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

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

موتورهای گام به گام اغلب در مقایسه با موتورهای servo کمتر ارزش دارند، اما قابلیت اطمینان قابل مقایسه ای را ارائه می دهند. این موتورها دقیقاً با سیگنال های پالس از کنترل کننده ها به رانندگان هماهنگ می شوند،امکان موقعیت دقیق و کنترل سرعت. با چرخ دنده ی بالا در سرعت های پایین و لرزش های کم، در برنامه های موقعیت گذاری کوتاه و سریع برتری می یابند.

موتورهای مرحله ای: یک راهنمای کامل برای اصول، انواع و کاربردهای آن

" موتورهای گام به گام؟ موتورهای سرو باید عملکرد بهتری داشته باشند. " این یک تصور غلط رایج در هنگام بحث در مورد موتورهای گام به گام است. در واقع،موتورهای مرحله ای در کاربردهای متنوع از تجهیزات پیشرفته صنعتی تا ابزارهای خودکار روزمره برجسته هستنداین مقاله توضیح می دهد که چرا آنها همچنان انتخاب اصلی برای سیستم های دقیق هستند.

در حالی که برخی ممکن است موتورهای مرحله ای را نادیده بگیرند، نقش آنها در کنترل دقت بالا در سراسر صنایع بسیار مهم است. آنها اتوماسیون کارخانه (FA) ، تجهیزات تولید نیمه هادی / FPD / پنل خورشیدی ،دستگاه های پزشکی، ابزارهای تحلیلی، مراحل دقیق، سیستم های مالی، دستگاه های بسته بندی مواد غذایی و حتی تنظیم دیافراگم دوربین ها ثابت می کنند که در محیط های سخت و دقیق بسیار مهم هستند.

چرا از موتور مرحله ای استفاده میکنی؟

استفاده آسان: 34%
ارزان: 17 درصد
عملیات ساده: 16%
نیازی به تنظیم نیست: ۱۲%
سایر: 21%
*# از سوالات: 258 (پاسخ های چندگانه مجاز است) / تحقیق شده توسط موتور شرقی

مزایایی کلیدی: کاربری آسان، عملکرد ساده و هزینه کم

بر اساس نظرسنجی از کاربران موتور مرحله ای، بسیاری از آنها را به دلیل کاربر دوستانه، عملکرد ساده و هزینه کم آنها ترجیح می دهند.مکانیک ساده و پیکربندی موتورهای مرحله ای به طور طبیعی این مزایا را توضیح می دهدبا این حال، برخی از خوانندگان ممکن است دقت و عملکرد گشتاور خود را مورد سوال قرار دهند. چنین تردیداتی بهتر است از طریق مقایسه مستقیم با سایر موتورهای کنترل مانند سرو حل شود.با درک ویژگی های موتور مرحله ای و مطابقت آنها با نیازهای عملیاتیدر زیر، ویژگی های اصلی و بینش های فنی آنها را تجزیه می کنیم:

دقت توقف بالا با عملکرد سریع پایین / متوسط

موتورهای مرحله ای دقت توقف استثنایی را ارائه می دهند و کنترل دقیق حلقه باز را امکان پذیر می کنند. به عنوان مثال ، سری RK II هنگام قرار دادن یک میز چرخش ، دقت توقف ± 0.05 ° (بدون بار) را به دست می آورد.بدون اشتباهات تراکم یافته در گام، آنها موقعیت مکانی دقیق و دقیق را تضمین می کنند. طراحی بدون کدگذاری آنها سیستم محرک را ساده می کند و هزینه ها را کاهش می دهد در حالی که قابلیت اطمینان را حفظ می کند.

ماده 1
دقت توقف فوق العاده

به عنوان مثال، هنگام تبدیل دقت توقف ±0.05° یک موتور مرحله ای به مکانیسم پیچ توپ:

شرایط عملیاتی:
• موتور: سری RK II

• سرب پیچ توپ: 10 میلی متر

دقت توقف: ±1.4μm

به طور کلی دقت یک نوع پیچ توپ زمینی ±10μm است. هنگام استفاده از یک نوع پیچ توپ رول شده، دقت آن به ±20μm کاهش می یابد،نشان دهنده این است که دقت توقف موتور مرحله ای بسیار بالاتر از انواع پیچ های توپ است.

موتورهای مرحله ای در چرخش کم / متوسط سرعت برجسته هستند. یک تفاوت کلیدی از موتورهای سرو، که چرخش ثابت را در سرعت های متوسط تا بالا ارائه می دهند و برای کارهای بلند مدت و چرخش بالا مناسب هستند.,موتورهای مرحله ای دارای یک منحنی گشتاور غیر مسطح هستند: گشتاور اوج در سرعت های پایین / متوسط در سرعت های بالا به طور قابل توجهی کاهش می یابد. این باعث می شود که آنها برای برنامه های کوتاه مدت (به عنوان مثال چرخش محدود) ایده آل باشند.که در آن ارائه می دهند:

• چرخش بزرگ در سرعت های مورد نیاز برای موقعیت سریع در وظایف مانند جداول چند چرخش یا اینچینگ.
• عملکرد پایدار در سرعت کم (یک چالش برای سرو) ، با حداقل نیاز به عملکرد با سرعت بالا ٬ از آنجا که کارهای کوتاه مدت قبل از رسیدن به حداکثر RPM کاهش می یابد و متوقف می شود.

به طور خلاصه، گام ها برای گشتاور بهینه سازی می کنند که مهم ترین آن است: محدوده سرعت پایین / متوسط برای برنامه های کاربردی با فاصله کوتاه و دقیق بسیار مهم است.

پاسخگویی بالا و هماهنگی عالی

سومین ویژگی برجسته موتورهای مرحله ای پاسخگویی آنها است. با کنترل حلقه باز، که دستورات یک طرفه را به موتور ارسال می کند، موتورهای مرحله ای می توانند به شدت با سیگنال های فرمان هماهنگ شوند.در مقابلدر این روش، سرو موتورها به بازخورد انکودر تکیه می کنند، که اغلب باعث تاخیر فرمان می شود. موتورهای مرحله ای، با این حال، در زمان واقعی با پالس های ورودی کار می کنند، تاخیر را به حداقل می رسانند و پاسخ سریع را تضمین می کنند.

این باعث می شود موتورهای مرحله ای برای کاربردهایی که نیاز به همگام سازی چند موتور دارند، ایده آل باشند. به عنوان مثال، در سیستم های انتقال تخت با دو ناقل، هر کدام توسط یک موتور جداگانه هدایت می شوند،موتورهای مرحله ای می توانند حرکات را با دقت هماهنگ کنند، اطمینان از انتقال بدون درز تخت بین ناقلات.

ماده 2
فاصله کم و متوسط عالی!

مثال: گشتاور یک قاب موتور با اندازه 85 میلی متر معادل گشتاور اسمی یک سرو موتور 400 وات با سرعت 1000 دور در دقیقه است.

چرخش در محدوده سرعت حتی پایین تر می تواند تا 5 برابر بیشتر باشد. برای موقعیت کوتاه مدت، داشتن چرخش بالا در محدوده سرعت پایین / متوسط ضروری است.

ماده 3
پاسخگويي عالي!

کاربرد های مناسب

به غیر از یک برنامه ای که با شروع و توقف مکرر، موتورهای مرحله ای مناسب برای موقعیت پردازنده های بررسی تصویر است که لرزش را دوست ندارند،درایوهای کام که تنظیم آن با سرو موتورها دشوار استعلاوه بر این، هزینه به طور قابل توجهی با جایگزینی محرک پیچ توپ با محرک کمربند کاهش می یابد.

مزایایی که از ویژگی های فوق العاده ای برخوردار است

علاوه بر کاهش هزینه، موتورهای مرحله ای از نظر عملکرد مزایای زیادی دارند. نمودار زیر نشان می دهد که چرخش ناقل نمونه سری RKII به محدوده قدرت سرو معمولی تبدیل می شود..در ادامه، اطلاعات دقیق در مورد موتورهای مرحله ای، مانند ساختار اساسی، سیستم و نمونه های کاربردی، برای اطلاعات بیشتر در مورد موتورهای مرحله ای معرفی می شود.

پایه های موتورهای مرحله ای

عملکرد و ساختار

یک موتور مرحله ای با زاویه قدم ثابت می چرخد، درست مثل دست دوم یک ساعت.موقعیت بسیار دقیق می تواند با کنترل باز حلقه به لطف ساختار مکانیکی در موتور انجام شود.

موقعیت دقیق (شمار مراحل)

در حالی که کنترل کامل چرخش و سرعت را دارند، ساختار ساده موتورهای مرحله ای بدون استفاده از اجزای الکتریکی، مانند یک رمزگذاری کننده در موتور به دست می آید. به همین دلیل،موتورهای مرحله ای بسیار قوی هستند و قابلیت اطمینان بالایی با شکست های بسیار کمی دارنددر مورد دقت توقف، ± 0.05 ° (بدون اشتباهات تراکم یافته) بسیار دقیق است.از آنجا که موقعیت موتورهای مرحله ای توسط کنترل حلقه باز انجام می شود و توسط استاتور مغناطیسی و روتور مغناطیسی با دندان های کوچک کار می کندموتورهای مرحله ای دارای مکانیسم پیگیری بیشتری نسبت به فرمان های موتورهای سرو هستند. همچنین هنگام متوقف کردن موتورهای مرحله ای شکار رخ نمی دهد. آنها همچنین در محرک های کمربند عالی هستند.که سفتی کم دارند.

برای کنترل سرعت و کنترل موقعیت مفید است

هنگامی که پالس ها از طریق یک ژنراتور پالس به یک راننده وارد می شوند، موتورهای مرحله ای با توجه به تعداد پالس های ورودی موقعیت می گیرند. زاویه پایه گام موتورهای مرحله ای 5 فاز 0.72 ° و 1.8° برای موتورهای دو فازسرعت چرخش موتور مرحله ای با سرعت فرکانس نبض (Hz) داده شده به راننده تعیین می شود.و ممکن است به طور آزادانه تغییر چرخش موتور به سادگی با تغییر تعداد پالس های ورودی یا فرکانس به رانندهموتورهای مرحله ای نه تنها به عنوان موتورهای کنترل موقعیت، بلکه به عنوان موتورهای کنترل سرعت با همگام سازی بالا عمل می کنند.

موتورهای مرحله ای استفاده می کنند:

• فرکانس بالا، موقعیت تکراری زاویه های گام ثابت
• موقعیت دادن که به دلیل تنظیم عرض و غیره نیاز به زمان توقف طولانی دارد.
• نوسان بار و تغییر در سفتی
• موقعیت دهی که یک چرخه را تقسیم می کند
• شفت های موتور که نیاز به کار همزمان دارند

سیستم عامل

کنترل ساده بدون سنسور یا بازخورد

از آنجا که امکان انجام موقعیت دقیق و کنترل موقعیت در حالی که با تعداد پالس های فرمان و سرعت هماهنگ می شود، نیازی به دستگاه هایی مانند سنسور،برای موقعیت گذاریبنابراین، ساخت کل سیستم ساده است. اگر کنترل پیشرفته، مانند یک عملیات مداخله، مورد نیاز نیست، راننده تابع کنترل کننده داخلی توصیه می شود.هزینه ها با حذف کنترل کننده ها کاهش می یابد، مانند یک ژنراتور پالس و ماژول های موقعیت PLC.

نوع حلقه بسته حسگر داخلی

با اینکه با کنترل حلقه باز، موقعیت گذاری با دقت بالا امکان پذیر است، اما اگر مشکلی رخ دهد چه اتفاقی می افتد؟یک نوع انکودر یا یک نوع موتور کنترل حلقه بسته سنسور داخلی (سری AR) استفاده می شود.

آیا می توان هزینه ها را بیشتر کاهش داد؟

مشکل مشترک در میان مهندسان طراحی کاهش هزینه است. آیا واقعاً راهی برای کاهش بیشتر هزینه وجود ندارد؟ برای پیدا کردن یک آزمایش کاهش هزینه، با بهبود مشخصات،بر اساس مکانیسم پیچ توپ انجام شدجزئیات آزمایش در زیر توضیح داده شده است:

ماموریت

مکانیسم حرکت خطی

1سرعت رو بیشتر کنید
2. هزینه را بیشتر کاهش دهید
[شرایط تجهیزات برنامه ریزی شده در ابتدا] مکانیسم: پیچ توپ + موتور سرو شرایط مانند بار، سرعت و سرب، به سمت راست نشان داده شده،بر اساس سرو موتور متصل به پیچ های توپ و صفحه فولادی تعیین می شوند..

برنامه

مکانیسم رو به چرخ پشتبند عوض کنید
• پیچ توپ اگر می خواهید سرعت را افزایش دهید => مکانیسم کمربند ممکن است مناسب تر باشد => 1000mm / sec به 1500mm / sec با مکانیسم کمربند امکان پذیر است.تغییر به کمربند اگر هیچ مشکلی با دقت موقعیت نیست. • هزینه را به طور قابل توجهی کاهش دهید اگر تغییر به کمربند امکان پذیر باشد => کمربند ارزان است اما سفتی پایین آن ممکن است بر ثبات عملکرد سرو موتور تأثیر بگذارد، حتی با تنظیم خودکار.

مشکلات

1تفاوت دقت توقف بین پیچ و کمربند چقدر دقت توقف لازم است؟
2. اثر سفتی کم... تاثیر بر زمان قرار گرفتن، اجتناب از مشکل تنظیم
• دقت توقف بهتر با پیچ. هیچ مشکلی برای تغییر به کمربند نیست؟ => دقت توقف مورد نیاز برنامه ± 0.05 ~ 0.1mm است، که به اندازه پیچ دقیق نیست.بنابراین، بايد با کمربند تعويض بشه
• اگر به کمربند تغییر دهید، سفتی در مکانیسم کم می شود، بنابراین حرکات سرو موتور ناپایدار می شود.به همین دلیلدر این حالت، موتورهای مرحله ای به اندازه کافی قوی هستند که بدون نیاز به تنظیم و مقاوم در برابر سفتی پایین هستند. حرکات آنها بدون توجه به بار نوسان پایدار است. اگر خروجی یکسان باشد، موتورهای مرحله ای را در نظر بگیرید.

برآورد

مکانیسم: چرخ چرخ کمربند + موتور: با موتور مرحله ای امتحان کنید

مشکلات

1تفاوت دقت توقف بین پیچ و کمربند چقدر دقت توقف لازم است؟
2. اثر سفتی کم... تاثیر بر زمان قرار گرفتن، اجتناب از مشکل تنظیم
• دقت توقف بهتر با پیچ. هیچ مشکلی برای تغییر به کمربند نیست؟ => دقت توقف مورد نیاز برنامه ± 0.05 ~ 0.1mm است، که به اندازه پیچ دقیق نیست.بنابراین، بايد با کمربند تعويض بشه
• اگر به کمربند تغییر دهید، سفتی در مکانیسم کم می شود، بنابراین حرکات سرو موتور ناپایدار می شود.به همین دلیلدر این حالت، موتورهای مرحله ای به اندازه کافی قوی هستند که بدون نیاز به تنظیم و مقاوم در برابر سفتی پایین هستند. حرکات آنها بدون توجه به بار نوسان پایدار است. اگر خروجی یکسان باشد، موتورهای مرحله ای را در نظر بگیرید.

برآورد

مکانیسم: چرخ چرخ کمربند + موتور: با موتور مرحله ای امتحان کنید

• جرم قابل حمل -> حداکثر بار مجاز 7 کیلوگرم • سرعت سفر -> به 800 میلی متر در ثانیه بهبود یافته موتور => با تغییر از موتور مرحله ای به موتور سرو، هزینه 50٪ کاهش می یابد!مکانیسم => با تغییر از پیچ توپ به مکانیسم کمربند، کاهش هزینه 7٪!

نتایج

راه بسیار برای کاهش هزینه ها وجود داشت!
با انجام یک بررسی صفر مبتنی بر مکانیسم و همچنین انتخاب موتور بر اساس ویژگی ها، ما موفق به افزایش مشخصات و کاهش هزینه شدیم،حتی با اندازه موتور کمی بزرگتر شددر گذشته، انتخاب موتور بر اساس سهولت استفاده یا آشنایی آن انجام می شد. پس از این تمرین، تفاوت های عملیاتی بین موتورهای سرو و موتورهای مرحله ای آشکار شد.شگفت آور بود که موتورهای مرحله ای ارزان تر از انتظار بودندباید فضای کاهش هزینه برای دستگاه های دیگر با استفاده از این روش وجود داشته باشد.در حالی که حداکثر کردن ویژگی های موتور کلیدی است.

کدام یک دقت توقف بیشتری دارد؟ موتور مرحله ای یا موتور سرو؟

پرسش مشتری: به دنبال یک موتور با دقت توقف خوب هستید. چه تفاوتی بین موتورهای مرحله ای و موتورهای سرو وجود دارد؟

فرضیه: موتور سرو AC سری NX مجهز به یک رمزگذاری 20 بیتی است، بنابراین باید یک وضوح خوب و دقت توقف خوب داشته باشد.

اول، لازم است که تفاوت بین وضوح و دقت توقف را روشن کنیم: وضوح تعداد گام ها در هر چرخش است و همچنین زاویه گام برای موتورهای مرحله ای نامیده می شود.این مورد مورد نیاز است زمانی که در نظر گرفتن چگونه دقیق موقعیت مورد نیاز نیاز استدقت توقف، تفاوت بین موقعیت واقعی توقف و موقعیت نظری توقف است.

آیا این بدان معنی است که موتور سرو AC مجهز به یک رمزگذاری با دقت بالا دارای دقت توقف بهتر از موتورهای مرحله ای است؟
نه کاملا. در گذشته هیچ مشکلی با این مفهوم وجود نداشت که "دقت متوقف کردن موتورهای سرو برابر با رزولوشن انکودر در عرض ± 1 پالس باشد".در حال حاضر موتورهای سرو مجهز به رمزگذاری 20 بیتی هستند.,048،576 گام) که دارای وضوح بسیار خوب است. به همین دلیل، اشتباهات ناشی از دقت نصب رمزگذاری کننده تأثیر زیادی بر دقت متوقف کردن دارد. بنابراین،مفهوم دقت توقف کمی شروع به تغییر کرده است.
بر اساس نمودار مقایسه، دقت توقف بین موتورهای مرحله ای و موتورهای servo AC تقریباً یکسان است (± 0.02o ~ 0.03o).دقت بستگی به دقت مکانیکی موتور برای موتورهای مرحله ای دارد، بنابراین اگر موقعیت توقف می تواند در هر 7.2o انجام شود، موقعیت دهی توسط همان دندان های کوچک بر روی روتور در همه زمان ها انجام می شود، با توجه به ساختار موتور.این امکان را برای بهبود بیشتر دقت توقف فراهم می کند.
با این حال، موتورهای مرحله ای ممکن است زاویه جابجایی را بسته به ارزش تورک بار تولید کنند.موتورهای سرو AC ممکن است عرض شکار بیشتری به عنوان پاسخ به تنظیمات افزایش داشته باشندبه این دلایل، احتیاط لازم است.

مقایسه دقت توقف بین موتورهای مرحله ای و موتورهای سرو AC