Svelti i motori passo a passo: dalla meccanica di base ai sistemi di controllo avanzati

Motori Stepper altamente affidabili: scatenamento di potenza e precisione nel controllo del movimento

I motori a passo sono spesso sottovalutati rispetto ai servi motori, ma offrono un'affidabilità comparabile. Questi motori si sincronizzano proprio con segnali di impulso dai controller ai driver, consentendo un posizionamento accurato e un controllo della velocità. Con una coppia ad alta velocità e una vibrazione minima, eccellono in applicazioni a breve distanza e rapida posizionamento.

Motori Stepper: una guida completa a principi, tipi e applicazioni

"I motori a passo passo? Il servo motori deve funzionare meglio." Questo è un malinteso comune quando si discute di motori a passo passo. In realtà, i motori a passo passo eccellono in diverse applicazioni, dalle attrezzature industriali avanzate agli strumenti automatizzati quotidiani. Questo articolo disimbratta il motivo per cui rimangono una scelta migliore per i sistemi guidati dalla precisione.

Mentre alcuni possono trascurare i motori a passo passo, il loro ruolo nel controllo ad alta precisione è fondamentale tra i settori. Poterà l'automazione della fabbrica (FA), le apparecchiature di produzione di semiconduttori/FPD/pannelli solari, dispositivi medici, strumenti analitici, fasi di precisione, sistemi finanziari, macchine per imballaggi alimentari e persino aggiustamenti di apertura della telecamera, migliorando la loro versatilità in ambienti impegnativi e precisioncritici.

Perché usi un motore passo -passo?

Facile da usare: 34%
Economico: 17%
Operazioni semplici: 16%
Non c'è bisogno di accordatura: 12%
Altro: 21%
*# di questionari: 258 (risposte multiple consentite)/ studiate dal motore orientale

Vantaggi chiave: funzionamento facile da usare, semplice e a basso costo

Secondo un sondaggio sugli utenti del motore Stepper, molti li favoriscono per la loro facilità d'uso, funzionamento semplice e basso costo, i beni di base direttamente legati alla loro progettazione strutturale e di sistema. La meccanica e la configurazione semplici dei motori Stepper spiegano naturalmente questi vantaggi. Tuttavia, alcuni lettori potrebbero mettere in discussione la loro precisione e prestazioni di coppia. Tali dubbi vengono affrontati al meglio attraverso confronti diretti con altri motori di controllo come Servos. Comprendendo le caratteristiche del motore Stepper e abbinandole alle esigenze operative, gli utenti possono ridurre efficacemente i costi delle apparecchiature. Di seguito, abbattiamo le loro caratteristiche chiave e approfondimenti tecnici:

Accuratezza di arresto elevata con prestazioni rapide a bassa/media velocità

I motori Stepper offrono una precisione di arresto eccezionale e abilita un controllo preciso ad anello aperto. Ad esempio, la serie RK II raggiunge la precisione di arresto ± 0,05 ° (senza carico) quando si posiziona una tabella rotante. Senza errori cumulativi di gradini, garantiscono un posizionamento coerente ad alta precisione. Il loro design senza codificatore semplifica il sistema di azionamento, riducendo i costi mantenendo l'affidabilità.

Punto 1
Fantastica precisione di fermo

Ad esempio, durante la conversione dell'accuratezza di arresto ± 0,05 ° di un motore passo -passo nel meccanismo della vite a sfera:

Condizioni operative:
• Motore: serie RK II

• Cavo della vite a sfera: 10 mm

Accuratezza di arresto: ± 1,4µ-m

Generalmente, l'accuratezza di un tipo di vite a sfera di terra è di ± 10 µm. Quando si utilizza un tipo di vite a sfera arrotolata, la sua precisione diminuisce a ± 20 µm, indicando che l'accuratezza di arresto di un motore passo -passo è molto più alta di quella dei tipi di vite a sfera.

I motori a passo di passo eccellono nella coppia a bassa/media velocità: un elemento chiave di servo motori, che offre una coppia costante a velocità medio-alta e si adattano a compiti ad alta rotazione a lungo termine. A differenza dei servos, i motori passo-passo dispongono di una curva di coppia non piatta: la coppia di picco a basse/medie velocità diminuisce significativamente ad alte velocità. Questo li rende ideali per applicazioni a breve termine (ad es. Rotazioni limitate), dove forniscono:

• Coppia elevata alle velocità richieste per un posizionamento rapido in attività come tabelle multi-rotazione o pollici.
• Le prestazioni a bassa velocità stabili (una sfida per i servos), con una minima necessità di un funzionamento ad alta velocità, poiché le attività a breve durata rallentano e si fermano prima di raggiungere il picco di giri / min.

In breve, le stepper ottimizzano la coppia dove conta di più: la gamma a bassa/media velocità è fondamentale per le applicazioni a breve distanza e basata sulla precisione.

Alta reattività e eccellente sincronizzazione

La terza caratteristica eccezionale di Stepper Motors è la loro reattività. Con il controllo ad anello aperto, che invia comandi unidirezionali al motore, i motori a passo di passo possono altamente sincronizzarsi con i segnali di comando. Al contrario, i servi motori si basano sul feedback dell'encoder, spesso causando ritardi di comando. I motori Stepper, tuttavia, operano in tempo reale con impulsi in arrivo, minimizzando la latenza e garantendo una risposta rapida.

Ciò rende i motori Stepper ideali per le applicazioni che richiedono sincronizzazione multi-motoria. Ad esempio, nei sistemi di trasferimento della scheda con due trasportatori, ciascuno guidato da un motore separato, i motori a passo passo possono coordinare con precisione i movimenti, garantendo il trasferimento della scheda senza soluzione di continuità tra i trasportatori.

Punto 2
Eccellente gamma a bassa / media velocità!

Esempio: la coppia di una dimensione del telaio del motore 85 mm è equivalente a una coppia nominale di un motore servo da 400 W quando 1000 r/min.

La coppia in un intervallo di velocità ancora più basso può essere fino a 5 volte superiore. Per un posizionamento a breve termine, è essenziale avere una coppia elevata nella gamma bassa / media velocità.

Punto 3
Alta reattività!

Applicazioni adatte

Oltre a un'applicazione di pollice con frequenti avviamenti e arresti, i motori a passo sono adatti per il posizionamento dei processori di controllo delle immagini che non amano le vibrazioni, le unità a camme che sarebbero difficili da regolare con i servi motori e meccanismi a bassa rigidità come un'unità a cinghia. Inoltre, il costo viene ridotto in modo significativo sostituendo un'unità a vite a sfere a un'unità a cinghia.

Vantaggio di grandi caratteristiche

Oltre alla riduzione dei costi, i motori Stepper hanno molti vantaggi in termini di prestazioni. Il seguente grafico mostra la coppia di conversione dell'esempio della serie RKII a quella delle tipiche gamme di wattage. Più in basso e informazioni dettagliate sui motori Stepper, come la struttura di base, il sistema e le applicazioni di esempio, vengono introdotte per ulteriori informazioni sui motori Stepper.

Nozioni di base sui motori a passo passo

Operazione e struttura

Un motore passo -passo ruota con un angolo di passo fisso, proprio come la seconda mano di un orologio. Il posizionamento altamente accurato può essere eseguito con un controllo a circuito aperto grazie alla struttura meccanica all'interno del motore.

Posizionamento accurato (numero di passaggi)

Pur avendo il pieno controllo della rotazione e della velocità, la semplice struttura dei motori passo -passo viene raggiunta senza usare componenti elettrici, come un encoder all'interno del motore. Per questo motivo, i motori Stepper sono molto robusti e hanno un'alta affidabilità con pochissimi guasti. Per quanto riguarda la precisione di arresto, ± 0,05 ° (senza errori cumulativi di pitch) è molto accurato. Poiché il posizionamento dei motori passo-passo viene eseguito mediante controllo a circuito aperto e gestito dallo statore magnetizzato e dal rotore magnetico con denti piccoli, i motori a passo passo hanno un meccanismo di follow-up più elevato verso i comandi rispetto a quello dei servi motori. Inoltre, non si verifica alcuna caccia quando si interrompe i motori a passo passo. Sono anche eccellenti nelle unità a cinghia, che hanno bassa rigidità.

Utile per il controllo della velocità e il controllo della posizione

Quando gli impulsi vengono inseriti su un driver attraverso un generatore di impulsi, la posizione dei motori Stepper in base al numero di impulsi di input. L'angolo di base di base dei motori a passo 5 a 5 fasi è di 0,72 ° e 1,8 ° per motori a passo con due fasi. La velocità di rotazione del motore passo -passo è determinata dalla velocità della frequenza dell'impulso (Hz) data al driver ed è possibile modificare liberamente la rotazione del motore semplicemente cambiando il numero di impulsi di ingresso o frequenze sul driver. I motori a passo successivo non solo servono come motori di controllo della posizione, ma anche come motori di controllo della velocità con elevata sincronizzazione.

Utilizzo di stepper motori:

• Posizionamento ripetitivo ad alta frequenza degli angoli del passaggio fisso
• Posizionamento che richiede un lungo tempo di arresto a causa della regolazione della larghezza, ecc.
• Carichi fluttuanti e modifica della rigidità
• Posizionamento che divide 1 ciclo
• Alberi del motore che richiedono un funzionamento sincrono

Sistema operativo

Controllo semplice senza sensore o feedback

Poiché è possibile eseguire un posizionamento accurato e un controllo della posizione durante la sincronizzazione con il numero di impulsi di comando e velocità, non è necessario dispositivi, come un sensore, per il posizionamento. Pertanto, l'intero sistema è semplice da costruire. Se non è necessario un controllo avanzato, come un'operazione di interpolazione, si consiglia il driver di funzione del controller integrato. Il costo viene ridotto eliminando i controller, come un generatore di impulsi e moduli di posizionamento PLC.

Tipo a circuito chiuso sensore incorporato

Sebbene sia possibile un posizionamento ad alta precisione con il controllo a circuito aperto, cosa accadrebbe se si verificasse un problema? Al fine di evitare tali insidie, è possibile utilizzare un tipo di tipo di controllo a circuito chiuso (serie AR) di tipo a sensore incorporato (Serie AR).

Il costo può essere ulteriormente ridotto?

Il problema comune tra gli ingegneri di progettazione è la riduzione dei costi. Non c'è davvero modo di ridurre ulteriormente i costi? Per scoprire un test di riduzione dei costi, con miglioramenti delle specifiche, è stato condotto in base al meccanismo della vite a sfera. Quanto segue spiega i dettagli del test:

Missione

Meccanismo di movimento lineare

1. Aumenta ulteriormente la velocità
2. Ridurre ulteriormente il costo
[Condizioni del meccanismo di attrezzatura originariamente pianificata]: vite a sfera + Condizioni del motore del servomo come carico, velocità e piombo, mostrati a destra, sono determinate in base al motore servo attaccato con viti a sfera e piastra di acciaio.

Piano

Cambia il meccanismo in Belt Pulley
• La vite a sfera se si tenta di aumentare la velocità => il meccanismo della cinghia può essere più adatto => 1000 mm/sec a 1500 mm/sec è possibile con il meccanismo della cinghia. Modifica della cintura se non vi è alcun problema con l'accuratezza del posizionamento. • Ridurre in modo significativo i costi se è possibile passare alla cinghia => La cinghia è economica ma la sua bassa rigidità può influire sulla stabilità del funzionamento del servomotore, anche con la messa a punto automatica.

Problemi

1. Differenza nell'accuratezza di arresto tra vite e cintura ... quanta precisione di arresto è richiesta?
2. Impatto della bassa rigidità ... Impatto sul tempo di insediamento, evitando il problema della messa a punto
• Migliore la precisione di arresto con la vite. Nessun problema da cambiare nella cintura? => La precisione di arresto richiesta dell'applicazione è ± 0,05 ~ 0,1 mm, il che non è accurato come quello per la vite. Pertanto, dovrebbe andare bene sostituire con la cintura.
• Se si passa alla cinghia, la rigidità sul meccanismo si riduce, quindi i movimenti del servo motorio diventano instabili. => Tra i motori di posizionamento, i motori a passo non hanno un encoder integrato. Per questo motivo, non richiedono alcun aggiustamento e sono forti contro la bassa rigidità. I loro movimenti sono stabili indipendentemente dai carichi fluttuanti. Se l'output è lo stesso, considera i motori Stepper.

Stima

Meccanismo: puleggia a cinghia + motore: prova con il motore passo -passo

Problemi

1. Differenza nell'accuratezza di arresto tra vite e cintura ... quanta precisione di arresto è richiesta?
2. Impatto della bassa rigidità ... Impatto sul tempo di insediamento, evitando il problema della messa a punto
• Migliore la precisione di arresto con la vite. Nessun problema da cambiare nella cintura? => La precisione di arresto richiesta dell'applicazione è ± 0,05 ~ 0,1 mm, il che non è accurato come quello per la vite. Pertanto, dovrebbe andare bene sostituire con la cintura.
• Se si passa alla cinghia, la rigidità sul meccanismo si riduce, quindi i movimenti del servo motorio diventano instabili. => Tra i motori di posizionamento, i motori a passo non hanno un encoder integrato. Per questo motivo, non richiedono alcun aggiustamento e sono forti contro la bassa rigidità. I loro movimenti sono stabili indipendentemente dai carichi fluttuanti. Se l'output è lo stesso, considera i motori Stepper.

Stima

Meccanismo: puleggia a cinghia + motore: prova con il motore passo -passo

• Messa trasportabile -> max. Carico ammissibile 7 kg • Velocità di viaggio -> Migliorato a 800 mm/ sec Motore => cambiando dal motore passo -passo al servomotore, un costo ridotto del 50%! Meccanismo => cambiando dal meccanismo a sfere a cinghia, un costo ridotto del 7%!

Risultati

C'era molto spazio per la riduzione dei costi!
Conducendo una revisione a base zero del meccanismo e della selezione del motore in base alle caratteristiche, siamo riusciti ad aumentare le specifiche e ridurre i costi, anche con le dimensioni del motore sono diventate leggermente più grandi. In passato, la selezione del motore è stata eseguita in base alla sua facilità d'uso o alla sua familiarità. Dopo questo esercizio, le differenze di operazioni tra servo motori e motori passo -passo sono diventate chiare. È stato sorprendente che i motori passo -passo siano più convenienti del previsto. Deve esserci spazio per la riduzione dei costi di altri dispositivi utilizzando questo metodo. Questo esercizio ha riacquistato che la selezione ben bilanciata tra specifiche motorie e costi, al contempo, massimizzare le caratteristiche del motore è la chiave.

Quale ha una precisione di arresto più elevata: motore passo -passo o servo motore?

Richiesta del cliente: alla ricerca di un motore con una buona precisione di arresto. Quanta differenza c'è tra i motori a passo passo e i servi motori?

Assunzione: la serie NX NX del servo AC è dotata di un encoder a 20 bit, quindi dovrebbe avere una risoluzione fine e una buona precisione di arresto.

Innanzitutto, è necessario chiarire la differenza tra la risoluzione e l'accuratezza: la risoluzione è il numero di passaggi per rivoluzione ed è anche chiamato angolo di passaggio per i motori a passo passo. È necessario quando si considera quanto deve essere preciso il posizionamento richiesto. La precisione di arresto è la differenza tra la posizione di arresto effettiva e la posizione di arresto teorica.

Ciò significa che il servomotore AC dotato di un encoder ad alta precisione ha una migliore precisione di fermo rispetto ai motori a passo d'appalto?
Non del tutto. In passato non vi era alcun problema con il concetto di "fermare l'accuratezza dei servi motori uguali alla risoluzione dell'encoder entro ± 1 impulso". Tuttavia, i recenti servi motori sono dotati dell'encoder a 20 bit (1.048.576 passi) che ha una risoluzione molto fine. Per questo motivo, gli errori dovuti alla precisione dell'installazione dell'encoder hanno un enorme effetto sulla fermata accuratezza. Pertanto, il concetto di fermare l'accuratezza ha leggermente iniziato a cambiare.
Secondo i grafici di confronto, l'arresto dell'accuratezza tra i motori a passo passo e i servi motori AC è quasi la stessa (± 0,02º ~ 0,03º). La precisione dipende dalla precisione meccanica del motore per i motori a passo -passo, quindi se è possibile eseguire la posizione di arresto per 7,2º, il posizionamento viene eseguito dagli stessi piccoli denti sul rotore in ogni momento, secondo la struttura del motore. Ciò consente di migliorare ulteriormente la precisione di arresto.
Tuttavia, i motori Stepper possono generare un angolo di spostamento a seconda del valore della coppia di carico. Inoltre, a seconda della condizione del meccanismo, i servi motori AC possono avere una larghezza di caccia più ampia come risposta agli aggiustamenti del guadagno. Per questi motivi, è richiesta qualche cautela.

Confronto della precisione di arresto tra motori a passo passo e servomo