Hur billigare stegmotorer är ett alternativ till servomotorer

Sluten slingastegmotorerhar förändrat förhållandet mellan prestanda och kostnad i många rörelsestyrningsapplikationer. Framgången med VIC:s progressiva motorer med sluten slinga har också öppnat upp möjligheten att ersätta dyra servomotorer med lågkostnadsmotorer.stegmotorerI ett ökande antal industriella automationsapplikationer med hög standard förändrar tekniska framsteg förhållandet mellan prestanda och kostnad mellan stegmotorer och servomotorer.
Stegmotorer kontra servomotorer
Enligt allmän uppfattning presterar servostyrningssystem bättre i applikationer där hastigheter över 800 varv/min och hög dynamisk respons krävs. Stegmotorer är mer lämpade för applikationer med lägre hastigheter, låg till medelhög acceleration och högt hållmoment.
Så vad är grunden för denna konventionella uppfattning om stegmotorer och servomotorer? Låt oss analysera den mer i detalj nedan.

1. Enkelhet och kostnad
Stegmotorer är inte bara billigare än servomotorer, de är också enklare att driftsätta och underhålla. Stegmotorer är stabila vid stillastående och håller sin position (även med dynamiska belastningar). Om högre prestanda krävs för vissa tillämpningar måste dock dyrare och mer komplexa servomotorer användas.
2. Struktur
Stegmotorerrotera stegvis med hjälp av magnetspolar för att gradvis dra en magnet från en position till nästa. För att flytta motorn 100 positioner i valfri riktning kräver kretsen att 100 stegoperationer utförs på motorn. Stegmotorer använder pulser för att uppnå stegvisa rörelser, vilket möjliggör exakt positionering utan användning av några återkopplingssensorer.

Servomotorns rörelsesätt är annorlunda. Den ansluter en positionssensor – dvs. en kodare – till den magnetiska rotorn och detekterar kontinuerligt motorns exakta position. Servot övervakar skillnaden mellan motorns faktiska position och den kommenderade positionen och justerar strömmen därefter. Detta slutna system håller motorn i rätt rörelsetillstånd.

3. Hastighet och vridmoment
Skillnaden i prestanda mellan stegmotorer och servomotorer härrör från deras olika motordesignlösningar.Stegmotorerhar ett mycket större antal poler än servomotorer, så ett fullt varv av en stegmotor kräver många fler lindningsströmsutbyten, vilket resulterar i ett snabbt vridmomentfall vid ökande hastigheter. Om det maximala vridmomentet uppnås kan stegmotorn dessutom förlora sin hastighetssynkroniseringsfunktion. Av dessa skäl är servomotorer den föredragna lösningen i de flesta höghastighetsapplikationer. Däremot är det högre antalet poler hos en stegmotor fördelaktigt vid lägre hastigheter, när stegmotorn har en vridmomentfördel jämfört med en servomotor av samma storlek.

När hastigheten ökar minskar stegmotorns vridmoment

4. Positionering
Det finns viktiga skillnader mellan stegmotorer och servomotorer i tillämpningar där maskinens exakta position måste vara känd hela tiden. I tillämpningar med öppen slinga som styrs av stegmotorer antar styrsystemet att motorn alltid är i rätt rörelsetillstånd. Men efter att ett problem uppstått, till exempel en motor som stannar på grund av en fastnat komponent, kan styrenheten inte känna till maskinens faktiska position, vilket kan leda till att den förlorar position. Servomotorns slutna system har en fördel: om den fastnar av ett föremål kommer den att upptäcka det omedelbart. Maskinen kommer att sluta fungera och kommer aldrig att vara ur position.

5. Värme- och energiförbrukning
Stegmotorer med öppen slinga använder en fast ström och avger mycket värme. Sluten slinga ger bara den ström som krävs för hastighetsslingan och undviker därför problemet med motoröverhettning.
Jämförelsesammanfattning
Servostyrningssystem är bäst lämpade för höghastighetsapplikationer som involverar dynamiska lastförändringar, såsom robotarmar. Stegmotorstyrningssystem är å andra sidan mer lämpade för applikationer som kräver låg till medelhög acceleration och högt hållmoment, såsom 3D-skrivare, transportband, subaxlar etc. Eftersom stegmotorer är billigare kan de minska kostnaden för automationssystem när de används. Rörelsestyrningssystem som behöver dra nytta av servomotorernas egenskaper måste bevisa att dessa dyrare motorer är värda sin vikt i guld.

Stegmotorer med sluten styrning
Stegmotorn med integrerad elektronisk styrning motsvarar en tvåfas borstlös likströmsmotor och kan utföra positionsstyrning, hastighetsstyrning, DQ-styrning och andra algoritmer. En absolutkodare med ett varv används för sluten kommutering, vilket säkerställer optimalt vridmoment vid alla hastigheter.
Låg energiförbrukning och svalhållning
VIC-stegmotorer är mycket energieffektiva. Till skillnad från stegmotorer med öppen slinga, som alltid arbetar med full strömstyrka och orsakar problem med värme och buller, ändras strömmen beroende på de faktiska rörelseförhållandena, till exempel under acceleration och retardation. I likhet med servon är strömmen som förbrukas av dessa stegmotorer vid varje given tidpunkt proportionell mot det faktiska vridmoment som krävs. Eftersom motorn och det integrerade elektroniska styrkortet arbetar svalare kan VIC-stegmotorer uppnå högre toppmoment jämfört med servomotorer.

Även vid höga hastigheter kräver VIC-stegmotorer mindre ström

Driven av framsteg inom sluten loop-teknik kan stegmotorer penetrera högpresterande, snabba applikationer som tidigare uteslutande tillhörde servomotorer.
Stegmotorer med sluten loop-teknik
Tänk om fördelarna med servoteknik med sluten slinga kunde tillämpas på stegmotorer?
Skulle vi kunna uppnå jämförbar prestanda med servomotorer och samtidigt inse kostnadsfördelarna med stegmotorer?
Genom att kombinera sluten styrteknik skulle stegmotorn bli en heltäckande produkt med fördelarna hos både servo- och stegmotorer till låg kostnad. Eftersom slutna stegmotorer erbjuder betydande förbättringar av prestanda och energieffektivitet kan de ersätta dyrare servomotorer i ett ökande antal högklassiga applikationer.
Följande är ett exempel på en VIC-integrerad stegmotor med inbyggd sluten styrning för att förklara prestandan samt fördelarna och nackdelarna med stegmotorer med sluten teknik.

Exakt matchade prestandakrav
För att säkerställa tillräckligt vridmoment för att övervinna störningar och undvika förlorade steg, behöver stegmotorer med öppen slinga vanligtvis säkerställa att vridmomentet är minst 40 % högre än det värde som krävs av applikationen. Dagens slutna stegmotorer har inte detta problem. När dessa stegmotorer stannar på grund av överbelastning fortsätter de att hålla lasten utan att förlora vridmoment. De fortsätter att fungera efter att överbelastningstillståndet har upphört. Maximalt vridmoment kan garanteras vid varje given hastighet och positionssensorn säkerställer att det inte sker någon stegförlust. Slutna stegmotorer kan därför specificeras för att exakt matcha momentkraven för den relevanta applikationen utan behov av en ytterligare marginal på 40 %.
Med stegmotorer med öppen slinga är det svårt att uppfylla höga momentana vridmomentkrav på grund av risken för förlorade steg. Jämfört med konventionella stegmotorer kan VIC-stegmotorer med sluten slinga uppnå mycket snabb acceleration, lågt driftsljud och låg resonans. De kan arbeta med mycket högre bandbredder och uppnå utmärkt prestanda.

Inget skåp
Toda integrerar drivenhetens styrkort med motorn, vilket minskar mängden kabeldragning och förenklar implementeringslösningen. Med Toda kan du bygga maskiner utan skåp.

Integrering av elektronik med stegmotorer minskar komplexiteten
Med sluten slingteknik erbjuder slutna stegmotorer användarna utmärkt noggrannhet och effektivitet, med prestandan hos en servomotor och den låga kostnaden hos en stegmotor. Billigare stegmotorer penetrerar gradvis applikationer som annars skulle domineras av dyra servomotorer.