Стъпкови двигатели в системите за автоматизация

• Стъпковите електродвигатели са ключови елементи на автоматизираните машини и системи в съвременната индустрия
  
  
• Те осигуряват висока надеждност, прецизно управление и отлична точност на позициониране
  
  
• През последните години в сегмента се наблюдават множество иновации при управлението, дизайна, ефективността и интеграцията с дигитални технологии

Стъпковите електродвигатели са ключови елементи на автоматизираните машини и системи в съвременната индустрия. Те осигуряват висока надеждност, прецизен контрол и отлична точност на движенията, като играят ролята на оптимална допълваща сервоплатформите технология. Редица иновации при управлението, дизайна и използваните в конструкцията им материали, както и по отношение на ефективността, интеграцията с дигитални платформи и специализираните приложения, превръщат стъпковите двигатели в незаменим компонент на модерните решения за автоматизация.

Еволюция и съвременни възможности

Стъпковите мотори са познати и използвани в техническата практика от повече от век, но едва през последните десетилетия големият им потенциал за технологично усъвършенстване ги превръща във фокус на редица производители в сегмента на задвижващите решения и в своеобразен двигател на четвъртата индустриална революция. Сред популярните им съвременни приложения са системи за вътрешнозаводски транспорт, например конвейерни линии, pick-and-place машини и манипулатори, както и широка гама различни по предназначение автоматизирани платформи с изисквания за прецизен контрол на движението (по посока и скорост), висока повторяемост и точно позициониране. Възможностите за сравнително лесно интегриране на стъпковите двигатели с дигитални технологии за управление, микроконтролери и компютри позволяват изграждането на сложни, гъвкави и високоефективни програмируеми решения за автоматизация.

С всяко следващо технологично поколение моторите от този тип стават все по-компактни и с все по-обширна функционалност. Високото съотношение между въртящ момент и обем/размери на корпуса им осигурява място в множество системи, които е необходимо да се интегрират в силно ограничени пространства в цеховете и заводите.

По своята същност стъпковите двигатели са електромеханични устройства, които преобразуват електрически импулси в ротационно движение. Те работят на принципа на електромагнетизма, а уникална тяхна характеристика е възможността един цял оборот да бъде сегментиран на голям брой по-малки стъпки, което позволява стриктен контрол на движението и позиционирането.

Стъпковите двигатели на практика са синхронни мотори с голям брой полюси. За разлика от конвенционалните електромотори, които се въртят непрекъснато при подаване на захранващо напрежение, тези системи се движат чрез последователност от дискретни стъпки, които могат да бъдат управлявани с висока точност. Ето защо стъпковите мотори намират широко приложение в различни типове критично автоматизирано оборудване в производството и индустрията, включително в металообработващи машини с ЦПУ, роботи, 3D принтери, линии за автоматизирано асемблиране и др.

Контролът на тези устройства се осъществява посредством управляваща схема, която последователно захранва бобините въз основа на входящи импулси от контролер – обикновено микроконтролер или програмируем логически контролер (PLC). Броят на стъпките на оборот (ъгъл на стъпката) и изходният въртящ момент зависят от конструкцията на двигателя и възможностите на задвижващата електроника.

Предимства

Сред основните преимущества на стъпковите двигатели са високият въртящ момент на задържане и отличните способности за позициониране. Чрез интелигентно управление на намотките на статора в стандартен или микростъпков режим могат да бъдат задействани индивидуални или частични стъпкови ходове без нужда от обратна връзка за позицията. Способността на стъпковите двигатели да работят в системи за управление с отворен контур като цяло елиминира необходимостта от комплексни механизми за обратна връзка. Така позицията на мотора се изчислява въз основа на броя на входните импулси, вместо да се разчита на данни от външни сензори. Това опростява дизайна и намалява разходите, което превръща стъпковите двигатели в икономично решение за множество автоматизирани индустриални процеси, включително в разходно ефективна алтернатива на сервомоторите.

Прекомерното ускорение и бързите цикли на натоварване обаче могат да доведат до ситуация, в която стъпковият двигател не може да следва сегментирания си работен ход и започва да “губи стъпки”. В такива случаи се препоръчва използването на енкодер.

Сред водещите предимства на стъпковите мотори, неколкократно споменати дотук, е високата точност на позициониране. Разделянето на оборотите на сегменти позволява прецизно управление на въртенето, което улеснява точното движение и спирането в желаните позиции. Подобна функционалност е незаменима в автоматизирани системи, при които прецизността е ключова, например в металообработващи машини и центри с централно програмно управление, машини за адитивно производство и роботизирани монтажни линии.

Индустриалните стъпкови двигатели се отличават още с възможността да осигуряват голям въртящ момент, особено при ниски скорости на въртене. Тази характеристика е предимство при работа с по-сериозни товари или в приложения, които изискват значителна сила, като роботизирани манипулатори или конвейерни системи. Способността за поддържане на въртящия момент дори в неподвижно състояние е друго ключово преимущество на стъпковите двигатели, което осигурява сигурност и надеждност на технологичните процеси.

Стъпковите мотори стават все по-популярни в съвременната индустриална автоматизация и поради факта, че са сравнително лесни за интегриране и използване. Те обикновено работят с опростен интерфейс за управление на импулси и посока, при който импулсите определят движението, а сигналите за посока – въртенето на двигателя. Интеграцията с PLC или микроконтролери е безпроблемна, което позволява синхронизирана работа с други компоненти на производствената система.

Тенденции и иновации

Една от най-съществените тенденции в технологичното развитие на стъпковите мотори през последните години е именно интеграцията с цифрови системи за управление, като микроконтролери и полеви програмируеми логически матрици (FPGA), която значително подобрява точността и надеждността им. Дигиталният контрол позволява по-плавно движение, по-ниски нива на шум и по-ефективно регулиране на тока, както и намаляване на количеството генерирана топлина и по-дълъг сервизен живот на двигателя. Сред иновациите в сегмента са и компактните модели, проектирани за висок въртящ момент и голяма мощност, които стават възможни благодарение на подобренията в дизайна на електромагнитите и роторите.

Макар традиционно стъпковите двигатели да работят в системи за управление с отворен контур, разчитайки основно на стъпкови команди без обратна връзка за действителната позиция, все по-популярни стават платформите със затворен контур, при които енкодери осигуряват данни за позиционирането, коригират пропуснати стъпки или компенсират околни смущения. Подобни конфигурации осигуряват особено висока прецизност и надеждност във взискателни приложения.

Правейки обзор на водещите тенденции в развитието на стъпковите мотори, няма как да пропуснем енергийната ефективност. Съвременните модели консумират значително по-малко енергия от предшествениците си, същевременно поддържайки висока производителност. Това е критично в приложения, в които минимизирането на потреблението е приоритет, например при устройства с батерийно захранване или в “зелени” производствени системи.

Фундаментални за бъдещето на стъпковите двигатели са и други две концепции – за модуларизация и персонализация. Производителите се фокусират върху непрекъснатото разширяване на възможностите за индивидуализиране на двигателя според специфичните изисквания на приложението за скорост, въртящ момент и мощност/типоразмер. Модулните дизайни от своя страна улесняват интегрирането в разнообразни платформи, което ускорява циклите на разработка и пазарната реализация на нови продукти в сегмента.

Не на последно място ще споменем и подобренията при инженерните материали и производствените технологии, които се използват за изработката на стъпкови мотори от последно поколение. Сега тези устройства са значително по-издръжливи на натоварвания и екстремни условия, по-устойчиви на влага и прах, както и с усъвършенствани възможности за разсейване на топлината. Всичко това позволява значително по-дълъг експлоатационен живот при много по-ниски изисквания за поддръжка.

Приложения в машини с ЦПУ и 3D принтери

Основен клиентски сектор за стъпковите мотори през последните години е машиностроенето и в частност производството на металообработващо оборудване с ЦПУ, включително фрезови машини, стругове, машини за плазмено и лазерно рязане и т. н. Точността и прецизното управление на тези системи до голяма степен зависят именно от стъпковите двигатели, използвани за задвижването на осите им, които гарантират стриктно съответствие на обработващите операции със сложните дигитални дизайни и минимален риск от грешки. Предимство на стъпковите мотори е и способността им ефективно да се координират с различни операционни системи, в зависимост от конфигурацията и изискванията.

Плюс в това направление са и отличните им възможности да задържат въртящия момент и да поддържат позицията си при различни условия на натоварване. Това е от ключова важност с оглед на предотвратяването на нежелани движения на машината по време на работа, както и при изработката на комплексни детайли, изискващи точно позициониране и стабилност при отнемането на материал.

Стъпковите двигатели се характеризират със значително опростено управление, като на практика изискват абсолютния минимум по отношение на контролните устройства, което ги прави лесни и разходно ефективни за интегриране в машини с ЦПУ. Допълнително преимущество е голямата им издръжливост, която им позволява да работят при различни експлоатационни условия, без риск за надеждността и дълговечността на металообработващото оборудване.

Широко приложение намират стъпковите мотори и в индустриалните 3D принтери, които се характеризират с висока степен на автоматизация. Тук основно предимство отново е прецизното управление на скоростта и позицията на двигателя, което дава възможност за изключително точно позициониране на печатащата глава – критично условие за съответствието на отпечатвания триизмерен детайл с неговия дигитален модел. В допълнение, високият въртящ момент при ниска скорост гарантира, че главата се движи плавно и запазва позицията си при различни натоварвания, без опасност от нежелано преместване и грешки в мястото на депозиране на материала.

Стъпковите мотори са отлично решение за задвижване на машини за адитивно производство и поради издръжливостта им на високи температури и непрекъсната работа, както и благодарение на възможностите за работа на базата единствено на прости цифрови сигнали, които позволяват директна интеграция с платките на принтерите и регулиране на параметрите в реално време.

Стъпкови двигатели в роботиката и автоматизацията

Преимуществата по отношение на управляемостта, прецизността и въртящия момент осигуряват обширно приложение на стъпковите двигатели и в индустриалната роботика. Стъпковите двигатели предлагат прецизно ъглово позициониране и управление на въртенето, което ги прави идеални за роботизирани приложения с акцент върху оптималната точност на движенията и финия контрол. Един робот със стъпков мотор може лесно да манипулира с по-големи товари, като ефективно преодолява първоначалните сили на тежестта. Компактните корпуси и улеснената интеграция пък способстват за внедряването на стъпковите двигатели в разнообразни дизайни при промишлените роботизирани системи, включително в пестящи пространство и нестандартни конфигурации.

Ключов приложен сценарий на задвижващите системи от този тип са роботизираните линии за асемблиране. Благодарение на стъпковото управление на движението манипулаторите на отделните станции могат гъвкаво, прецизно и надеждно да извършват различни комбинации от фини движения с постоянно добро качество, стабилност и повторяемост, дори при високи скорости на линията.

Сходна сфера на приложение са конвейерните системи, опаковъчните линии и решенията за визуална инспекция, при които правилното и лесно управляемо придвижване на продуктите е критично условие за успешната им обработка, измерване, проверка за дефекти и пакетиране. Възможността на стъпковите двигатели безпроблемно да се интегрират със сензори, камери и контролни системи дават възможност за максимално ниво на автоматизация, високи скорости и ефективен контрол на качеството.