Gesloten lusstappenmotorenhebben de verhouding tussen prestatie en kosten in veel bewegingsbesturingstoepassingen veranderd. Het succes van de VIC-progressieve motoren met gesloten lus heeft ook de mogelijkheid geopend om dure servomotoren te vervangen door goedkope alternatieven.stappenmotorenIn een toenemend aantal hoogwaardige industriële automatiseringsapplicaties veranderen technologische ontwikkelingen de verhouding tussen prestaties en kosten van stappenmotoren en servomotoren.
Stappenmotoren versus servomotoren
Volgens de gangbare opvatting presteren servobesturingssystemen beter in toepassingen waar snelheden van meer dan 800 toeren per minuut en een hoge dynamische respons vereist zijn. Stappenmotoren zijn geschikter voor toepassingen met lagere snelheden, lage tot gemiddelde acceleratie en een hoog houdkoppel.
Waarop is deze gangbare opvatting over stappenmotoren en servomotoren dan gebaseerd? Laten we dat hieronder eens nader bekijken.
1. Eenvoud en kosten
Stappenmotoren zijn niet alleen goedkoper dan servomotoren, ze zijn ook eenvoudiger in bedrijf te stellen en te onderhouden. Stappenmotoren zijn stabiel in stilstand en behouden hun positie (zelfs bij dynamische belastingen). Als er echter hogere prestaties vereist zijn voor bepaalde toepassingen, moeten duurdere en complexere servomotoren worden gebruikt.
2. Structuur
StappenmotorenDe motor roteert stapsgewijs, waarbij magnetische spoelen een magneet geleidelijk van de ene positie naar de andere trekken. Om de motor 100 posities in een willekeurige richting te bewegen, vereist het circuit 100 stapbewegingen van de motor. Stappenmotoren gebruiken pulsen voor incrementele bewegingen, waardoor nauwkeurige positionering mogelijk is zonder gebruik te maken van feedbacksensoren.
De bewegingsmethode van een servomotor is anders. Deze verbindt een positiesensor – oftewel een encoder – met de magnetische rotor en detecteert continu de exacte positie van de motor. De servo bewaakt het verschil tussen de werkelijke positie van de motor en de gewenste positie en past de stroom dienovereenkomstig aan. Dit gesloten-lus-systeem zorgt ervoor dat de motor in de juiste bewegingsstand blijft.
3. Snelheid en koppel
Het prestatieverschil tussen stappenmotoren en servomotoren komt voort uit hun verschillende motorontwerpen.StappenmotorenStappenmotoren hebben een veel groter aantal polen dan servomotoren, waardoor een volledige omwenteling van een stappenmotor veel meer stroomwisselingen in de wikkelingen vereist. Dit resulteert in een snelle afname van het koppel bij toenemende snelheden. Bovendien kan de stappenmotor, wanneer het maximale koppel is bereikt, zijn snelheidsynchronisatiefunctie verliezen. Om deze redenen zijn servomotoren in de meeste hogesnelheidstoepassingen de voorkeursoplossing. Daarentegen is het grotere aantal polen van een stappenmotor een voordeel bij lagere snelheden, wanneer de stappenmotor een koppelvoordeel heeft ten opzichte van een servomotor van dezelfde grootte.
Naarmate de snelheid toeneemt, neemt het koppel van de stappenmotor af.
4. Positionering
Er zijn belangrijke verschillen tussen stappenmotoren en servomotoren in toepassingen waarbij de exacte positie van de machine te allen tijde bekend moet zijn. In open-lus bewegingstoepassingen die worden aangestuurd door stappenmotoren, gaat het besturingssysteem ervan uit dat de motor zich altijd in de juiste bewegingsstand bevindt. Echter, wanneer zich een probleem voordoet, zoals een vastgelopen motor door een geblokkeerd onderdeel, kan de controller de werkelijke positie van de machine niet meer bepalen, wat kan leiden tot positieverlies. Het gesloten-lus systeem van de servomotor zelf heeft een voordeel: als deze wordt geblokkeerd door een object, detecteert hij dit onmiddellijk. De machine stopt met werken en zal nooit uit positie raken.
5. Warmte- en energieverbruik
Stappenmotoren met open regelkring gebruiken een vaste stroom en produceren veel warmte. Bij gesloten regelkring wordt alleen de stroom geleverd die nodig is voor de snelheidsregeling, waardoor het probleem van oververhitting van de motor wordt voorkomen.
Vergelijkingssamenvatting
Servobesturingssystemen zijn het meest geschikt voor hogesnelheidstoepassingen met dynamische belastingveranderingen, zoals robotarmen. Stappenmotorbesturingssystemen daarentegen zijn meer geschikt voor toepassingen die een lage tot gemiddelde acceleratie en een hoog houdkoppel vereisen, zoals 3D-printers, transportbanden, hulpassen, enzovoort. Omdat stappenmotoren goedkoper zijn, kunnen ze de kosten van automatiseringssystemen verlagen. Bewegingsbesturingssystemen die de eigenschappen van servomotoren willen benutten, zullen moeten bewijzen dat deze duurdere motoren hun waarde terugverdienen.
Stappenmotoren met gesloten-lusregeling
De stappenmotor met geïntegreerde elektronische besturing is het equivalent van een tweefasige borstelloze gelijkstroommotor en kan positieregeling, snelheidsregeling, DQ-regeling en andere algoritmen uitvoeren. Een absolute encoder met één omwenteling wordt gebruikt voor de gesloten-luscommutatie, waardoor een optimaal koppel bij elke snelheid wordt gegarandeerd.
Laag energieverbruik en koel blijven
VIC-stappenmotoren zijn zeer energiezuinig. In tegenstelling tot open-loop stappenmotoren, die altijd op vol vermogen werken en daardoor warmte- en geluidsproblemen veroorzaken, verandert de stroomsterkte afhankelijk van de actuele bewegingsomstandigheden, bijvoorbeeld tijdens acceleratie en deceleratie. Net als bij servomotoren is de stroom die deze stappenmotoren op een bepaald moment verbruiken evenredig met het benodigde koppel. Doordat de motor en de geïntegreerde elektronische besturingsprintplaat koeler blijven, kunnen VIC-stappenmotoren een hoger piekkoppel bereiken, vergelijkbaar met servomotoren.
Zelfs bij hoge snelheden verbruiken VIC-stappenmotoren minder stroom.
Dankzij de vooruitgang in closed-loop-technologie kunnen stappenmotoren nu worden ingezet in hoogwaardige, snelle toepassingen die voorheen uitsluitend waren weggelegd voor servomotoren.
Stappenmotoren met gesloten-lus-technologie
Wat als de voordelen van gesloten-lus servotechnologie ook toegepast zouden kunnen worden op stappenmotoren?
Zouden we vergelijkbare prestaties als servomotoren kunnen bereiken, terwijl we tegelijkertijd de kostenvoordelen van stappenmotoren behouden?
Door gesloten-lusbesturingstechnologie te combineren, zou de stappenmotor een compleet product worden met de voordelen van zowel servo- als stappenmotoren tegen lage kosten. Omdat stappenmotoren met gesloten-lusbesturing aanzienlijke verbeteringen bieden op het gebied van prestaties en energie-efficiëntie, kunnen ze in een groeiend aantal hoogwaardige toepassingen de duurdere servomotoren vervangen.
Het volgende is een voorbeeld van een VIC-geïntegreerde stappenmotor met ingebouwde closed-loop-regeling om de prestaties en de voor- en nadelen van stappenmotoren met closed-loop-technologie te illustreren.
Precisiegestemde prestatie-eisen
Om voldoende koppel te garanderen om verstoringen te compenseren en stapverlies te voorkomen, moeten stappenmotoren met open lus doorgaans een koppel leveren dat minstens 40% hoger is dan de waarde die de toepassing vereist. Stappenmotoren met gesloten lus van Toda hebben dit probleem niet. Wanneer deze stappenmotoren door overbelasting vastlopen, blijven ze de belasting vasthouden zonder koppelverlies. Ze blijven functioneren nadat de overbelasting is verholpen. Maximaal koppel is gegarandeerd bij elke snelheid en de positiesensor zorgt ervoor dat er geen stapverlies optreedt. Stappenmotoren met gesloten lus kunnen daarom exact worden afgestemd op de koppelvereisten van de betreffende toepassing, zonder dat een extra marge van 40% nodig is.
Bij stappenmotoren met open lus is het lastig om aan hoge momentane koppelvereisten te voldoen vanwege het risico op stapverlies. In vergelijking met conventionele stappenmotoren kunnen VIC-stappenmotoren met gesloten lus een zeer snelle acceleratie, een laag bedrijfsgeluid en een lage resonantie bereiken. Ze kunnen werken met veel hogere bandbreedtes en leveren uitstekende prestaties.
Geen kast
Toda integreert de aandrijfbesturingskaart met de motor, waardoor de hoeveelheid bedrading wordt verminderd en de implementatieoplossing wordt vereenvoudigd. Met Toda kunt u machines bouwen zonder schakelkasten.
Door elektronica te integreren met stappenmotoren wordt de complexiteit verminderd.
Met closed-loop technologie bieden closed-loop stappenmotoren gebruikers uitstekende nauwkeurigheid en efficiëntie, met de prestaties van een servomotor en de lage kosten van een stappenmotor. Goedkopere stappenmotoren vinden geleidelijk aan hun weg naar toepassingen die anders gedomineerd zouden worden door dure servomotoren.
Geplaatst op: 10 april 2023