מנועי צעד משתמשים בטכנולוגיית חוג סגור כדי לצעוד אל יישומי סרוו

מנועי צעד בבקרת חוג סגור מספקים דיוק ויעילות ליישומים הדורשים ביצועים של מנוע סרוו במחיר של מנוע צעד

הקדמה
ההתקדמות הטכנולוגית מצמצמת את הפער ביחס ביצועים-עלות שבין מנועי צעד למנועי סרוו עבור מגוון הולך וגדל של יישומי אוטומציה תעשייתיים עתירי דרישות.
הודות לאימוץ טכנולוגיית חוג סגור מנועי צעד הזולים יותר, נכנסים לשימוש ביישומים שנחשבו בעבר לנחלתם הבלעדית של מנוע סרוו היקרים יותר.

מנועי צעד מול מנועי סרוו
הדעה הרווחת היא שמערכות בקרת סרוו טובות יותר ביישומים הדורשים מהירויות העולות על 800 סל”ד וכן ביישומים הדורשים יכולת תגובה דינמית גבוהה, ואילו מנועי צעד עדיפים ביישומים הפועלים במהירויות נמוכות יותר, מגיעים לשיעורי האצה נמוכים עד בינוניים ו/או דורשים מומנט החזק גבוה.
מה מקורה של הדעה הרווחת בנוגע למנועי צעד ולמנועי סרוו?
מבנה
מנוע צעד מסתובב בצעדים ועושה שימוש בסלילים כדי להניע מגנט בצעדים ממיקום אחד למיקום הבא. כדי להניע את המנוע 100 מיקומים בכיוון מסוים הסליל מצעיד את המנוע 100 פעמים. מנוע הצעד נע בפעימות וניתן לקבוע את מיקומו באופן מדויק ללא צורך בחיישן משוב.
שיטת התנועה של מנוע סרוו שונה. מנוע סרוו עושה שימוש בחוגה מגנטית המחוברת לחיישן מיקום – מקודד – העוקב ללא הפסקה אחר מיקומו של המנוע. סרוו בוחן את ההבדל בין מיקומו הממשי ובין המיקום הרצוי של המנוע ומתקן בהתאם. מערכת חוג סגור זו מאפשרת למנוע לשמור על הנתיב הנכון.
פשטות ועלות
מנועי צעד אינם רק זולים יותר ממנועי סרוו, הם גם פשוטים יותר להפעלה ולתחזוקה. מנועי צעד יציבים יותר במצב מנוחה ושומרים על מיקומם גם תחת עומסים דינמיים. אולם כאשר הדרישות של יישומים מסוימים גוברות יש צורך במנועי סרוו יקרים ומורכבים יותר.
מיקום
הבדל מהותי בין מנועי צעד לבין מנועי סרוו ניתן למצוא ביישומים המבקשים לדעת את מיקומה המדויק של המכונה בכל רגע. ביישומי הנע בעלי בקרת צעד עם חוג פתוח מערכת הבקרה מניחה שהמנוע נע תמיד בצורה נכונה. אולם כאשר מתעוררת בעיה, כגון חלק תקוע שגורם לעצירת המנוע, הבקר אינו יודע מהו מיקומה הממשי של המכונה ולכן מאבד את המיקום. למערכת החוג הסגור המאפיינת את מנועי הסרוו יש יתרון: כאשר המכונה נתקעת בחפץ כלשהו הדבר מורגש מיד. המכונה עוצרת את פעולתה ואינה מאבדת לעולם את המיקום.
מהירות ומומנט פיתול

הבדלי הביצועים בין מנועי צעד לבין מנועי סרוו נובעים מעיצוב המנוע השונה שלהם. למנועי צעד קטבים רבים יותר מאשר למנועי סרוו. לפיכך סיבוב שלם של מנוע צעד דורש יותר חילופי זרם דרך הסלילים, וכתוצאה מכך מומנט הפיתול של המנוע צונח במידה דרמטית ככל שהמהירות מתגברת. בנוסף, מנועי צעד עלולים לאבד את סנכרון הצעדים שלהם כאשר הם חורגים ממומנט הפיתול המרבי. בשל סיבות אלו מנועי סרוו עדיפים עבור רוב היישומים הדורשים מהירות גבוהה. מנגד, מספר הקטבים הגבוה של מנועי צעד מועיל במהירויות נמוכות ומעניק למנוע צעד יתרון במומנט הפיתול על פני מנוע סרוו בגודל דומה.
חום וצריכת אנרגיה
מנועי צעד בעלי חוג פתוח פועלים בזרם קבוע ופולטים כמות משמעותית של חום. בקרת חוג סגור מונעת את בעיית החום בכך שהיא מספקת רק את הזרם הנדרש על ידי חוג המהירות.
סיכום מנועי צעד מול מנועי סרוו
מערכות בקרת סרוו מתאימות יותר ליישומים עתירי מהירות הכרוכים בשינויי עומס דינמיים כגון זרועות רובוטיות. מערכות בקרת צעד עדיפות ביישומים הדורשים יכולת האצה נמוכה עד בינונית ומומנט החזק גבוה כגון מדפסות תלת ממד, מסועים וצירי עזר. בשל יכולתם להוזיל את העלויות של מערכות אוטומציה מנועי הצעד היקרים פחות עדיפים כאשר השימוש בהם אפשרי. מערכות בקרת הנע הדורשות את התכונות של מנועי סרוו צריכות להצדיק את העלות הגבוהה יותר של מנועים אלו.

תפיסות משתנות
מה אם אפשר היה לאמץ את היתרונות של טכנולוגיית החוג הסגור של מנועי סרוו במנועי צעד? האם נוכל להשיג את יתרונות העלות של מנועי צעד ביחד עם הביצועים של מנועי סרוו?
על ידי אימוץ טכנולוגיית חוג סגור מנועי צעד מסוגלים לספק בו זמנית את היתרונות של מנועי סרוו ושל מנועי צעד בחבילת מנועי צעד בעלות נמוכה. הודות לשיפורים משמעותיים בביצועים וביעילות האנרגטית שלהם מנועי צעד בעלי חוג סגור יכולים להחליף את מנועי הסרוו היקרים יותר במגוון הולך וגדל של יישומים תובעניים.
סרווטרוניקס שילבה בקרת חוג סגור מכוונת שדה במנועי הצעד המשולבים שלה stepIM.
מערכת האלקטרוניקה המשולבת שולטת במנוע הצעד בתור מנוע BLDC בעל שתי פאזות, ומיישמת חוג מיקום, חוג מהירות בקרת DQ, ואלגוריתמים נוספים. חילוף חוג סגור באמצעות מקודד אבסולוטי חד-סיבובי מבטיח שימוש אופטימלי במומנט הפיתול בכל מהירות. בנוסף, מנועי צעד בעלי חוג סגור רועשים פחות ורועדים פחות ממנועי צעד בעלי חוג פתוח.
ניקח את ה-stepIM כמקרה מבחן.
צריכת אנרגיה נמוכה ויותר ושמירה על טמפרטורה נמוכה
מנועי הצעד מדגם stepIM הם צרכני אנרגיה יעילים. בשונה ממנועי צעד בעלי חוג פתוח המקבלים תמיד פקודות בזרם מלא, דבר המוביל לחום ולרעש, הזרם למנועי stepIM מסופק רק בעת הצורך, לדוגמה בעת האצה והאטה. בדומה למנועי סרוו מנועי צעד אלו משתמשים בזרם ביחס למומנט הפיתול הנדרש בפועל בכל רגע נתון. מכיוון שהמנוע והרכיבים האלקטרונים פועלים בטמפרטורה נמוכה יותר מנועי הצעד stepIM מסוגלים להגיע לרמות מומנט השיא הגבוהות יותר של מנועי סרוו.
התאמה טובה לדרישות הביצועים
כדי להבטיח מומנט פיתול המספיק להתגבר על הפרעות ולהימנע מאבדן צעדים נעשה שימוש במנועי צעד בעלי חוג פתוח עם מומנט פיתול הגבוה ב-40% לפחות מהנדרש על ידי היישום. לא כך עם מנועי צעד בעלי חוג סגור מסוג stepIM. כאשר מנועי צעד אלו נתקלים בעומס יתר הגורם לעצירה הם שומרים על החזק נגדי לעומס בלי לאבד מומנט פיתול. עם הסרת העומס החוסם הם ממשיכים בתנועה. מומנט הפיתול המרבי מובטח בכל מהירות נתונה, בעוד שחיישני מיקום מבטיחים שאין אובדן צעדים. לפיכך ניתן להשתמש במנועי צעד בעלי מומנט פיתול הקרוב לדרישות היישום ללא רווח בטיחות של 40%.
עם מנועי צעד בעלי חוג פתוח קשה לספק דרישות מומנט פיתול רגעיות עקב הסיכון של אובדן צעדים. מנועי צעד בעלי חוג סגור מסוג stepIM מאפשרים האצה מהירה מאד, והם שקטים יותר ובעלי תהודה נמוכה יותר ממנועי צעד רגילים. כמו כן, הם מסוגלים לפעול ברוחבי פס גבוהים יותר ולספק ביצועים טובים יותר.
התקנה מבוזרת
מנועי stepIM משלבים את האלקטרוניקה עם המנוע והתוצאה היא ארכיטקטורה מבוזרת המצמצמת את השימוש בכבלים ומפשטת את היישום. מנוע ה-stepIM מאפשר לתכנן מכונות ללא מארזים.
להלן בחינה של ביצועי בקרת הנע ביישום לחיתוך עץ המבוצע בדרך כלל עם מנועי סרוו, בביצוע מנועי צעד בעלי חוג סגור מסוג stepIM.

מנועי צעד בעלי חוג סגור במכונות לחיתוך עץ מדויק
הלקוח חברת אוטומציה תעשייתית גלובלית בונה ומוכרת בכל שנה מאות מכונות CNC מדויקות לחיתוך מסגרות עץ לחלונות. כדי לקבל סנכרון מדויק ומומנט פיתול גבוה היישום דורש כ-20 עד 30 מנועי סרוו פנאומטיים ואלקטרוניים בכל מכונה. עלות מנועי הסרוו מסתכמת בתוספת משמעותית לעלות הכללית.
העלות הגבוהה של מנועי הסרוו תורמת תרומה משמעותית לעלות הכללית של כל מכונה. בנוסף, המספר הנכבד של כבלים נוספים שנדרש למקודדים המותקנים במארזים נפרדים מאריך את זמן ההתקנה ומוסיף למורכבות האחזקה.
כאשר שמעה על מנועי הצעד stepIM של סרווטרוניקס בעלי החוג הסגור מיהרה החברה לבחון את אפשרות השימוש בהם במכונות עיבוד העץ שלה.
“העלות הפכה לגורם משמעותי בשמירה על התחרותיות של המכונות שלנו בקנה מידה גלובלי,” אמר מנהל הפיתוח. “למרות זאת, איננו יכולים להתפשר על הביצועים, הדיוק והמהימנות.”
אם יצליחו מנועי צעד בעלי חוג סגור וזולים יותר לעמוד ביעדי הביצועים תוכל החברה להשתמש בהם במקום במנועי הסרוו היקרים יותר ולזכות ביתרון ברור בשוק.
החברה ערכה פרויקט ניסיון שבמסגרתו הוחלפו מנועי הסרוו במכונה בודדת במנועי הצעד stepIM של סרווטרוניקס. רק המנועים הוחלפו – בקרי ההינע ופרוטוקולי התקשרות (CANopen) נשארו כפי שהם.
ההחלפה תרמה גם להטבה משמעותית נוספת. מנועי ה-stepIM משולבים עם האלקטרוניקה ונדרשים להם פחות כבלים. פחות כבלים משמעותו התקנה ותחזוקה מהירים ופשוטים יותר.
לאחר חודשים ספורים בלבד, ועם תמיכה טכנית יוצאת מן הכלל מצד סרווטרוניקס, התאפשר לחברה להציג את המכונה המבוססת על מנוע צעד ביריד מסחרי.
מנהל הפרויקט שמח על שהצליח לעמוד בכל יעדי היישום. “התאפשר לנו להוציא את מנועי הסרוו מהמכונה המיועדת ולהחליף אותם במנועי stepIM. אף על פי שנדרשנו לכתוב מעט תכנה ולערוך כמה בדיקות ראשוניות הצלחנו להפעיל את כל העסק בתוך מספר חודשים.”
השלב הבא היה לקבוע אם המכונה בעלת מנועי הצעד עומדת בדיוק, בהאצה, בצריכת האנרגיה ובמדדי ביצועים עיקריים אחרים.
לאחר תהליך בדיקה שנמשך חודש ימים הגיעה החברה למסקנה כי מנועי הצעד בעלי החוג הסגור אפשרו למכונה לעמוד בכל דרישות המפרט והביצועים ובו בזמן הפחיתו את המורכבות וצמצמו את העלויות לכל מכונה ביותר מ-5%. החברה החלה כעת בהתקנה של מנועי stepIM ב-300 מכונות חדשות.
הזדמנויות חדשות
מנועי צעד בעלי חוג סגור משנים את יחס העלות-ביצועים של בקרת הנע עבור יישומים רבים. דיוק גבוה ויעילות אנרגטית מאפשרים שימוש במנועי stepIM ביישומים שבהם שלטו עד כה מנועי הסרוו היקרים יותר. מנועי צעד מכווני שדה בעלי חוג סגור מסוג stepIM מושלמים ליישומים מרובי צירים, למשימות מיקום בעומסים משתנים וליישומים הדורשים פעולה שקטה, זמני התייצבות קצרים ומיקום מדויק.
כיום ניתן למצוא את מנועי stepIM של סרווטרוניקס בתחומים רבים כגון חיתוך עץ, רפואה, הדפסה, אנרגיה מתחדשת וייצור טקסטיל