Jak dobrać mikronapędy DC i kontrolery ruchu

Niewielkie silniki DC o dużej mocy mają kluczowe znaczenie dla rozwoju jeszcze bardziej zintegrowanych systemów. Są wykorzystywane w wielu różnych sektorach, od medycznego i laboratoryjnego, poprzez przemysł lotniczy, robotyki, optyki i fotoniki po sektor maszyn i sprzętu przemysłowego. Jednak to dopiero połączenie z innymi komponentami, np. przekładniami, enkoderami i kontrolerami ruchu sprawia, że stają się odpowiednim dla danego zastosowania napędem lub systemem pozycjonowania. Dokonanie właściwego wyboru ma kluczowe znaczenie dla sprawności pracy całego systemu. Wszystkie komponenty muszą być kompatybilne z silnikiem i spełniać związane z nim wymagania. Źle dobrany kontroler może doprowadzić do szybkiego nieodwracalnego uszkodzenia silnika.

Przy wyborze kontrolera ruchu odpowiedniego dla danego systemu napędowego trzeba najpierw odpowiedzieć sobie na kilka pytań. Przykładowo, konieczne jest określenie ruchów, jakie będą wykonywane, a także zdefiniowanie wymagań w zakresie sterowania tymi ruchami. Czy napęd będzie pracować w trybie ciągłym, czy też w trybie start-stop? Czy wymagane jest precyzyjne pozycjonowanie? Z jakim obciążeniem będzie pracować napęd? Jakie będą cykle obciążeń? Czy wymagana jest przekładnia? Jaki silnik będzie najlepszy do założonego zastosowania? Kontroler ruchu dobiera się na podstawie odpowiedzi na takie właśnie pytania. I nie jest to proste, ponieważ żaden kontroler ruchu nie jest w stanie współpracować ze wszystkimi typami silników i odwrotnie. Przykładowo silniki miniaturowe DC mają szczególne wymagania ze względu na swoją unikalną konstrukcję. 

Ryzyko przegrzewania

Sercem miniaturowych silników DC i mikrosilników FAULHABER jest opatentowane, samonośne, bezrdzeniowe, ukośnie nawijane uzwojenie wirnika z komutacją szczotkową, obracające się wokół magnesu stałego. Ze względu na swój wygląd silniki te są często nazywane kubełkowymi. Ich konstrukcja nie tylko przynosi wiele korzyści praktycznych, ale również wpływa na wybór kontrolera ruchu.

Fot.: Sercem miniaturowych silników DC i mikrosilników jest opatentowane, samonośne, bezrdzeniowe, ukośnie nawijane uzwojenie wirnika obracające się wokół magnesu stałego.

Szczelina powietrzna eliminuje ryzyko powstawania momentu zaczepowego, co umożliwia precyzyjne pozycjonowanie i zapewnia doskonałą kontrolę prędkości. Stosunek obciążenia do prędkości, natężenia do momentu i napięcia do prędkości jest liniowy. A ponieważ uzwojenie zapełnia niemal całą średnicę silnika, gwarantuje on o wiele większą sprawność i wyższy moment niż konwencjonalne silniki o porównywalnej wielkości i masie. Mała bezwładność wirnika przekłada się na wyjątkowo niską elektryczną stałą czasową. Dzięki temu silniki mogą pracować bardzo dynamicznie nawet przy dużym obciążeniu. Powszechnie uznaje się, że w serwonapędach silniki mogą pracować w trybie obciążenia z potrójną stałą wartością momentu, o ile temperatura ich uzwojeń jest monitorowana. Jednak silniki o średnicy zaledwie 22 mm lub mniejszej nie posiadają wbudowanego czujnika temperatury – po prostu nie ma na niego miejsca. Z tego powodu podłączenie źle dobranego kontrolera może doprowadzić nawet do całkowitego przepalenia uzwojenia, zanim fakt przegrzewania zostanie w ogóle zauważony.

Problemów tego typu można uniknąć, stosując kontrolery ruchu FAULHABER opracowane specjalnie pod kątem współpracy z silnikami miniaturowymi i mikrosilnikami oraz przetestowane w rzeczywistych warunkach roboczych. Kontrolery te „szacują” temperaturę uzwojenia danego silnika na podstawie modeli o zróżnicowanej złożoności. Pozwala to w pełni wykorzystać cały zakres dynamiki silnika, np. do szybkiego pozycjonowania. Redukują również natężenie prądu, zanim dojdzie do przegrzania uzwojeń. Wymagane parametry są wygodnie przesyłane do kontrolera napędu z poziomu okna dialogowego wyboru silnika w oprogramowaniu FAULHABER Motion Manager. 

Fot.: Kontrolery ruchu „szacują” temperaturę uzwojenia danego silnika na podstawie modeli o zróżnicowanej złożoności. Wymagane parametry są wygodnie przesyłane do kontrolera napędu z poziomu okna dialogowego wyboru silnika w oprogramowaniu Motion Manager.

Dodatkowe informacje o integracji termicznej dla danego zastosowania można wykorzystać w przechowywanych w sterownikach modelach w celu dalszego ich ulepszania. Jak dobrze chłodzony jest silnik? Czy konieczne jest ograniczenie jego wydajności z powodu wysokiej temperatury otoczenia? Czy używane są przekładnia i enkoder? Tego typu dane umożliwiają wykorzystanie pełnej mocy silnika np. w pracujących cyklicznie napędach komory klimatycznej - kontroler śledzi wartości temperatury otoczenia przesyłane przez układ sterowania komorą klimatyczną i wykorzystuje je w swoich modelach. To samo dotyczy sytuacji, gdy znane są cykle obciążenia. Wówczas silnik może być mniejszy, co jest zaletą zwłaszcza w przypadku urządzeń mobilnych.

Niska elektryczna stała czasowa, która zapewnia większą dynamikę procesów, może powodować dodatkowe straty wynikające z modulacji szerokości impulsów (PWM), co jest dość powszechnym zjawiskiem w kontrolerach napędów. Typowa elektryczna stała czasowa w silnikach bezrdzeniowych FAULHABER wynosi około 10 µs. Przy częstotliwościach PWM poniżej 50 kHz w wielu przypadkach osiągnięcie stałego momentu obrotowego podanego w danych technicznych w wielu przypadkach nie jest możliwe lub prowadzi do przegrzewania się silnika. Z tego powodu przy wyborze kontrolera ruchu niezwykle ważne jest, aby jego częstotliwość PWM była odpowiednio wysoka. W kontrolerach ruchu FAULHABER wynosi ona zazwyczaj od 78 do 100 kHz, zależnie od typu. W zależności od rodzaju modulacji na silnik oddziałuje częstotliwość do 200 kHz, co jest zgodne z wymaganiami mniejszych silników.

Mocne i ekstremalnie zminiaturyzowane

Fot.: Kontroler ruchu dla mikronapędu: Kontroler MC 3001 B/P to idealne rozwiązanie dla  mniejszych serwonapędów zarówno pod kątem wielkości, jak i rozdzielczości pomiaru prądu.

Sprawdzające się od wielu lat kontrolery ruchu z rodziny MC V3.0 nie nadają się do sterowania mikrosilnikami FAULHABER ze względu na swój rozmiar i rozdzielczość wbudowanych układów pomiaru prądu silnika. I tu wkracza nowy model, MC 3001 B/P: to pierwszy kontroler ruchu, który jest idealnie dostosowany do mniejszych serwonapędów zarówno pod kątem wielkości, jak i rozdzielczości pomiaru prądu. Przy maksymalnym napięciu zasilania rzędu 30 V ten kontroler ruchu o wymiarach 16 x 27 x 2,6 mm (szer. x dł. wys.) osiąga natężenie stałe wynoszące 1 A i natężenie szczytowe wynoszące 5 A. Przy niższym napięciu zasilania, np. 12 V, umożliwia osiągnięcie stałego natężenia o wartości do 2 A. Jednocześnie cechuje się funkcjonalnością porównywalną do większych modeli z tej samej gamy. Opcje wejść/wyjść i interfejs enkodera są takie same jak w pozostałych produktach z tej rodziny. Kontroler dostępny jest z interfejsami komunikacyjnymi USB, RS232 i CANopen. Istnieje również możliwość doposażenia go w kompaktowy interfejs EtherCAT podłączany do płyty (głównej) klienta.

Kontrolery dostępne są w dwóch wariantach: Model z płaskimi złączami typu płytka-płytka (MC 3001 B) to doskonałe rozwiązanie w przypadku podłączania kilku kontrolerów do jednej karty. Wariant MC 3001 P zawiera złącze wtykowe z obudową 2,54 mm z trzech stron. Dzięki temu kontroler można łatwo zintegrować z posiadanym systemem, np. w wieloosiowym systemem automatyki laboratoryjnej. To naprawdę wydajne kontrolery ruchu nawet do najmniejszych napędów DC firmy FAULHABER, idealnie dopasowane do silników zarówno pod względem wielkości, jak i funkcji.


Źródło: FAULHABER
Zdjęcia: FAULHABER
Redaktor: MRR