Выбор замкнутого контура шагового привода

В этом виде традиционного управления шаговыми двигателями используют устройства обратной связи и методы „без датчиков“ как экономичную альтернативу для некоторых задач управления перемещением с высокими требованиями к безопасности и точности.

Большинство систем перемещения на основе шаговых двигателей работают в разомкнутом контуре и поэтому большей частью недороги. По сути, шаговые системы предлагают единственно возможную технологию движения, которая способна осуществлять управление положением без обратной связи. Однако, когда шаговые двигатели работают на нагрузку в разомкнутом контуре, может произойти потеря синхронности заданных и реальных шагов.

Управление по замкнутому контуру – это разновидность традиционного шагового перемещения. Оно является экономичной альтернативой в тех случаях, когда требуется большая надежность, безопасность или гарантия качества. Контур этих шаговых систем замыкается с помощью устройства обратной связи или одного из разнообразных непрямых методов считывания параметров, что дает возможность проверять/контролировать „пропущенные шаги“, определять потерю скорости двигателя и позволяет добиться большей величины вращающего момента. В последнее время управление по замкнутому контуру (CLC) шаговых приводов помогает реализовывать архитектуры распределенного интеллектуального перемещения.

Доступные методы, выгода

В настоящее время есть несколько технологий для осуществления управления по замкнутому контуру положением, скоростью и/или вращающим моментом шагового двигателя. По возрастанию степени управляемости эти технологии располагаются в следующем порядке: подсчет шагов, регистрация обратной электродвижущей силы и полный сервопривод (подробности – на рисунке „Методы CLC“).

Рауль Кулкарни (Rahul Kulkarni), менеджер по продукции и управлению производством в компании National Instruments (NI), говорит о нескольких причинах и сценариях применения управления по замкнутому контуру:

  • отпадает необходимость в настройке, системы легко устанавливаются и обычно не требуют обслуживания;
  • позволяет осуществлять запуск камеры или устройства сбора данных с точками прерывания во время последовательности перемещения;
  • контролирует позиционное отклонение от установленного значения, эта возможность может отсутствовать в таких приложениях, как нанотехнологии и изготовление полупроводников;
  • корректирует проскальзывание двигателя в конце перемещения.

Последнее из перечисленных действий относится к заданию нужных размеров шагового двигателя в соответствии с требованиями нагрузки и инерции системы, на что не всегда обращают внимание.Кулкарни отмечает: „На практике вы можете немного снизить скорость двигателя, чтобы сократить издержки, при условии, что ваше приложение не требует перемещения по определенной траектории. Именно здесь может помочь управление шагом по замкнутому контуру».

Он также поясняет, что все контроллеры перемещения компании NI: NI 733x (только шаговый двигатель), NI 734x и высокопроизводительная модель NI 735x (шаговый двигатель/серводвигатель) можно сконфигурировать для управления шаговым двигателем в замкнутом контуре. В режиме CLC на осях шагового двигателя для обеспечения обратной связи по скорости и положению используются квадратурные кодовые датчики или аналоговые входы.

Джон Мазуркевич (John Mazurkiewicz), менеджер по производству двигателей в Baldor Electric Co. отмечает, что компания рассматривает шаговые двигатели как простые, недорогие механизмы, идеальные для позиционирования нагрузки. Причины, по которым используются шаговые двигатели, включают упрощенную работу (обычно используются в разомкнутом контуре), более легкое согласование вследствие работы с цифровыми входами и более низкую цену, так как обычно они не оснащены устройствами обратной связи.

MDrive17

Intelligent Motion Systems устанавливает дополнительный энкодер на задней части двигателей серии MDrive, это объединяет контроллер перемещения и микрошаговый привод с шаговым двигателями 14, 17 и 34 стандарта NEMA. На рисунке представлено устройство MDrive17

И все же при операциях в разомкнутом контуре существует риск потери шагов, что влечет за собой неправильное позиционирование. „Это может привести к большому объему брака прежде, чем будет обнаружена ошибка, – отмечает Мазуркевич. – Кроме того, при работе шагового двигателя в режиме с максимальным вращающим моментом или с более высоким ускорением в целях повышения производительности, существует риск самопроизвольной остановки двигателя“. Эти традиционные ограничения шагового двигателя можно обойти, если добавить обратную связь.

Шаговые двигатели в замкнутом контуре могут работать с недорогими энкодерами в отличие от тех, что используются в сервосистемах. Это дополнительное преимущество. „Обычно с шаговыми двигателями могут использоваться энкодеры с несимметричным выходом. Не требуется также электронная коммутация сигналов обратной связи“, – отмечает Мазуркевич.

Как показывает опыт компании Baldor, шаговые двигатели CLC особенно полезны при легких нагрузках и очень коротких перемещениях. Типичные промышленные приложения включают двухкоординатные и поворотные устройства позиционирования в системах числового программного управления (ЧПУ), средствах управления процессами, в полиграфии и упаковке.

Компании Parker Hannifin Corp./ Compumotor рекомендуют шаговые электродвигатели с замкнутым контуром для применения там, где требуется стабильность двигателя при нулевой скорости и подтверждение позиции. Джон Вейлвендер (John Walewander), менеджер по проектированию, утверждает: „С этими регулярно возникающими задачами, которые можно назвать первостепенными, хорошо справляются шаговые двигатели“. Вместо использования устройств обратной связи компания Parker сделала большие инвестиции в технологии „без датчиков“ и разработала патентованные цифровые методы, которые выполняют эти задачи без внешних дополнительных устройств.

Эти методы – активное демпфирование и обнаружение самопроизвольной остановки двигателя без помощи энкодера – использованы в микрошаговых электродвигателях семейства Gemini компании Parker. Вейлвендер считает, что дальнейшее развитие этих сложных алгоритмов сделает их более эффективными, так что меньшие по размеру и более дешевые устройства также будут обладать этими преимуществами. Вейлвендер делает следующий вывод: „Поскольку постоянное совершенствование этих возможностей характерно для всего поколения, то обнаружение самопроизвольной остановки двигателя и методы подавления резонанса станут такими же привычными, как и микрошаговые двигатели сегодня“.

 

Методы управления шаговым перемещением в замкнутом контуре

Согласно мнению представителей компании Incremotion Associates, для управления шаговыми двигателями в замкнутом контуре используются разнообразные методы, среди них: подсчет шагов (или верификация шагов), определение обратной электродвижущей силы без датчиков, полный сервопривод с датчиками обратной связи.

При верификации шагов, самом простом виде контроля позиции, для «подсчета» произведенных шагов используется оптический энкодер с низкими показателями. Простой контур сравнивает число шагов, которое должно было быть произведено с измеренным числом шагов, подтверждая, что шаговый двигатель переместился в нужную позицию.

Как утверждает Дэн Джоунс, президент компании Incremotion, обратная электродвижущая сила (противоЭДС), метод определения без датчиков, использует сигналы противоЭДС двигателя для измерения и управления скоростью. Когда напряжение противоЭДС падает ниже определенного уровня, регулятор «замкнутого контура» переключается на разомкнутый контур для перемещения к окончательной позиции.

Полный сервопривод предполагает постоянное использование энкодера, датчика углового положения или других устройств обратной связи с целью более точного управления положением и вращающим моментом шагового двигателя. Эти устройства поставляются рядом производителей по всему миру.

Компания Parker Hannifin включает активное демпфирование и определение самопроизвольной остановки двигателя без энкодера как варианты управления с помощью противоЭДС. Привод шагового двигателя контролирует и измеряет обороты двигателя и использует информацию о напряжении и токе для совершенствования управления работой двигателя. Активное демпфирование использует эту информацию для ослабления колебаний скорости и позволяет добиться оптимальных показателей вращающего момента. Таким образом, вращающий момент не будет расходоваться на механические колебания (см. рисунок «Вращающий момент – скорость»). При определении самопроизвольной остановки двигателя без энкодера эта информация используется для того, чтобы определить потерю синхронной скорости. Это серьезная проблема при управлении двигателями в разомкнутом контуре.

Боб Пеарент (Bob Parente), технический руководитель прикладных программ в компании Intelligent Motion Systems Inc., говорит: „Шаговые двигатели с замкнутым контуром используются в ответственных приложениях, когда необходимо подтверждение положения“. В качестве примера он приводит автоматический лабораторный химический анализатор/анализатор крови, в котором многочисленные оси перемещаются, чтобы установить тестируемый образец под соответствующий раздаточный автомат реактивов. В это время другие двигатели откатываются назад, загружая точное количество химического реагента, затем продвигаются вперед, чтобы распределить реагенты в определенной последовательности и нужном количестве. Этот процесс аналогичен использованию нескольких шприцев. Пеарент утверждает, что „любая ошибка в позиции любой из осей может привести к потере данных или неточности результатов“.

 

Оправдывая добавленную стоимость

Дополнительный узел или достижение в разработке означают превышение первоначальной стоимости. Это тот случай, когда небольшое превышение стоимости оправдывается значительным экономическим эффектом.

„Даже при добавленной стоимости устройств обратной связи шаговые двигатели остаются экономически эффективными по сравнению с другими технологиями управления движением в замкнутом контуре, – поясняет Пеарент. – Дополнительная стоимость устройства обратной связи оправдывается гарантией точных результатов. Одна ошибка в важном приложении может стоить столько же, сколько все устройство обратной связи“. Энкодер или датчик углового положения представляют собой честное „страхование“, которое дает уверенность в том, что шаговые двигатели находятся в нужной позиции.

По мнению Baldor, замыкание контура ведет к увеличению точности деталей и повышению качества, так как позволяет сравнивать измеренную позицию с требуемой позицией автомата или системы перемещения. „Если обнаруживается расхождение, принимаются определенные меры, чтобы компенсировать пропущенные шаги двигателя“, – говорит Мазуркевич. Цена и польза, получаемая от устройства обратной связи и использования замкнутого контура, были бы оправданы применением. Далее он отмечает: „Дополнительная стоимость находится в зависимости от требуемых характеристик механизма, его производительности, точности позиционирования и требуемого качества деталей“.

Стоимость материалов в управляемом процессе также влияет на определение цены. Вейлвендер из компании Parker поясняет: „Шаговые двигатели часто используются с очень дорогими материалами – от электронных узлов до образцов ДНК. Возможность неудачи оправдывает дополнительную стоимость обратной связи“. В Parker считают, что для совершенствования управления шаговыми двигателями при снижении затрат выгоды от внедрения технологий „без датчиков“ можно сравнить с технологиями применения обратной связи на основе датчиков. Вейлвендер также отмечает, что „развивается новое поколение цифрового управления шаговыми двигателями, где будет меньше использоваться обратная связь на основе внешних датчиков, что послужит дополнительной экономии в машиностроении“.

 

Рыночный взгляд

Incremotion Associates, консалтинговая фирма, специализирующаяся в вопросах управления движением, считает, что управление с проверкой шага используется в 8-10% комбинированных шаговых двигателей. Дэн Джоунс (Dan Jones), президент компании Incremotion, предполагает еще меньшее применение других подходов управления по замкнутому контуру в шаговых двигателях: меньше 1% для методов обратной электродвижущей силы и только около 1% рынка – для полного сервоуправления. Однако Джоунс предполагает, что полное сервоуправление будет развиваться быстрее, чем другие стратегии.

Intelligent Motion Systems разделяет это мнение, отмечая, что доля продаж приложений для систем составляет примерно 10%. Чтобы помочь покупателям определиться с выбором систем с замкнутым контуром, Пеарент задает встречные вопросы: „Что происходит с «изделием», если двигатель находится в неверной позиции?“, „Какова стоимость бракованных деталей, которые были произведены из-за неполадок в работе?“. Если издержки приемлемы, систему с разомкнутым контуром можно оставить. Он также отмечает: „Нужно иметь в виду, что в настоящее время 90% всех систем шаговых двигателей работают с разомкнутым контуром“.

Зависимость вращающего момента шагового двигателя от скорости

Источник: Control Engineering на базе данных предоставленных
Parker Hannifin Corp., 2004

Parker Hannifin/Compumotor применяет Active Damping, вид управления «без датчиков» в замкнутом контуре, для оптимального использования вращающего момента шаговых двигателей. Традиционные шаговые системы не могут работать безопаснрго в зоне ограничения вращающего момента

Кулкарни (National Instruments) считает, что рост использования шаговых двигателей с замкнутым контуром управления в производстве полупроводников и биохимической отрасли в 90-е годы прошлого века связан с повышением требований к управлению движением в среде чистых комнат. В те годы бесще точные сервомеханизмы были еще слишком дорогими. „Поэтому инженеры обратились к разработке конфигураций шаговых двигателей в замкнутом контуре в надежде получить результаты, разрабатывая оба направления“, – отмечает он. С тех пор стоимость бесщеточных сервомеханизмов и двигателей значительно снизилась. Кулкарни считает: „На сегодняшний день приложения шаговых двигателей в замкнутом контуре можно охарактеризовать как стабильные или находящиеся на спаде“.

Для компании Baldor это новая сфера деятельности. Компания планирует, что примерно 20% шаговых двигателей стандартов NEMA (Национальной ассоциации электротехнической промышленности) формата 17, 23 и 34 будет использоваться с энкодерами для дальнейшего применения в замкнутом контуре.

Компания Parker Hannifin оценивает, что 10-15% „приложений точных шаговых двигателей“ используют энкодеры. Если же, по мнению Вейлвендера, учесть все промышленные шаговые двигатели, то процент будет значительно ниже. Он также отмечает, что приложения, использующие аппаратуру для замыкания контура, находятся на спаде, а технологии „без датчиков“ – на подъеме.

В Parker полагают, что технологии „без датчиков“ ждет большое будущее. По мере развития этих методов будут совершенствоваться как двигатели с большим числом полюсов (шаговые), так и двигатели с малым числом полюсов (серводвигатели), причем и те и другие будут использоваться как с обратной связью, так и без нее. „Двигатели «без датчиков» найдут применение в скоростных приложениях, где сегодня используются серводвигатели, а двигатели с датчиками будут применяться для позиционирования“, – делает заключение Вейлвендер.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *