Precyzyjna kontrola ruchu w oparciu o silniki krokowe firmy WObit z zadajnikami trajektorii ruchu

Rys. 1. Silnik ST6318F1004-A i sterownik SMC108v2

Do najważniejszych atutów silnika krokowego należą: możliwość kontroli kąta obrotu bez użycia sprzężenia zwrotnego, praca przy niskich prędkościach kątowych oraz zdolność do szybkiej zmiany kierunku ruchu, rozpędzania i hamowania. W porównaniu do silników DC nie mają one szczotek, co znacząco wydłuża żywotność, gdyż zależy ona tylko od jakości łożysk.

Zaletą jest także atrakcyjna cena ze względu na prostą budowę. Fakt, że silnik krokowy może pracować w pętli otwartej, tzn. bez czujnika kontrolującego położenie, pozwala na uproszczenie konstrukcji wielu układów.

Negatywne cechy sprawiające, że silniki krokowe nie nadają się do wszystkich aplikacji to: duży pobór prądu, nagrzewanie się silnika, niska prędkość obrotowa oraz możliwe zjawisko gubienia kroków.

Dla potrzeb aplikacji te wady mogą zostać odpowiednio zniwelowane np. za pomocą sterowania. Do układu sterowania wprowadza się wtedy czujnik w pętli sprzężenia zwrotnego i realizuje się nadążany układ sterowania.

PRZYKŁADY APLIKACJI

Silniki krokowe wraz z odpowiednim sterowaniem znajdują bardzo wiele zastosowań w różnych dziedzinach, począwszy od przemysłu samochodowego, automatyzacji w przemyśle, poprzez urządzenia z zakresu techniki medycznej, a kończąc na urządzeniach biurowych i przemyśle zabawek oraz reklam. W kolejnych rozdziałach przedstawione zostały wybrane przykłady aplikacji silników wraz z dopasowanym sterowaniem.

SMC108v2 ORAZ SILNIK ST6318F1004-A - WYKONYWANIE NADRUKÓW

Pierwszą interesującą aplikacją, na którą warto zwrócić uwagę, jest pozycjonowanie niewielkich elementów w poligrafii i reklamie w celu wykonywania nadruków pod różnym kątem - np. na brelokach do kluczy, nośnikach pamięci USB czy innych gadżetach.

Aby wykonać takie zadania, potrzeba napędu o dużej precyzji i niewielkich rozmiarach, dlatego świetnie sprawdzi się tu ultracienki (zaledwie 9,6 mm) silnik krokowy ST6318F1004-A o kroku 1,8°. Duży moment obrotowy 6 Ncm pozwala na uzyskiwanie stabilnych obrotów zarówno przy niskich, jak i wysokich prędkościach obrotowych.

Eliminuje to często konieczność użycia przekładni i zmniejsza przestrzeń montażową do minimum. Aby zniwelować negatywną cechę charakteryzującą silniki krokowe, czyli nagrzewanie się silnika, powstała modyfikacja sterownika silnika krokowego SMC108v2 przeznaczonego do współpracy z dwufazowymi silnikami krokowymi.

Umożliwia on sterowanie prądem do 8 A z pełnym krokiem lub podziałem od 1/2 do 1/16. Wysokie napięcie zasilania (15..75 V_DC) i wysoki prąd fazy (3...8 A) pozwalają na dynamiczne sterowanie nawet dużymi silnikami krokowymi o momentach ponad 10 Nm.

Te właściwości sprawiają, że SMC108v2 znakomicie sprawdzi się, współpracując z omówionym wyżej silnikiem. By zapobiec nadmiernemu nagrzewaniu się silnika, sterownik należy zaprogramować tak aby obniżyć wartość prądu w momencie trzymającym do 10%. Pozwala to na optymalizację pracy silnika i uzyskanie znakomitej płynności i dynamiki ruchu.

MLA-SIC ORAZ ENKODER MAGNETYCZNY NA OSI, ZINTEGROWANY STEROWNIK SILNIKA KROKOWEGO

Rys. 2. Silnik z serii 57BYGH i moduł MLA-SIC

W automatyce przemysłowej jednym z kluczowych elementów są urządzenia wykonujące przemieszczenia linowe stosowane np. w robotach pakujących produkty na linii produkcyjnej. Firma WObit dla aplikacji takich jak paletyzowanie czy pozycjonowanie niewielkich i lekkich elementów proponuje wykorzystanie nowych modułów liniowych ze zintegrowanym sterownikiem.

Moduł MLA-SIC napędzany jest silnikiem krokowym np. z serii 57BYGH, a ruch obrotowy zamieniany jest na przemieszczenie liniowe za pomocą kół zębatych i paska zębatego. Ten hybrydowy silnik krokowy ma podwyższony moment, dzięki zwiększonej średnicy rotora w stosunku do standardowych silników o podobnych rozmiarach.

Sterowanie silnikiem odbywa się za pomocą wbudowanego sterownika mającego możliwość programowania dowolnej trajektorii ruchu. Sterownik ma dwa uniwersalne wejścia i wyjścia pozwalające na reakcję modułu na zdarzenia zewnętrzne lub sterowanie zewnętrznymi elementami takimi jak przekaźniki czy lampki kontrolne.

Ponadto urządzenie zostało wyposażone w interfejs szeregowy RS-485, który pozwala na komunikowanie się do szesnastu modułów na jednej magistrali. Dzięki temu istnieje możliwość równoległego sterowania kilkunastoma modułami jednocześnie i ich synchronizacji między sobą, co umożliwia realizację nawet bardzo skomplikowanych, zależnych od siebie trajektorii ruchu.

Dużą zaletą rozwiązania jest fakt, iż nie trzeba stosować dodatkowych zewnętrznych elementów do sterowania ruchem, co w prostych aplikacjach stanowi duże ułatwienie i eliminuje dodatkowe okablowanie. Dodatkowo MLA-SIC ma wbudowany 12-bitowy enkoder absolutny na osi, co pozwala na zapamiętanie pozycji nawet po wyłączeniu zasilania.

Enkoder współpracujący ze zintegrowanym sterownikiem umożliwia silnikowi pracę w pętli zamkniętej, niweluje to kolejną wadę silników krokowych, czyli możliwość zgubienia kroku. Gdy silnik zgubi krok, wtedy sterownik pracujący w pętli zamkniętej enkodera zapewnia precyzyjny dojazd do wyznaczonej pozycji.

UKŁAD PAN TILT ZOOM (PTZ)

Rys. 3. Silnik 110BYGH401

Ciekawym obszarem implementacji silników krokowych są układy pan tilt. Służą one do regulacji pochylenia kamery i panoramowania w fotografii oraz np. w monitoringu czy w przemyśle filmowym. W zależności od wielkości projektowanego układu PTZ należy zastosować odpowiedni silnik ze sterowaniem.

Na przykład w przypadku niewielkiej ilości miejsca do zabudowy można wykorzystać omawiany wyżej silnik ST6318F1004-A. Aby jeszcze lepiej wykorzystać miejsce, korzystna jest implementacja koła paskowego wraz z paskiem zębatym, pozwalających na montaż silnika np. w podstawie układu, gdzie zwykle jest więcej miejsca.

Do sterowania odpowiedni będzie SMC104. Umożliwia on sterowanie prądem do 3,8 A z podziałem kroku 1/2 do 1/64. Gdy dysponuje się dużą ilością miejsca i istnieje potrzeba pozycjonowania sporych mas np. dużych kamer z teleobiektywem, to odpowiednim silnikiem będzie z pewnością 110BYGH401.

Charakteryzuje się on wysoką jakością, momentem do 22 Nm oraz prądem 6,5 A na fazę. Dopasowanym sterownikiem do tego silnika jest mikrokrokowy, wysokonapięciowy SMC139-WP o podziale kroku do 1/16, przeznaczony do sterowania silnikami o prądzie fazy do 8,2 A. Dzięki zastosowaniu sterownika układ uzyskuje dokładność kątową do 0,1°, co pozwala na precyzyjne ustawianie kamery.

MASZYNY CNC

Rys. 4. Sterownik S QCA244 oraz silnik 60BYGH603

Silniki krokowe wraz z odpowiednim sterowaniem są także funkcjonalnym napędem w 3- do 5-osiowych maszynach CNC, pod warunkiem niskich obciążeń i niezbyt dużych prędkości. Konstruując na przykład 4-osiową obrabiarkę, można wykorzystać poczwórny sterownik silnika krokowego SQCA244 przeznaczony do sterowania maszyn CNC.

Umożliwia on sterowanie silnikami krokowymi prądem do 4 A i z podziałem krokowym maksymalnie 1/64. Adekwatnym napędem dla takiej aplikacji i przedstawionego powyżej sterownika jest na przykład dwufazowy hybrydowy silnik krokowy 60BYGH603.

Dzięki nieznacznie zwiększonym wymiarom model ten ma większą średnicę rotora oraz podwyższony moment trzymający. Maksymalna rozdzielczość podziału krokowego dla takiego układu wyniesie ok. 0,03°, co pozwala na płynną pracę maszyny oraz dużą precyzję działania poszczególnych osi maszyny.

WIĘCEJ APLIKACJI

Przedstawione powyżej przykłady aplikacji stanowią tylko niewielki skrawek możliwości zastosowań silników krokowych z odpowiednim sterowaniem.

WObit
www.wobit.com.pl