Silniki krokowe i serwonapędy

Dla zapewnienia precyzyjnego i kontrolowanego ruchu w układach maszynowych konieczne jest stosowanie odpowiednich silników i napędów. Za podstawę w tym zakresie uznaje się silniki krokowe oraz serwonapędy.
Silniki krokowe znajdują zastosowanie w urządzeniach i maszynach wymagających precyzji w ruchu określonych ich elementów, podzespołów itp. Chodzi przede wszystkim o obrabiarki CNC, manipulatory, roboty, a także całe linie produkcyjne i podzespoły automatyki przemysłowej. Silniki krokowe stanowią również element wybranych urządzeń techniki komputerowej oraz sprzętu audio i wideo (np. ruch głowic czytników).
Silniki krokowe w aplikacjach przemysłowych
W silnikach krokowych o większych mocach przewiduje się moment przekraczający 30 Nm, a więc ich zastosowanie może objąć aplikacje wymagające pozycjonowania większych mas. Dla przykładu dwufazowy silnik krokowy model 57BYGH802 z oferty firmy Wobit bazuje na uzwojeniu unipolarnym 6-przewodowym o prądzie znamionowym wynoszącym 1,5 A. Korpus stanowi kwadrat o wymiarach 57×56 mm. Indukcyjność uzwojenia wynosi 7,1 mH przy rezystancji 3,2 Ù i napięciu znamionowym 4,8 V.
Warto zwrócić uwagę na hybrydowe silniki krokowe o wysokim momencie oraz znacznej mocy. Spektrum zastosowania hybrydowych silników krokowych bardzo często obejmuje obrabiarki CNC. Silniki krokowe tego typu wyróżnia przede wszystkim pewność zachowania dużej mocy. Warto przy tym zwrócić uwagę na modele z krótkimi korpusami. W niektórych wersjach uwzględnia się otwory, za pomocą których instalowany jest enkoder. Nabyć można hybrydowe silniki krokowe z podwyższonym momentem, przeznaczone do obrabiarek CNC. Dostępne są również modele o dwukrotnie większej liczbie kroków na obrót. W miejscach, gdzie konieczne jest użycie większego momentu trzymającego, zastosowanie znajdują silniki krokowe o większej średnicy rotora. Tym samym moment trzymający osiąga do 6,3 Nm. W silnikach tego typu stosuje się wyprowadzenia bipolarne oraz unipolarne.
Małe silniki krokowe cechują się obudowami powyżej 20 mm. Standardowe silniki to 40, 56 i 86 mm, a duże silniki osiągają średnicę obudowy powyżej 110 mm. Przydatne rozwiązanie stanowią modele z krótkimi korpusami, a specjalne otwory pozwalają na montaż enkodera. W niektórych urządzeniach przewidziano podwyższony moment lub dwukrotnie większą liczbę kroków na obrót.
W wielu aplikacjach zastosowanie znajdują miniaturowe silniki krokowe. Urządzenia tego typu zazwyczaj są zasilane napięciem 5 lub 12 VDC. W zależności od napięcia zasilania, krok wynosi odpowiednio 7,5° i 15°, przy momencie wynoszącym do 0,012 Nm. Na rynku oferowane są silniki o podwyższonym momencie do 0,4 Nm.
Specjalne silniki nabyć można z myślą o pozycjonowaniu wynoszącym do kilkunastu milimetrów. Urządzenia tego typu stanowią liniowe aktuatory, gdzie istotną rolę odgrywaduża rozdzielczość przypadająca na jeden krok.
Sterowniki silników krokowych
Dla zapewnienia prawidłowej pracy silników krokowych niezbędne są odpowiednie sterowniki. Niektóre z nich mogą pracować z podwyższonym prądem wynoszącym do 10 A. Dla ochrony przed zakłóceniami w środowisku przemysłowym uwzględnia się izolację wyjść i wejść. Warto zwrócić uwagę na funkcję automatycznego redukowania prądu fazy oraz filtra sygnału skoku. Połączenia elektryczne bazują zwykle na zaciskach śrubowych. Obudowa urządzenia z kolei bazuje na profilu zamkniętym, a w niektórych modelach za chłodzenie odpowiada wentylator. Zasilanie typowego sterownika bazuje na napięciu niestabilizowanym, mieszczącym się pomiędzy 24 a 75 VDC. Oczywiście na rynku są dostępne sterowniki zasilane napięciem stabilizowanym.
Z kolei indeksery pozwalają na kompleksowe nadzorowanie pracy silników krokowych, np. realizację zaprogramowanej sekwencji ruchów silnika. Bardziej zaawansowane sterowniki mogą wykonywać zadania, których nie realizują standardowe sterowniki PLC. Jest więc możliwe wykonywanie skomplikowanych układów ruchowych. Przykładowo indekser MI 389 może współpracować ze sterownikami silników krokowych poprzez wyjścia CLK i DIR oraz wspólne wyjście ENABLE bezpieczeństwo poprzez odseparowanie galwaniczne zapewniają dwa optoizolowane wejścia specjalizowane RUN i STOP. Oprócz tego do dyspozycji pozostaje sześć optoizolowanych wejść ogólnego przeznaczenia. Do współpracy z urządzeniami zewnętrznymi przydać się mogą wejścia czujników krańcowych, dwa wyjścia przekaźnikowe oraz siedem wyjść tranzystorowych.
Serwonapędy
W aplikacjach wymagających pozycjonowania niejednokrotnie zastosowanie znajdują serwonapędy. Urządzenia tego typu to nic innego, jak przetwornice częstotliwości, dzięki którym jest możliwe ustalenie kąta pozycji wałów serwosilników oraz regulowanie ich prędkości obrotowej. W skład typowego serwonapędu wchodzą elementy takie, jak element sprzężenia zwrotnego, stanowiący tachometr, rezolwer lub enkoder oraz sterownik z określonym algorytmem lub regulator.
Nowoczesne sterowniki serwonapędów wykorzystują liczne interfejsy komunikacji sieci automatyki przemysłowej, w tym CANopen. Szeroki wachlarz funkcji łączy w sobie możliwości zadaniowe sterownika PLC, kontrolera oraz sterownika wysokoprądowego. Ochronę działania systemu elektrycznego zapewniają zabezpieczenia podnapięciowe, nadnapięciowe, zwarciowe, nadprądowe oraz termiczne.
W niektórych sterownikach przewidziano synchronizowanie dużej liczby osi poprzez sieć kontroli ruchu Mechatrolink. Powstały w ten sposób system napędowy nie tylko pozwala na zmniejszenie ilości instalacji elektryczno-sterującej, ale również zwiększana jest odporność na zakłócenia pochodzące od sieci elektroenergetycznej. Sieć Mechatrolink z uwzględnieniem podstawowej konfiguracji wieloosiowej zapewnia czas cyklu wynoszący 500 ms.
Warto zwrócić uwagę na stosowane w serwonapędach silniki liniowe. W typowych urządzeniach tego typu uwzględnia się cewki bazujące na laminowanym rdzeniu ferromagnetycznym o uzwojonych korpusach cewek. Moduł cewki po montażu trwale zatapia się w żywicy diatermicznej, co zapewnia odpowiednią sztywność konstrukcyjną. Ścieżka magnetyczna niektórych silników liniowych wykonywana jest z rzędu magnesów rozmieszczonych na jednej stronie niklowanej stalowej płyty nośnej. Pokrywy magnetyczne ze stali nierdzewnej zapewniają ochronę magnesów przed uszkodzeniem. Prędkość silników liniowych wynosi do 5 m/s z dokładnością 0,078 µm.
Serwonapędy na rynku
Z oferty firmy STÖBER Antriebstechnik wybrać można między innymi serwosilniki bazujące na kołnierzowym wale przelotowym. Dzięki takiej konstrukcji jest możliwe przeprowadzenie przewodów, rurek, czy też promienia laserowego bezpośrednio przez silnik. Z kolei zakres mocy napędów 94 SimpleServo firmy Lenze mieści się pomiędzy 2,2 kW a 0,25 kW (zasilanie jednofazowe) oraz od 0,25 kW do 4 kW (zasilanie trójfazowe). Istotną rolę odgrywa programator EPM, przyspieszający wgrywanie oprogramowania do sterownika serwonapędu. Napędy tego typu szczególnie sprawdzają się we współpracy z urządzeniami zewnętrznymi, takimi jak chociażby komputery PC czy sterowniki PLC. Napędy SimpleServo bardzo często pracują jako przekładnie elektroniczne.
Serwoterminal EL7201 jest modułem systemu wejść/wyjść EtherCAT Terminals o charakterze rozproszonym. Moduł ma za zadanie realizowanie zadania serwonapędu dla silników, których moc nie przekracza 200 W. Dzięki urządzeniu jest możliwe integrowanie napędów z innymi komponentami systemów rozproszonych wejść i wyjść. Warto zwrócić uwagę na funkcje kontrolujące stan napędu (obciążenie silnika, napięcie zasilania, temperatura silnika, przetężenia prądowe).
Firma B&R w swoich urządzeniach postawiła na funkcje związane z odzyskiwaniem energii. Jeżeli aplikacja bazuje na złożonych maszynach, gdzie ruchy wykonywane są kolejno, energia kinetyczna często jest uwalniana w rezystorach hamujących w postaci ciepła. Po podłączeniu napędów ACOPOSmulti poprzez szyny DC jest możliwe zaoszczędzenie do 30% energii zużywanej na ruch.
Serwonapędy serii VersaMotion stanowią uzupełnienie serii VersaMax Micro, zapewniając realizowanie precyzyjnego sterowania pracą osi przez kontrolę pozycji, prędkości i momentu siły. Serwonapędy tej serii powstały w oparciu o specjalizowane moduły rozszerzeń sterownika VersaMax Micro (tzw. ekspandery), które są urządzeniami dedykowanymi do sterowania osiami. Pojedynczy moduł umożliwia obsługę dwóch osi, bowiem do sterownika VersaMax Micro można dołączyć dwa takie moduły.

Autor: Damian Żabicki
Fot. Wikimedia Commons/Dolly1010