Žingsniniai varikliai ir servo varikliai

Su Bimba OLE pavaromis galima naudoti žingsnelius ir servo. Jie yra geriausia variklio technologija padėties valdymui. Pasirinkimas, kurį naudoti, priklauso nuo greičio, sukimo momento, kainos ir dažnai pristatymo laiko. Tolesnėje diskusijoje paaiškinami šių dviejų technologijų skirtumai.

Stepper variklio dizainas

Žingsniniai varikliai vadinami „skaitmeniniais varikliais“, nes jie juda žingsniais, kaip laikrodžio rodyklės. Kai įjungiama pirmoji ritė, rotoriaus dantys susilygiuoja su pirmosios statoriaus apvijos dantimis ir laikosi padėtyje. Kai antroji apvija įjungiama, rotoriaus dantys šiek tiek pasislenka ir susilygina su antrosios statoriaus apvijos bei laikymo padėtimi. Visas judėjimas šiame pavyzdyje yra vienas užbaigtas žingsnis.

Paprastai vienam apsisukimui yra 200 žingsnių, 1,8 laipsnio žingsniu. Elektroninių žingsninių variklių valdiklių kūrimas leido sukurti žingsninius variklius. Elektroniniai prietaisai turi maitinti apvijas reikiamu laiku su tinkama įtampa ir srove, tinkama faze ir tinkama tvarka. Valdikliai buvo sukurti taip, kad galėtų judinti žingsninius variklius iki 20,000 žingsnių per apsisukimą, užtikrinant 100 kartų smulkesnį judesį (0,018 laipsnio vienam žingsniui).

Žingsninio variklio sistemos komponentai

Norint suprasti žingsninių variklių veikimą, naudinga suprasti žingsninių variklių sistemos komponentus.

Variklis ir pavara:Laikykite variklį ir pavarą kartu kaip rankos ekvivalentą. Jis nepajudės be galios.

• Išvestis: judančios apkrovos trauka ir greitis.
• Įvestis: maitinimas iš žingsninio tvarkyklės.

Pavara:Įtaisas, suteikiantis raumenį rankai judėti, vadinamas pavara.

• Išėjimas: variklio apvijos tiekiamas reikiamu kiekiu ir tinkama seka, kad pavaros „svirtis“ judėtų norima kryptimi. Pavaroms reikalingas maitinimo šaltinis, pvz., nuolatinės srovės maitinimo šaltinis. Nuolatinės srovės maitinimo šaltinio išėjimo įtampa per pavarą perduodama tiesiai į variklio apvijas. Srovė ir įtampa variklio apvijose yra proporcingi variklio sukimo momentui, todėl proporcinga pavaros mechanizmo traukos išėjimui. Apskritai, kuo didesnė įtampa ir srovė, tuo didesnė trauka. Virš tam tikro taško, srovės padidėjimas padidins tik variklio apvijos temperatūrą, o ne sukimo momentą.
• ĮVESTIS: priima žingsninio impulsus ir krypties komandas iš valdiklio. Kiekvienas elektroninis žingsninis impulsas keičia variklio apvijų maitinimo būdą, o tai savo ruožtu priverčia variklį pasukti vienu žingsniu, o tai judina pavarą.

Valdiklis:Pagalvokite apie valdiklį kaip apie smegenis, kurios nukreipia raumenis.

• Išėjimai: Į pavarą pateikiami žingsnio ir krypties impulsai. PLC taip pat pateikiami įvairūs išėjimai, įskaitant ryšius per magistrales (RS232, RS485, Ethernet IP, Profibus ir kt.), signalus vietoje, aliarmus ir gedimų išėjimus.
• Įvesties duomenys: Sumanus ir sistemingas įvesties iš įvairių šaltinių valdymas.

Magnetiniai jungikliai

Jutikliai kitoje mašinos vietoje
Programuojami valdiklio išėjimai
Autobusų ryšys iš PLC
Kodavimo signalai iš variklių

Koduotuvas:Kodavimo įrenginys yra sistemos „akis“. Jis praneša valdikliui, ar jo komandos buvo įvykdytos. Valdiklis lygina žingsninio impulsus, kuriuos siunčia į diską, su impulsais, kuriuos gauna iš kodavimo įrenginio. Jei jo siunčiami impulsai yra lygūs jo gaunamiems impulsams, valdiklis žino, kad jo komanda buvo įvykdyta. Jei jie nėra lygūs, valdiklis reguliuoja variklį, kol gaus reikiamą kodavimo impulsų skaičių.

Kad būtų lengviau diskutuoti, sistemos blokinėje diagramoje patogiai atskiriami visi funkciniai komponentai. Įprasta, kad gamintojai derina funkcijas. Pavyzdžiui, valdikliai dažnai turi įmontuotus diskus, o kai kuriuose – įmontuotus maitinimo šaltinius. Kai kuriuose varikliuose yra įmontuoti kodavimo įrenginiai, o kai kuriuose – įtaisytosios pavaros ir valdikliai. Kai kurie PLC turi įmontuotus valdiklius.

Žingsninio variklio veikimas
Žingsniniai varikliai turi būdingą pranašumą:

• Žingsniniai varikliai yra pigiausia padėties valdymo variklių technologija.
• Žingsninius variklius galima naudoti atviroje grandinėje, nereikalaujant kodavimo.
• Žingsniniai varikliai suteikia labai didelį sukimo momentą esant mažam greičiui.
• Galimi NEMA rėmo dydžiai su standartizuotu tvirtinimo ir veleno skersmeniu.

Žingsniniai varikliai turi būdingų trūkumų:

• Nors žingsniniai varikliai užtikrina didelį sukimo momentą esant mažam greičiui, sukimo momentas greitai mažėja didėjant greičiui.
• Žingsniniai varikliai gali būti desinchronizuoti; tai yra, nesinchronizuojami su žingsniniais impulsais, gaunamais iš valdiklio. Kitaip tariant, valdiklio impulsai paverčiami variklio apvijų elektros energija, tačiau variklis nesisuka. Taip atsitinka, kai sukimo momentas, reikalingas apkrovai perkelti, viršija variklio sukimo momento pajėgumą esant norimam greičiui. Norėdami išvengti šios problemos:
• Padidinkite variklio dydį. Padidinkite variklį taip, kad jis būtų dvigubai didesnis už maksimalų reikiamą sukimo momentą.
• Sumažinkite greitį iki taško, kuriame variklio sukimo momento pakanka.
• Padidinkite variklio apvijų įtampą (didelis maitinimo šaltinis).
• Padidinkite variklio apvijų srovę (didelis maitinimo šaltinis).
• Norėdami stebėti padėtį ir ištaisyti praleistus veiksmus, naudokite kodavimo įrenginį.
• Sunku sinchronizuoti, nes klaidų taisymas atliekamas potėpio pabaigoje, o ne nuolat realiuoju laiku.
   

Servo variklio dizainas
Pagal apibrėžimą servo yra bet koks įrenginys su grįžtamuoju ryšiu. Servovarikliuose ant statoriaus yra ritės, kurias maitina servo vairuotojas arba stiprintuvas tokia seka, dėl kurios magnetinis rotorius sukasi (suka). Kad valdiklis galėtų nustatyti, kurią apviją įjungti toliau, jis turi žinoti esamą rotoriaus padėtį. Šis jutimas atliekamas naudojant Hall jutiklius arba dviejų funkcijų kodavimo įrenginius.

Servo variklio sistemos komponentai
Servo sistemos blokinė schema yra tokia pati kaip ir žingsninio variklio sistemos, nors komponentai techniškai skiriasi. Servo stiprintuvai yra funkciškai lygiaverčiai žingsninių variklių tvarkyklėms. Kaip ir žingsninių variklių atveju, funkcijas dažniausiai derina gamintojas.

Servo variklio našumas
Servos turi būdingą pranašumą:

• Didelis greitis
• Didelis pagreitis
• Didelis tikslumas
• Didesnis sukimo momentas esant didesniam greičiui
• Keli varikliai gali būti lengvai sinchronizuojami (klaidų taisymas realiuoju laiku)

Servos turi būdingų trūkumų:

• Sudėtingesnė sistema nei žingsniniai varikliai
• Variklis turi būti sureguliuotas optimaliam veikimui
• Brangesnė sistema nei žingsniniai varikliai
• Mažesnis sukimo momentas esant mažiausiam greičiui nei žingsniniai varikliai
• Nestandartinė tvirtinimo geometrija (priklausomai nuo gamintojo) ir veleno skersmuo
• Mažesnis sukimo momentas esant mažam greičiui nei lygiaverčio dydžio žingsniniai varikliai
   

Naudojimo su elektrinėmis pavaromis pasekmės
Kad ir kokia technologija būtų naudojama, ji turi būti suderinta su pavaros konstrukcija.

• Mažo greičio servosistema gali nepasiekti tokio pat mažo greičio pavaros našumo kaip žingsninis variklis.
• Pakeitus žingsninį variklį su servo ant tos pačios pavaros, nebūtinai bus didesnė trauka esant didesniam greičiui, nes kiti pavaros komponentai gali apriboti veikimą.

Priklausomai nuo taikymo, kiekviena iš dviejų variklių technologijų turi pranašumų. Toliau pateikta lentelė gali būti naudojama kaip vadovas.