Układy napędowe z silnikami krokowymi – realna konkurencja serwonapędów

Tradycyjne układy napędu z silnikami krokowymi reprezentują technologię sterowania bazującą na otwartych pętlach sterowania. Jednak w ostatnim czasie pojawiają się rozwiązania ze sprzężeniami zwrotnymi, które pozwalają na otrzymanie lepszych osiągów i precyzji działania. Prostsze sterowniki, mniejsze koszty i nowe funkcjonalności sprawiają, że układy napędowe z silnikami krokowymi stają się konkurencją dla jakże dziś popularnych serwonapędów.

Układy napędowe z silnikami krokowymi sprawdzają się doskonale w aplikacjach, gdzie prędkość i wysoka precyzja pozycjonowania nie są parametrami krytycznymi. Podstawowymi zaletami tej technologii napędowej są: brak konieczności dostrajania, doboru nastaw (w przeciwieństwie do układów serwonapędowych), niższe koszty produkcji samych silników oraz prostsze sterowniki i okablowanie. Koszt całej aplikacji napędowej jest stosunkowo niski, nawet po dołączeniu dodatkowych modułów sprzężeń w pętlach sterowania. Inne korzyści wynikające z zastosowania silników krokowych to również lepsze opanowanie bezwładności układu napędowego oraz krótki czas potrzebny do ich implementacji, która może być przeprowadzona również przez osoby nieposiadające bardzo szczegółowej wiedzy technicznej i doświadczenia.
Niskie koszty i związane z tym oszczędności dla inwestorów to kwestia najczęściej podnoszona przez dostawców tych urządzeń. – Silniki krokowe zawsze były i będą korzystniejsze cenowo w stosunku do serwonapędów. Jednak kwestię tę wiązano też z ich gorszymi osiągami i parametrami – komentuje jeden z inżynierów aplikacji w firmie Schneider Electric Motion USA. Wskazuje on również na trzy główne elementy, które pozwalają współczesnym aplikacjom z silnikami krokowymi na konkurowanie z serwonapędami, przy zachowaniu korzystniejszej ceny:

  • eliminacja zjawiska zakleszczania (desynchroinizacja),
  • możliwość automatycznego doboru prądu do zmian obciążenia,
  • możliwość wytworzenia momentu przeciwdziałającego obciążeniu.

Mniejsze koszty, łatwiejsza implementacja
W opinii przedstawicieli firmy B&R Industrial Automation niskie koszty aplikacji z silnikami krokowymi łączą się bezpośrednio z ich popularnością. Ponadto, jeżeli w tych układach istnieje potrzeba zainstalowania pętli sprzężeń zwrotnych, jest to również tańsze i łatwiejsze. – Dla porównania, enkodery bezwzględne wysokiej rozdzielczości, stosowane w zaawansowanych aplikacjach serwonapędowych, mogą kosztować tyle samo lub nawet więcej niż sam silnik, zwłaszcza w niewielkich układach napędowych – wyjaśnia jeden z kierowników działu rozwiązań technologicznych.
Kolejne oszczędności związane z zastosowaniem silników krokowych wynikają z ich mniejszych rozmiarów oraz różnorodności dostępnych wariantów, z montażem bezpośrednio na obsługiwanym urządzeniu lub w sterowniach. Determinuje to wszechstronność możliwych zastosowań i implementacji. – Mnogość dostępnych wariantów aplikacyjnych silników krokowych daje konstruktorom i producentom maszyn swobodę i elastyczność doboru niezbędnych napędów, najlepiej dopasowanych do danego projektu i wymagań aplikacyjnych – dodaje wspomniany pracownik firmy B&R.

Opinię o niskich kosztach i łatwości implementacji napędów podzielają również przedstawiciele firmy Kollmorgen. – Brak modułów i pętli sprzężeń zwrotnych (w większości przypadków) w największym stopniu przyczynia się do redukcji kosztów napędu, redukcji okablowania i uproszczenia struktury dedykowanych sterowników. Dlatego też integracja napędu krokowego w maszynie procesowej może być niekiedy tak prosta, jak włączenie kolejnego modułu I/O dla sterownika PLC – stwierdza jeden z menedżerów produktów firmy Kollmorgen. Dzięki technologii mikrokroków, dostępnej już w tego typu napędach, mogą one osiągać znacznie większą precyzję działania, coraz bliższą tej znanej z klasycznych serwonapędów. – To istotne osiągnięcie, umożliwiające budowę układów napędowych dla wielu mniej precyzyjnych aplikacji, przy mniejszych kosztach – przyznaje pracownik Kollmorgen.
Z kolei przedstawiciele Beckhoff Automation przedstawiają ofertę napędów krokowych jako alternatywę dla serwonapędów, w świetle dwóch czynników: precyzji działania i kosztów. – Nowe technologie w silnikach krokowych pozwalają na oferowanie układów napędowych tańszych, które doskonale sprawdzą się w mniej wymagających aplikacjach lub spełnią wymagania klientów o ograniczonych budżetach na zakup niezbędnych napędów – podkreśla przedstawiciel firmy Beckhoff Automation.
Silniki krokowe, szczególnie wrażliwe na zmienność obciążenia, są jednak znacznie łatwiejsze w wymiarowaniu i dopasowaniu do konkretnych jego wartości, w stosunku do serwonapędów. Jak podkreślają specjaliści branżowi, zwykle bez problemu udaje się znaleźć silnik zdolny do przeniesienia obciążenia szczytowego dwukrotnie większego od nominalnego, przy prędkości nominalnej. Najlepsze wyniki uzyskuje się przy prędkościach nieznacznie większych niż 800 obr./min. – W bardzo wielu przypadkach możliwe jest uzyskiwanie funkcjonalności zgodnych z obecnymi standardami aplikacji przemysłowych, w oparciu o napędy z silnikami krokowymi, przy znacznych oszczędnościach inwestycyjnych w stosunku do popularnych serwonapędów – dodaje pracownik Beckhoff Automation.
Stałe obciążenie, układ silnik i sterownik
Standardowe silniki krokowe pracują z reguły przy dość wysokich prądach, co skutkuje ich znacznym nagrzewaniem się, co z kolei ogranicza czas cykli ich pracy. Ostatnio jednak m.in. firma Oriental Motor USA opracowała nową rodzinę silników krokowych, dedykowanych do pracy przy ciągłym obciążeniu, z wyższym współczynnikiem sprawności w stosunku do klasycznych układów. Złożyło się na to kilka czynników: sterowanie prądem bieżącym w silniku tak, by ograniczyć straty cieplne, zastosowanie lepszego typu stali, optymalizacja torów przepływu strumienia magnetycznego oraz bardziej wydajnych elementów elektronicznych w sterowniku napędu. Właśnie ich kombinacja pozwoliła na uzyskanie stosunkowo dużych momentów obrotowych, przy ograniczeniu poboru prądu.
Innym istotnym elementem rozwoju układów napędowych z silnikami krokowymi była integracja silnika, sterownika i innych elementów pomocniczych układu w jednej zwartej obudowie. Pozwoliło to na zmniejszenie ilości niezbędnych kabli przyłączeniowych i sygnałowych, lepsze dopasowanie parametryczne silnika i sterownika, zintegrowanie i dobór pętli sprzężenia zwrotnego z enkoderem i/lub z opcjami samokorekcji, jak w serwomechanizmach. Takie zwarte pakiety napędowe oferuje wielu producentów. W części z nich implementowane są również popularne interfejsy komunikacyjne, zwiększające funkcjonalność napędu.
Zalety zintegrowanych napędów z silnikami krokowymi docenili też przedstawiciele firmy Schneider Electric. Przez długi czas byli oni zwolennikami układów napędowych z wydzielonym silnikiem i sterownikiem, na przykład linia produktów MDrive z silnikami wymiarowanymi wg NEMA 14, 17, 23 i 34. Jednak połączenie i integracja silnika, sterownika i enkodera w jednej obudowie pozwoliła na ograniczenie kosztów produkcji poprzez zmniejszenie liczby możliwych miejsc uszkodzeń, awarii, uproszczenie układów sprzężeń zwrotnych itp. Dzięki temu napędy z silnikami krokowymi w przypadku wielu aplikacji stały się realną alternatywą dla rozwiązań bazujących na serwonapędach.
Otwarte pętle sterowania lub coś więcej
Według specjalistów branżowych firmy B&R Automation odpowiednio dobrany do aplikacji (dopasowanie obciążeniowe) napęd z silnikiem krokowym, z otwartą pętlą sterowania pozycją, zapewnia dokładność i powtarzalność tegoż pozycjonowania na poziomie 0,5 kroku (0,9° przy rozdzielczości 200 kroków na obrót). – Całkowita dokładność pozycjonowania zależy od wielu czynników, wynikających bezpośrednio z konstrukcji samego silnika i dedykowanego mu sterownika. Metodą powszechnie stosowaną w celu ograniczenia wibracji napędu, związanych z jego krokową pracą, oraz podniesienia poziomu dokładności jest tzw. mikrokrokowanie (ang. microstepping), na przykład 1/10 pojedynczego kroku lub 0,18° – wyjaśniają specjaliści firmy B&R.
Przy doborze napędu z otwartą pętlą do aplikacji, dla generowanego momentu przyjmuje się margines zapasu nawet do 50%, co ma zabezpieczyć przed możliwymi nadzwyczajnymi zmianami obciążenia silnika. Wprowadzenie sterowania z pętlą zwrotną minimalizuje lub wręcz eliminuje te uwarunkowania. W przypadku układów napędowych wymagających jeszcze większych dokładności pozycjonowania i lepszych ogólnych osiągów, silniki krokowe mogą być wyposażone w różnego typu czujniki pozycji. – W prostszych rozwiązaniach wystarcza zwykle zastosowanie prostych czujników weryfikujących osiągnięcie zadanej pozycji i inicjujących ewentualne ruchy korekcyjne. W bardziej zaawansowanych układach można zastosować pętle sprzężenia zwrotnego sygnału położenia, podobnie jak w serwomechanizmach – dodają specjaliści B&R. Trzeba jednak zaznaczyć, że w większości typowych aplikacji przemysłowych wystarczy użyć prostszych czujników. Np. przedstawiciele firmy Oriental Motor USA wspominają o enkoderze z rozdzielczością 200 impulsów/obrót, za 70 dolarów, podczas gdy systemy serwonapędowe mogą wymagać drogich enkoderów z rozdzielczością rzędu 16 000 impulsów/obrót.
Oferowane przez Oriental Motor USA silniki serii AR, wraz z dedykowanymi sterownikami, wyposażone opcjonalnie w układ samokorekcji, symulujący pracę układu zbliżoną do serwonapędu, podobnie sprawnie radzący sobie z pozycjonowaniem nawet przy zmiennym obciążeniu i przyspieszeniach napędu. Specjalne czujniki monitorują obracanie się wału silnika i jego przeciążenia, przekazując dane do sterownika szybko, dzięki sprzężeniu zwrotnemu. Przy utrzymujących się dłużej przeciążeniach generowany jest alarm.
Jednym z mechanizmów implementowanych w najnowszych napędach z silnikami krokowymi jest sterowanie synchronizacją pomiędzy silnikiem i napędzanym układem obciążenia. Przykładowo, układ detekcji zatrzymania, zastosowany w napędzie P7000, przekazuje do użytkownika informację zwrotną o ewentualnym zatrzymaniu silnika. Układ nie wymaga żadnego dodatkowego czujnika w sprzężeniu zwrotnym, ponieważ cała metoda detekcji realizowana jest programowo. Zamiast tego monitorowany jest na bieżąco prąd zasilania silnika i w momencie przekroczenia przez niego wartości granicznych silnik jest wyłączany. Omawiane rozwiązanie może wykryć stany awaryjne: zakleszczenie, zatarcie itp. Zapewnia to bardziej precyzyjne sterowanie i monitorowanie napędu, przy niższych kosztach.
Mnogość aplikacji i zastosowań
Firma Oriental Motor kieruje ofertę swoich napędów z silnikami krokowymi prze-de wszystkim do aplikacji w maszynach sterowanych numerycznie oraz niewielkich układach pozycjonowania x, y, z, z małym zakresem ruchu. – Doskonałymi aplikacjami dla silników krokowych są układy wymagające krótkich ruchów (1 lub 2 obroty wału), precyzyjne pozycjonowanie z powtarzalnością ruchów – mówią specjaliści firmy Oriental Motor. Wskazują na praktyczne wdrożenia zrealizowane w aplikacjach próbkowania, pomiarowych i obsługi pomp, zaworów, gdzie steruje się wielkością przepływów itp.
Silniki krokowe sprawdzą się w aplikacjach podziału/indeksowania na liniach produkcyjnych, dozowania i finalnego pozycjonowania elementów/produktów. Przedstawiciele firmy Kollmorgen wspominają też o aplikacjach etykietowania, wydruków 3D oraz napędów liniowych.
Nie zaleca się natomiast implementacji napędów z silnikami krokowymi w sterowanych zdalnie przekładniach mechanicznych, ponieważ cechują się one około czterokrotnie większą bezwładnością w stosunku do podobnych wymiarowo serwonapędów.
– Napędy z silnikami krokowymi są stosowane przez producentów maszyn i urządzeń przemysłowych wymagających mniejszych osiągów i precyzji działania, w stosunku do rozwiązań bazujących na serwonapędach – podkreśla przedstawiciel firmy Kollmorgen. – Technologia silników krokowych sprawdza się bowiem doskonale w aplikacjach z prędkościami nieprzekraczającymi 15 obr./sek (900 obr./min) – dodaje.
Podobne twierdzą przedstawiciele Beckhoff Automation – podkreślają, że napędy z silnikami krokowymi nie są odpowiednie do aplikacji ze zmiennymi siłami lub masami obciążającymi oraz wymagających dużych prędkości obrotowych. To obszary aplikacyjne będące i pozostające wciąż domeną serwonapędów.
Rozwiązania hybrydowe 
Promowane rozwiązania techniki napędów elektrycznych zmierzają ku ofertom hybrydowym, bazującym na technologii silników krokowych i klasycznych serwonapędów. Efektem takiego podejścia jest możliwość budowania przez producentów maszyn tańszych napędów dla wielu rodzajów aplikacji, z wykorzystaniem tych samych narzędzi programowych co przy stosowanych dotąd serwonapędach. Według firmy Schneider Electric Motion, wprowadzenie do oferty technologii Hybrid Motion przyczyniło się do radykalnego zawężenia przepaści technologicznej i aplikacyjnej, jaka dzieliła dotąd napędy z silnikami krokowymi oraz rozwiązania serwonapędowe. 
Opracował dr inż. Andrzej Ożadowicz, AGH Kraków
CE