Uproszczenie funkcji sterujących, miniaturyzacja silników i sterowników oraz coraz większa tzw. gęstość momentu obrotowego w krokowych układach napędowych czynią z nich istotną alternatywę dla typowych układów serwonapędowych w aplikacjach napędów mniejszych mocy.
Sterownik NextMove e100 firmyBaldor, pracujący w czasie rzeczywistym, może zrealizować interpolację 16 osi ruchu i zarządzać
do 240 osiami połączonymi za pomocą sieci Ethernet Powerlink. W osiach tych mogą być realizowane takie funkcje, jak: ruch z punktu do punktu, powrót do pozycji wyjściowej, sterowanie przesuwem oraz różne funkcje sterowania momentem obrotowym zarówno w silnikach krokowych, jaki serwonapędach
Napędy z silnikami krokowymi mogą być sterowane w układach regulacji z otwartą pętlą, bez konieczności stosowania sprzężenia zwrotnego z informacją o położeniu wału. To czyni z nich układy znacznie prostsze i mniej kosztowne od tradycyjnych serwonapędów. W połączeniu z innymi osiągnięciami współczesnej techniki napędowej, jak: miniaturyzacja sprzętu i elementów mechanicznych oraz możliwość uzyskania wyższych gęstości momentu obrotowego (wartość momentu odniesiona do wymiarów silnika), układy z silnikami krokowymi, mogą z powodzeniem konkurować z innymi rozwiązaniami napędów w wielu aplikacjach, pracujących przy niższych prędkościach i mniejszej dokładności pozycjonowania wału. Mogą one osiągać moc do 0,75 kW, przy czym większość ich typowych aplikacji wymaga mocy znacznie mniejszych. Rynek silników krokowych obsługiwany jest przez dość dużą grupę producentów.
Rozmiar napędu i jego prostota
Przedstawiciele firmy Parker Hannifin postrzegają rozmiary napędu i jego prostotę jako podstawowe zalety silników krokowych, w stosunku do klasycznych serwonapędów, co przenosi się również na ich cenę.
? Niewielkie układy napędowe z silnikami krokowymi są dziś powszechnie dostępne; są również tanie. Istnieje co prawda kilka typów małych serwonapędów, które mogłyby z nimi konkurować, nie są one jednak aż tak małe i tanie, ze względu na konieczność miniaturyzacji niektórych skomplikowanych elementów układu napędowego ? stwierdza menedżer firmy.
Kolejna zaleta i uproszczenie struktury to sterowanie w układzie otwartym. Wszystkie te zalety decydują o coraz korzystniejszej relacji ceny i osiągów w tego typu układach napędowych. Działania innowacyjne w układach z silnikami krokowymi koncentrują się na zmniejszeniu rozmiarów i uzyskaniu lepszych osiągów oraz funkcjonalności, przy zachowaniu rozsądnej ceny rynkowej. Przedstawiciele firmy Parker wyróżniają te aspekty ze względu na konieczność zachowania konkurencyjności cenowej tych układów w stosunku do niewielkich serwonapędów. W tym celu na przykład oddział firmy zajmujący się układami automatyki i elektromechaniki wprowadził na rynek kompaktowy, zminiaturyzowany układ napęd- sterownik o nazwie Prostep, z w pełni programowalnym sterownikiem i wbudowanym modułem We/Wy. Niewielka obudowa wielkości dłoni, w połączeniu z prostymi układami wykonawczymi przyłączanymi do We/Wy, tworzy miniaturowy układ napędowy z silnikiem krokowym. Silniki krokowe firmy Parker produkowane są w standardowych rozmiarach zewnętrznych obudów NEMA 11, 14 i 17, co oznacza wymiar boczny kwadratowego przekroju obudowy o wartości odpowiednio 1,1, 1,4 i 1,7 cala.
W opinii przedstawicieli firmy Shinano Kenshi mniejsze wymiary silników i jednocześnie zwiększone ich momenty obrotowe, mniejszy ich hałas i wibracje to główne zalety układów z silnikami krokowymi. Co więcej, we wszystkich tych obszarach dokonuje się stopniowy postęp, przy utrzymaniu bądź redukcji ceny silników. Nowe materiały i kształty stojanów i wirników w silnikach krokowych pozwoliły na zoptymalizowanie wewnętrznej przestrzeni w silniku i utrzymanie ich rozmiarów w standardach NEMA 17 oraz 23.
Poza wytwarzaniem większego momentu obrotowego, dzięki poprawie ukształtowania strumienia magnetycznego, przeprojektowane nowe silniki krokowe firmy Shinano Kenshi zapewniają również ograniczenie wibracji oraz obniżony o 3 do 6 dB poziom hałasu w czasie pracy, zależnie od częstotliwości wejściowej
Jak wyjaśnia prezes firmy Shinano Kenshi, takie przeprojektowane silniki wytwarzają moment obrotowy 20-30% wyższy, niż klasyczne silniki krokowe, zużywając tę samą ilość energii oraz materiałów magnetycznych. Poprawa wydajności to przede wszystkim efekt zastosowania nowoczesnych materiałów magnetycznych w strukturze silnika. Dla zachowania tej samej ogólnej przestrzeni wewnętrznej silnika konieczne jest zmniejszenie objętości stojana, gdzie ulokowane są uzwojenia fazowe. Nowe materiały pozwoliły również na poprawę kształtu żłobków zarówno w stojanie, jak i wirniku, np. w silniku krokowym STP-43D firmy Shinano Kenshi. W efekcie otrzymano w maszynie bardziej skupiony strumień magnetyczny, który wytwarza mniej słyszalnych podczas pracy silnika szumów (patrz: wykres na poprzedniej stronie) oraz pozwala uzyskać niemal dwukrotnie krótszy czas ustalania pozycji napędu w stosunku do poprzedniego rozwiązania.
Po 2006 roku organizacja Motion Tech Trends przewiduje w Ameryce wzrost rynku napędów krokowych na poziomie 3-4% rocznie
Nie tylko obroty
W całej rodzinieukładów napędowych z silnikami krokowymi znaczącą grupę stanowią napędy liniowe (ruch postępowy), którymi w coraz większym stopniu są zainteresowani inżynierowie i pracownicy branży przemysłowej. Wskazują oni na liczne zalety takich napędów w stosunku do napędów obrotowych i klasycznych serwomechanizmów: mniejsza ilość podzespołów, praktycznie wyeliminowane zużywanie się i serwisowanie oraz łatwa integracja z maszynami przemysłowymi. ? Liniowe silniki krokowe doskonale pasują do aplikacji z niewielkimi obciążeniami, oferując wyższe wartości przyspieszeń i większe prędkości, w stosunku do napędów obracających się ? stwierdza kierownik produkcji w firmie Baldor Electric.
Firma ta produkuje szeroką gamę liniowych napędów krokowych, w tym układy napędowe jedno-, dwu- i wieloosiowe, wytwarzane na życzenie konkretnego klienta. Przykładem jest grupa sterowników o nazwie NextMove, współpracujących z silnikami liniowymi, obrotowymi oraz w razie potrzeby z klasycznymi układami serwomechanizmowymi.
Najnowszym produktem w tej grupie jest sterownik pracujący w czasie rzeczywistym (patrz: zdjęcie na poprzedniej stronie).
Trendy rozwojowe współczesnych układów napędowych z silnikami krokowymi przedstawiciele firmy Oriental Motor określają jako proces doskonalenia oraz integracji funkcji realizowanych w napędach.
Oto kilka najważniejszych z nich:
-
Większa gęstość momentu obrotowego. Zastosowanie nowych materiałów magnetycznych (np. Nd-Fe-B ? neodym-żelazo- -bor), nowe projekty ukształtowania stojana i wirnika oraz zwiększenie średnicy wirnika pozwalają na uzyskanie większych wartości momentu obrotowego przy mniejszych lub tych samych wymiarach zewnętrznych silnika. Jako przykład takich napędów można podać dwie serie hybrydowych napędów wysoko momentowych PV i PK-HT firmy Oriental Motor.
-
Zwiększona dokładność regulacji kąta położenia wału w pracy krokowej i większa łagodność pracy napędu. W celu uzyskania większej dokładności pracy napędu stosuje się zaawansowaną metodę mikrosteppingu, bazującą na sprawniejszym układzie sterowania prądem silnika. Na przykłada w napędach 5-fazowych serii RK firmy Oriental Motor do regulacji prądu w bardzo szerokim zakresie wartości zastosowano połączenie dedykowanych układów elektronicznych ASIC, odpowiedniego oprogramowania oraz czujników prądowych. Czujniki te, przy współpracy z oprogramowaniem sterującym, realizują również funkcje łagodzące pracę napędu, zmniejszające wibracje i hałas, niezależnie od częstotliwości zasilania wejściowego ? wyjaśnia inżynier z firmy Oriental Motor. Napędy 5-fazowe charakteryzują się mniejszymi wibracjami własnymi w stosunku do układów 2-fazowych. Jako przykłady łagodnie pracujących napędów można podać silniki serii RK i CRK firmy Oriental Motor.
-
Bardziej kompaktowe rozmiary. Obserwowany ogólny trend do budowy napędów z otwartymi pętlami sterowania wiąże się również ze zmniejszaniem się ich rozmiarów. Wiele popularnych aplikacji w przenośnych urządzeniach medycznych i przemysłowych wymaga stosowania coraz mniejszych napędów. Aby sprostać temu wyzwaniu firma Oriental Motor opracowała 5-fazowe silniki serii CRK o rozmiarach 8 i 11 oraz silniki 2-fazowe serii PK o rozmiarach 11 i 14 (1,4 cala / 35 mm). Nowe silniki serii CRK mają wymiary 25 x 45 x 65 mm i mogą być obciążone prądem 1,4 A na każdej fazie.
Rynek napędów z silnikami krokowymi
Kolejny trend realizowany w firmie Oriental Motor to produkcja i oferowanie różnych, standardowych elementów składowych systemów napędowych, takich jak: platformy montażowe, elastyczne połączenia, tłumiki drgań, uzwojenia i sterowniki. Taka modułowa oferta komponentów do budowy kompletnych systemów napędowych pozwala na redukcję ich kosztów, a tym samym na zwiększenie ich konkurencyjności w stosunku do klasycznych serwonapędów. W ofercie znajdują się również różne typy przekładni. Tańsza przekładnia ślimakowa ma, zależnie od przełożenia, luz na poziomie 10-35 arcmin (minut kątowych), zaś przekładnia planetarna ma większy zakres przełożeń, przy zachowaniu luzu 3 arcmin. Całkowita eliminacja luzów to domena tzw. przekładni harmonicznych.
Rynek systemów napędowych z silnikami krokowymi jest dość duży. Kluczowe znaczenie odgrywa tu sektor przemysłowy oraz fabryki urządzeń automatyki (układy maszynowe, produkcyjne, roboty itp.) ? dla zakładów produkcji półprzewodników, drukarni, opakowań plastikowych itd.
We wstępnych szacunkowych analizach rynku przewiduje się, że rynek napędów krokowych w Europie jest o około 15% większy, a w Japonii o około 50% większy niż w USA. Według tych szacunków, opracowanych przez specjalistów grupy Motion Tech Trends (MTT), w aplikacjach automatyki dominują dwa rodzaje napędów krokowych. Pierwszy to tanie napędy w ?puszkowych? obudowach oraz napędy magnetyczne hybrydowe. Drugi to napędy o zmiennej reluktancji, spotykane coraz częściej w nowych aplikacjach, o lepszych parametrach pracy, konkurujące cenowo z bardzo tanimi silnikami hybrydowymi z Chin. Jedynym ograniczeniem ich stosowania są aplikacje w środowiskach o wysokiej temperaturze.
Specjaliści firmy Berger Lahr Motion Technology (wchodzącej w skład grupy Schneider Electric) jako kluczowe elementy rozwoju napędów krokowych wymieniają: kompaktowość, prostotę i możliwość łączenia w sieci. Wciąż zmniejszające się rozmiary silników i sterowników pozwalają na ograniczenie rozmiarów szaf sterowniczych oraz powierzchni montażowych na innych urządzeniach, a załadowanie odpowiednich ustawień i parametrów pracy zajmuje niecałą godzinę. Większość systemów napędowych z silnikami krokowymi nie wymaga stosowania specjalizowanego oprogramowania, jednakże jest ono konieczne w niektórych układach z funkcjami wbudowanymi. Możliwość łączenia napędów w sieci (protokoły: CAN, Profibus, Ethernet itp.) pozwala na realizację układów wieloosiowych, komunikację ze sterownikami wyższego poziomu oraz łatwe pobieranie i gromadzenie danych o stanie systemu napędowego i innych urządzeń.
Konkurencja z serwonapędami
W przeciwieństwie do klasycznych układów serwonapędowych systemy wielonapędowe z silnikami krokowymi nie wymagają precyzyjnego strojenia.
Dzięki temu eliminuje się potrzebę realizacji uruchomienia sytemu przez specjalistów oraz redukuje się czas samego uruchomienia. Inna cecha przemawiająca na korzyść silników krokowych to krótszy czas reakcji. W układach serwomechanizmowych korekcja pracy napędu bazuje na uchybie, który jest efektem różnicy pomiędzy sygnałem wymuszającym a aktualnym stanem wielkości wyjściowej ? zgodnie z zasadami funkcjonowania układów sterowania PID z zamkniętą pętlą. Ta metoda regulacji pozycji napędu jest dla niektórych aplikacji, jak chociażby drukarki czy automatyczne metkownice, zbyt wolna. Problem ten znika w układach z silnikami krokowymi. Położenie wału napędu nie zależy od jego aktualnego stanu i może być ustalone przez podanie odpowiedniego sygnału wymuszającego na wejściu.
Nowa seria h3 napędów hybrydowych firmy Portescap oferuje o 40% zwiększony moment obrotowy przy niezmienionych wymiarach zewnętrznych w stosunku do standardowej linii silników h3 podobnych rozwiązań na rynku. W ich stojanie zastosowanonowe materiały magnetyczne lepiej kształtujące i skupiające strumień magnetyczny, a tym samym zwiększające wyjściowy moment obrotowy
W opinii cytowanego już wcześniej prezesa firmy Shinano Kenshi podstawowym obszarem konkurencji rynkowej silników krokowych i serwonapędów jest ich cena. Serwonapędy wciąż nie mogą dorównać poziomowi cen silników krokowych, a ponieważ ceny tych ostatnich ciągle spadają, prawdopodobnie nigdy się to nie uda. Co więcej, silniki krokowe produkowane są masowo w ramach produkcji seryjnej, co dodatkowo zmniejsza ich koszt jednostkowy. Zapotrzebowanie na tzw. ?kompletne systemu operacyjne?, składające się z samych silników krokowych lub serwonapędów, jest raczej znikome. Zazwyczaj takie jedno- lub dwusilnikowe aplikacje wykorzystują standardowe sterowniki napędów, które niekiedy wyposażone są w zbyt wiele niepotrzebnych funkcji i przez to są stosunkowo drogie. Obecnie większość współczesnych silników wytwarzanych jest jako układy zintegrowane z konkretną aplikacją lub aplikacjami standardowymi, które wymagają silników o wyższej jakości.
Większość dużych aplikacji napędowych obsługiwanych jest przez silniki krokowe, przede wszystkim ze względu na ich niższy koszt zakupu. ? Serwonapędy wciąż stosowane są przy produkcji specjalizowanej OEM, ale tylko przy małych i średnich rozmiarach tej produkcji i przy aplikacjach wymagających stosowania sterowania z pętlą zamkniętą oraz z regulacją przyspieszenia napędu, którą mogą zapewnić tylko serwonapędy.
Powracające tematy i zagadnienia
Zdaniem jednego z przedstawicieli firmy GE Fanuc w rozmowach ekspertów wciąż powraca kwestia, iż silniki krokowe wciąż są odpowiednim rozwiązaniem dla aplikacji niższego rzędu, gdzie nie jest wymagana bardzo precyzyjna praca napędu: ? Serwonapędy mogą osiągać znacznie większe prędkości obrotowe i wartości momentu. Dlatego też powinny być wykorzystywane we wszystkich aplikacjach, gdzie wymagane jest bardzo precyzyjne pozycjonowanie i duże momenty lub prędkości obrotowe. Jednym z obszarów działalności firmy GE Fanuc jest opracowanie tzw. inteligentnych silników krokowych i ich mikrosterowników. W takim napędzie jego wzmacniacz jest zintegrowany w jednej obudowie z silnikiem, akomendy sterujące podawane są poprzez jeden z prostych protokołów sieciowych. Napęd wyposażony jest również w układ kontroli kierunku obracania. Dedykowany jest do prostych aplikacji sterowania i pozycjonowania.
? Ceny serwonapędów i silników krokowych spadają. Wciąż jednak pozostaje wiele aplikacji, gdzie warto stosować te ostatnie ? stwierdza przedstawiciel firmy GE Fanuc, dostawcy układów napędowych bazujących zarówno na silnikach krokowych, jak i serwonapędach.
Z kolei przedstawiciele firmy Portescap (Danaher Motion) zwracają uwagę na zdolność układów napędowych z silnikami krokowymi do pozycjonowania bez sygnałów sprzężenia zwrotnego, przy odpowiednim dopasowaniu do aplikacji. To istotny element przewagi nad serwonapędami. Takie rozwiązanie sterowania, w połączeniu z nowoczesnymi metodami budowy napędu, zmniejsza jego jednostkowy koszt. Na przykład firmie tej udało się znacznie zwiększyć moment obrotowy w swoich najnowszych silnikach hybrydowych serii h3.
Aluminiowa obudowa ułatwiła odprowadzenie ciepła, które dotychczas zwiększało temperaturę pracy napędu i zmniejszało jego moment obrotowy na wyjściu. Zmniejszyło się również zużycie energii zasilania napędu.
Materiał magnetyczny na bazie neodymu, stosowany w najnowszych napędach krokowych, pozwala na uzyskanie optymalnej wartości momentu dla danego napędu, bez zwiększania jego rozmiarów. To szczególnie istotna cecha w napędach krokowych hybrydowych.
Liczne innowacyjne rozwiązania pozwalają również na wyciszenie napędów i ograniczenie zjawiska rezonansu. Łożyska silników serii h3 są zabezpieczone przez specjalne koszyczki, zapobiegające powstawaniu ruchu osiowego w czasie ich pracy, który jest jednym z podstawowych źródeł hałasu.
Obszary zastosowań
Silniki krokowe konkurują z serwomechanizmami głównie w aplikacjach, gdzie nie jest konieczne precyzyjne, ale i dłuższe sterowanie w pętli zamkniętej ? chodzi tu o pakowanie, przenoszenie produktów i materiałów oraz montaż elementów oraz w aplikacjach, gdzie nie jest wymagana regulacja przyspieszenia.
Liniowe silniki krokowe stosowane są głównie: w zakładach produkcji półprzewodników i elementów światłowodowych, laserach, sprzęcie medycznym oraz innych tego typu aplikacjach. Silniki te cieszą się ogólnym uznaniem ze względu na niskie koszty ich utrzymania w stosunku do innych, alternatywnych rozwiązań.
Silniki krokowe to idealne rozwiązanie dla aplikacji, gdzie nie jest konieczna ścisła koordynacja pomiędzy osiami ruchu ? są liczne przykłady takich aplikacji w laboratoriach naukowych, medycynie i innych. Przedstawiciele firmy MTT wymieniają tu również urządzenia transportowe, taśmociągi i maszyny pakujące.
Wiele silników krokowych stosowanych jest również w: branży tekstylnej, montażu elementów elektronicznych, analizatorach medycznych oraz przemyśle motoryzacyjnym. Są one także zalecane dla producentów elementów specjalizowanych OEM, gdzie wymagane są niskie koszty realizacji systemów napędowych. Niejednokrotnie o wyborze przez użytkowników silników krokowych decyduje możliwość obsługi przez mniej wykwalifikowany personel.
Jak więc widać, rynek systemów napędowych z silnikami krokowymi ma się całkiem dobrze. Liczne unowocześnienia oraz innowacyjne rozwiązania zwiększają konkurencyjność tego typu napędów, zwłaszcza w wybranych obszarach aplikacji przemysłowych i medycznych. Kompaktowe rozmiary, mniejsze zużycie energii i coraz lepsze parametry pracy oto ich podstawowe zalety.
ce
Artykuł pod redakcją
dr. inż. Andrzeja Ożadowicza,
adiunkta w Katedrze Automatyki
Napędui Urządzeń Przemysłowych
w Akademii Górniczo-Hutniczej
w Krakowie
