بیشتر هزینه را کاهش دهید
[شرایط تجهیزات برنامه ریزی شده در اصل] مکانیسم: پیچ توپ + شرایط موتور سروو مانند بار ، سرعت و سرب ، که در سمت راست نشان داده شده است ، بر اساس موتور سروو متصل به پیچ های توپ و صفحه فولادی تعیین می شود.

برنامه ریزی کردن

مکانیسم را به قرقره کمربند تغییر دهید
• پیچ توپ در صورت تلاش برای افزایش سرعت => مکانیسم کمربند ممکن است مناسب تر باشد => 1000mm/sec تا 1500 میلی متر در ثانیه با مکانیسم کمربند امکان پذیر است. در صورت عدم وجود صحت موقعیت ، کمربند را تغییر دهید. • اگر تغییر به کمربند امکان پذیر باشد => کمربند ارزان است اما استحکام کم آن ممکن است بر پایداری عملکرد موتور سروو حتی با تنظیم خودکار تأثیر بگذارد ، هزینه قابل توجهی را کاهش دهید.

مشکلات

1. تفاوت در توقف دقت بین پیچ و کمربند ... چقدر دقت توقف لازم است؟
2. تأثیر استحکام کم ... تأثیر در زمان حل و فصل ، جلوگیری از مشکل تنظیم
• بهتر است که دقت را با پیچ متوقف کنید. مشکلی برای تغییر در کمربند نیست؟ => دقت توقف مورد نیاز برنامه 0.05 ± 0.1 میلی متر پوند است که به اندازه یک پیچ دقیق نیست. بنابراین ، جایگزین کردن کمربند اشکالی ندارد.
• در صورت تغییر به کمربند ، استحکام روی مکانیسم کم می شود ، بنابراین حرکات حرکتی سروو ناپایدار می شود. => در بین موتورهای موقعیت یابی ، موتورهای پله ای رمزگذار داخلی ندارند. به همین دلیل ، آنها نیازی به تنظیم ندارند و در برابر استحکام کم قوی هستند. حرکات آنها بدون در نظر گرفتن بارهای نوسان پایدار است. اگر خروجی یکسان است ، موتورهای پله ای را در نظر بگیرید.

تخمین

مکانیسم: قرقره کمربند + موتور: با موتور پله ای امتحان کنید

مشکلات

1. تفاوت در توقف دقت بین پیچ و کمربند ... چقدر دقت توقف لازم است؟
2. تأثیر استحکام کم ... تأثیر در زمان حل و فصل ، جلوگیری از مشکل تنظیم
• بهتر است که دقت را با پیچ متوقف کنید. مشکلی برای تغییر در کمربند نیست؟ => دقت توقف مورد نیاز برنامه 0.05 ± 0.1 میلی متر پوند است که به اندازه یک پیچ دقیق نیست. بنابراین ، جایگزین کردن کمربند اشکالی ندارد.
• در صورت تغییر به کمربند ، استحکام روی مکانیسم کم می شود ، بنابراین حرکات حرکتی سروو ناپایدار می شود. => در بین موتورهای موقعیت یابی ، موتورهای پله ای رمزگذار داخلی ندارند. به همین دلیل ، آنها نیازی به تنظیم ندارند و در برابر استحکام کم قوی هستند. حرکات آنها بدون در نظر گرفتن بارهای نوسان پایدار است. اگر خروجی یکسان است ، موتورهای پله ای را در نظر بگیرید.

تخمین

مکانیسم: قرقره کمربند + موتور: با موتور پله ای امتحان کنید

• جرم قابل حمل -> حداکثر. بار مجاز 7 کیلوگرم • سرعت مسافرت -> با تغییر از موتور پله به موتور سروو ، به 800 میلی متر در ثانیه بهتر می شود ، 50 ٪ هزینه را کاهش می دهد! مکانیسم => با تغییر از پیچ توپ به مکانیسم کمربند ، هزینه 7 ٪ کاهش یافته است!

نتایج

فضای زیادی برای کاهش هزینه وجود داشت!
با انجام یک بررسی مبتنی بر صفر از مکانیسم و ​​همچنین انتخاب موتور بر اساس ویژگی ها ، ما توانستیم مشخصات را افزایش داده و هزینه را کاهش دهیم ، حتی با اندازه موتور کمی بزرگتر شد. در گذشته ، انتخاب موتور بر اساس سهولت استفاده یا آشنایی آن انجام می شد. پس از این تمرین ، اختلاف عملیات بین موتورهای سروو و موتورهای استپر روشن شد. جای تعجب داشت که موتورهای استپر مقرون به صرفه تر از حد انتظار هستند. با استفاده از این روش باید جایی برای کاهش هزینه دستگاه های دیگر وجود داشته باشد. این تمرین دوباره اعلام کرد که انتخاب متعادل بین مشخصات حرکتی و هزینه ، در حالی که به حداکثر رساندن ویژگی های حرکتی مهم است.

کدام یک از دقت توقف بالاتر - موتور پله ای یا موتور سروو؟

پرس و جو مشتری: به دنبال یک موتور با دقت توقف خوب است. چه مقدار تفاوت بین موتورهای پله ای و موتورهای سروو وجود دارد؟

فرض: سری AC Servo Motor NX مجهز به یک رمزگذار 20 بیتی است ، بنابراین باید وضوح خوبی داشته باشد و دقت توقف خوبی داشته باشد.

اول ، لازم است تفاوت بین وضوح و دقت متوقف شود: وضوح تعداد مراحل در هر انقلاب است و به آن نیز زاویه ای از موتورهای استپ گفته می شود. هنگام بررسی دقیق موقعیت مورد نیاز ، لازم است. توقف دقت تفاوت بین موقعیت توقف واقعی و موقعیت توقف نظری است.

آیا این بدان معنی است که موتور AC Servo که مجهز به رمزگذار با دقت بالا است ، نسبت به موتورهای پله ای بهتر از این دقت متوقف شده است؟
نه کاملاً در گذشته هیچ مشکلی با مفهوم "توقف دقت موتورهای سروو برابر با وضوح رمزگذار در پالس 1 پوند" نبود. با این حال ، موتورهای سروو اخیر مجهز به رمزگذار 20 بیتی (1،048،576 مرحله) هستند که وضوح بسیار خوبی دارد. به همین دلیل ، خطاهای ناشی از دقت نصب رمزگذار تأثیر زیادی در متوقف کردن دقت دارند. بنابراین ، مفهوم توقف دقت کمی شروع به تغییر کرده است.
با توجه به نمودارهای مقایسه ، توقف دقت بین موتورهای پله ای و موتورهای AC تقریباً یکسان است (0.02 ± 0.03 پوند). دقت به دقت مکانیکی موتور برای موتورهای پله ای بستگی دارد ، بنابراین اگر موقعیت توقف در هر 7.2 درجه انجام شود ، موقعیت یابی توسط همان دندانهای کوچک روی روتور در هر زمان ، مطابق ساختار حرکتی انجام می شود. این امر باعث می شود تا دقت بیشتری در توقف انجام شود.
با این حال ، موتورهای پله ای بسته به مقدار گشتاور بار ممکن است زاویه جابجایی ایجاد کنند. همچنین ، بسته به شرایط مکانیسم ، موتورهای AC Servo ممکن است به عنوان پاسخی برای به دست آوردن تنظیمات ، عرض شکار گسترده تری داشته باشند. به همین دلایل ، احتیاط لازم است.

مقایسه دقت توقف بین موتورهای استپر و موتورهای AC Servo