สามารถใช้สเต็ปเปอร์และเซอร์โวร่วมกับแอคชูเอเตอร์ Bimba OLE ได้ ถือเป็นเทคโนโลยีมอเตอร์ที่ดีที่สุดสำหรับการควบคุมตำแหน่ง การเลือกใช้จะขึ้นอยู่กับความเร็ว แรงบิด ราคา และเวลาในการจัดส่ง การอภิปรายต่อไปนี้จะอธิบายถึงความแตกต่างระหว่างเทคโนโลยีทั้งสอง
การออกแบบมอเตอร์สเต็ปเปอร์
มอเตอร์สเต็ปเปอร์ถูกเรียกว่า "มอเตอร์ดิจิทัล" เนื่องจากมอเตอร์ชนิดนี้เคลื่อนที่เป็นขั้นๆ เหมือนเข็มนาฬิกา เมื่อขดลวดตัวแรกได้รับพลังงาน ฟันของโรเตอร์จะเรียงตัวกับฟันในขดลวดสเตเตอร์ตัวแรกและยึดตำแหน่งไว้ เมื่อขดลวดตัวที่สองได้รับพลังงาน ฟันในโรเตอร์จะเคลื่อนที่เล็กน้อยและเรียงตัวกับขดลวดสเตเตอร์ตัวที่สองและยึดตำแหน่งไว้ การเคลื่อนไหวทั้งหมดในตัวอย่างนี้คือหนึ่งขั้นที่สมบูรณ์
โดยทั่วไปจะมี 200 ขั้นต่อการหมุน 1 รอบที่ 1.8 องศาต่อขั้น การพัฒนาตัวควบคุมมอเตอร์สเต็ปเปอร์อิเล็กทรอนิกส์ทำให้มอเตอร์สเต็ปเปอร์เป็นไปได้ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จำเป็นต้องจ่ายไฟให้กับขดลวดในเวลาที่เหมาะสมด้วยแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าที่เหมาะสม ในเฟสที่เหมาะสม และในลำดับที่ถูกต้อง ตัวควบคุมได้รับการพัฒนาให้สามารถเคลื่อนที่มอเตอร์สเต็ปเปอร์ได้มากถึง 20,000 ขั้นต่อการหมุน 1 รอบ ทำให้มีการเคลื่อนไหวที่ละเอียดกว่า 100 เท่า (0.018 องศาต่อขั้น)
ส่วนประกอบของระบบสเต็ปเปอร์มอเตอร์
เพื่อที่จะเข้าใจประสิทธิภาพของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ การทำความเข้าใจส่วนประกอบต่างๆ ของระบบที่ใช้มอเตอร์สเต็ปเปอร์นั้นจะเป็นประโยชน์
มอเตอร์และแอคชูเอเตอร์:ลองพิจารณามอเตอร์และแอคชูเอเตอร์รวมกันเทียบเท่ากับแขน มันจะไม่เคลื่อนที่หากไม่มีกำลัง
- เอาท์พุต: แรงขับและความเร็วของโหลดที่เคลื่อนที่
- อินพุต: กำลังไฟจากไดร์เวอร์สเต็ปเปอร์
ตัวกระตุ้น:อุปกรณ์ที่ทำหน้าที่ควบคุมกล้ามเนื้อในการเคลื่อนไหวแขนเรียกว่าแอคชูเอเตอร์
- เอาต์พุต: ขดลวดมอเตอร์ได้รับพลังงานในปริมาณที่ถูกต้องและในลำดับที่ถูกต้องเพื่อย้าย "แขน" ของตัวกระตุ้นไปในทิศทางที่ต้องการ ตัวกระตุ้นต้องใช้แหล่งจ่ายไฟ เช่น แหล่งจ่ายไฟ DC เอาต์พุตแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟ DC จะส่งตรงไปยังขดลวดมอเตอร์ผ่านตัวกระตุ้น กระแสและแรงดันไฟฟ้าข้ามขดลวดมอเตอร์เป็นสัดส่วนกับเอาต์พุตแรงบิดของมอเตอร์และจึงสัมพันธ์กับเอาต์พุตแรงขับของตัวกระตุ้น โดยทั่วไป ยิ่งแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าสูงขึ้น แรงขับก็จะสูงขึ้น เมื่อเกินจุดหนึ่ง การเพิ่มขึ้นของกระแสไฟฟ้าจะเพิ่มอุณหภูมิของขดลวดมอเตอร์เท่านั้น ไม่ใช่เอาต์พุตแรงบิด
- อินพุต: ยอมรับพัลส์สเต็ปเปอร์และคำสั่งทิศทางจากตัวควบคุม พัลส์สเต็ปเปอร์อิเล็กทรอนิกส์แต่ละพัลส์จะเปลี่ยนวิธีการจ่ายพลังงานให้กับขดลวดมอเตอร์ ซึ่งจะทำให้มอเตอร์หมุนหนึ่งสเต็ป ซึ่งจะทำให้ตัวกระตุ้นเคลื่อนที่
ผู้ควบคุม:คิดว่าตัวควบคุมเป็นสมองที่ควบคุมกล้ามเนื้อ
- เอาท์พุต: พัลส์ขั้นตอนและทิศทางจะถูกส่งไปที่ไดรฟ์ นอกจากนี้ยังมีเอาท์พุตต่างๆ ให้กับ PLC รวมถึงการสื่อสารผ่านบัส (RS232, RS485, Ethernet IP, Profibus เป็นต้น) สัญญาณในสถานที่ สัญญาณเตือน และเอาท์พุตข้อผิดพลาด
- อินพุต: การจัดการอินพุตจากแหล่งต่างๆ อย่างชาญฉลาดและเป็นระบบ
สวิตซ์แม่เหล็ก
เซ็นเซอร์อื่นๆในเครื่อง
เอาท์พุตของตัวควบคุมที่ตั้งโปรแกรมได้
การสื่อสารผ่านบัสจาก PLC
สัญญาณเอ็นโคเดอร์จากมอเตอร์
ตัวเข้ารหัส:ตัวเข้ารหัสคือ "ดวงตา" ของระบบ ซึ่งจะแจ้งให้ตัวควบคุมทราบว่าคำสั่งต่างๆ ได้ถูกดำเนินการหรือไม่ ตัวควบคุมจะเปรียบเทียบพัลส์สเต็ปเปอร์ที่ส่งไปยังไดรฟ์กับพัลส์ที่ได้รับจากตัวเข้ารหัส หากพัลส์ที่ส่งมีค่าเท่ากับพัลส์ที่ได้รับ ตัวควบคุมจะทราบว่าคำสั่งของตนได้ถูกดำเนินการแล้ว หากไม่เท่ากัน ตัวควบคุมจะปรับมอเตอร์จนกว่าจะได้รับพัลส์ตัวเข้ารหัสในจำนวนที่ถูกต้อง
เพื่อให้ง่ายต่อการอภิปราย แผนผังบล็อกระบบจะแยกส่วนประกอบฟังก์ชันทั้งหมดออกจากกันอย่างสะดวก ผู้ผลิตมักจะรวมฟังก์ชันต่างๆ เข้าด้วยกัน ตัวอย่างเช่น ตัวควบคุมมักจะมีไดรฟ์ในตัว และบางตัวมีแหล่งจ่ายไฟในตัว มอเตอร์บางตัวมีตัวเข้ารหัสในตัว และบางตัวมีไดรฟ์และตัวควบคุมในตัว PLC บางตัวมีตัวควบคุมในตัว
ประสิทธิภาพของมอเตอร์สเต็ปเปอร์
มอเตอร์สเต็ปเปอร์มีข้อได้เปรียบโดยธรรมชาติ:
- มอเตอร์สเต็ปเปอร์เป็นเทคโนโลยีมอเตอร์ควบคุมตำแหน่งที่มีราคาถูกที่สุด
- มอเตอร์สเต็ปเปอร์สามารถใช้งานในวงจรเปิดได้โดยไม่ต้องใช้ตัวเข้ารหัส
- มอเตอร์สเต็ปเปอร์ให้แรงบิดสูงมากที่ความเร็วต่ำ
- มีขนาดเฟรม NEMA พร้อมการติดตั้งและเส้นผ่านศูนย์กลางเพลามาตรฐาน
มอเตอร์สเต็ปเปอร์มีข้อเสียในตัว:
- แม้ว่ามอเตอร์สเต็ปเปอร์จะให้แรงบิดสูงที่ความเร็วต่ำ แต่แรงบิดเอาต์พุตจะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อความเร็วเพิ่มขึ้น
- มอเตอร์สเต็ปเปอร์อาจไม่ซิงโครไนซ์ กล่าวคือ ไม่ซิงโครไนซ์กับพัลส์สเต็ปเปอร์ที่ส่งมาจากตัวควบคุม กล่าวอีกนัยหนึ่ง พัลส์สเต็ปเปอร์จากตัวควบคุมจะถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าสำหรับขดลวดของมอเตอร์ แต่มอเตอร์จะไม่หมุน สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อแรงบิดที่จำเป็นในการเคลื่อนย้ายโหลดเกินขีดความสามารถของแรงบิดของมอเตอร์ที่ความเร็วที่ต้องการ เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้ ให้ทำดังนี้:
- เพิ่มขนาดมอเตอร์ ปรับขนาดมอเตอร์ให้เพิ่มแรงบิดสูงสุดที่ต้องการเป็นสองเท่า
- ลดความเร็วลงในจุดที่แรงบิดของมอเตอร์เพียงพอ
- เพิ่มแรงดันไฟให้กับขดลวดมอเตอร์(แหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้าขนาดใหญ่)
- เพิ่มกระแสให้ขดลวดมอเตอร์(แหล่งจ่ายกำลังขนาดใหญ่)
- ใช้ตัวเข้ารหัสเพื่อตรวจสอบตำแหน่งและแก้ไขขั้นตอนที่พลาดไป
- ยากต่อการซิงโครไนซ์เนื่องจากการแก้ไขข้อผิดพลาดจะทำในตอนท้ายของจังหวะ ไม่ได้ทำอย่างต่อเนื่องแบบเรียลไทม์
การออกแบบมอเตอร์เซอร์โว
ตามคำจำกัดความ เซอร์โวคืออุปกรณ์ใดๆ ก็ตามที่มีฟีดแบ็ก เซอร์โวมอเตอร์มีคอยล์บนสเตเตอร์ซึ่งได้รับพลังงานจากไดรเวอร์เซอร์โวหรือแอมพลิฟายเออร์ตามลำดับที่ทำให้โรเตอร์แม่เหล็กหมุน (สปิน) เพื่อให้ตัวควบคุมกำหนดได้ว่าจะจ่ายพลังงานให้กับขดลวดใดต่อไป ตัวควบคุมจะต้องทราบตำแหน่งปัจจุบันของโรเตอร์ การตรวจจับนี้ทำได้โดยใช้เซ็นเซอร์ฮอลล์หรือตัวเข้ารหัสฟังก์ชันคู่
ส่วนประกอบของระบบมอเตอร์เซอร์โว
แผนผังบล็อกของระบบเซอร์โวจะเหมือนกับระบบสเต็ปเปอร์มอเตอร์ แม้ว่าส่วนประกอบจะแตกต่างกันในทางเทคนิคก็ตาม แอมพลิฟายเออร์เซอร์โวมีการทำงานเทียบเท่ากับไดรเวอร์สเต็ปเปอร์มอเตอร์ เช่นเดียวกับมอเตอร์สเต็ปเปอร์ โดยทั่วไปแล้วผู้ผลิตจะรวมฟังก์ชันต่างๆ ไว้ด้วยกัน
ประสิทธิภาพของมอเตอร์เซอร์โว
เซอร์โวมีข้อได้เปรียบโดยธรรมชาติ:
- ความเร็วสูง
- อัตราเร่งสูง
- ความแม่นยำสูง
- แรงบิดที่สูงขึ้นที่ความเร็วสูงขึ้น
- มอเตอร์หลายตัวสามารถซิงโครไนซ์ได้อย่างง่ายดาย (การแก้ไขข้อผิดพลาดแบบเรียลไทม์)
เซอร์โวมีข้อเสียในตัว:
- ระบบที่ซับซ้อนกว่ามอเตอร์สเต็ปเปอร์
- มอเตอร์จะต้องได้รับการปรับแต่งเพื่อประสิทธิภาพที่เหมาะสมที่สุด
- ระบบมีราคาแพงกว่ามอเตอร์สเต็ปเปอร์
- แรงบิดน้อยกว่าที่ความเร็วต่ำสุดเมื่อเทียบกับมอเตอร์สเต็ปเปอร์
- รูปทรงการติดตั้งที่ไม่เป็นมาตรฐาน (แตกต่างกันไปตามผู้ผลิต) และเส้นผ่านศูนย์กลางเพลา
- แรงบิดน้อยกว่าที่ความเร็วต่ำเมื่อเทียบกับมอเตอร์สเต็ปเปอร์ที่มีขนาดเท่ากัน
ผลกระทบจากการใช้งานร่วมกับแอคชูเอเตอร์ไฟฟ้า
ไม่ว่าจะใช้เทคโนโลยีใด ก็ต้องให้ตรงกับการออกแบบตัวกระตุ้น
- เซอร์โวความเร็วต่ำอาจไม่สามารถบรรลุประสิทธิภาพการทำงานของตัวกระตุ้นที่ความเร็วต่ำได้เท่ากับมอเตอร์สเต็ปเปอร์
- การเปลี่ยนมอเตอร์สเต็ปเปอร์ด้วยเซอร์โวบนตัวกระตุ้นตัวเดียวกันจะไม่สร้างแรงขับที่มากขึ้นที่ความเร็วสูงอย่างแน่นอน เนื่องจากส่วนประกอบตัวกระตุ้นอื่นอาจจำกัดประสิทธิภาพการทำงาน
เทคโนโลยีมอเตอร์ทั้งสองประเภทมีข้อดีแตกต่างกันขึ้นอยู่กับการใช้งาน ตารางต่อไปนี้สามารถใช้เป็นแนวทางได้
| มอเตอร์สเต็ปเปอร์ | มอเตอร์เซอร์โว | ความหมายของตัวกระตุ้น |
|---|---|---|
| ให้แรงบิดมากขึ้นที่ความเร็วต่ำ | ให้แรงบิดมากขึ้นที่ความเร็วต่ำ | อาจต้องใช้ชุดตัวกระตุ้นพิเศษ รวมถึงข้อต่อ สกรู และน็อต |
| ไม่แพงขนาดนั้น | แพงกว่า | เครื่องสเต็ปเปอร์ช่วยลดต้นทุน |
| สามารถซิงโครไนซ์ด้วยความแม่นยำระดับปานกลาง | สามารถซิงโครไนซ์ได้อย่างแม่นยำสูง | เซอร์โวเป็นที่ต้องการสำหรับการใช้งานหลายแกน จำเป็นต้องมีตัวควบคุมพิเศษ |
| การแก้ไขข้อผิดพลาดตอนสิ้นสุดการเดินทาง | การแก้ไขข้อผิดพลาดทันที | เซอร์โวเป็นที่ต้องการสำหรับการวางตำแหน่งที่แม่นยำ อาจจำเป็นต้องใช้แบริ่งแบบแบ็กแลชเพื่อเพิ่มความแม่นยำ |
| ไม่จำเป็นต้องมีตัวเข้ารหัส | จำเป็นต้องมีตัวเข้ารหัส | |
| ระบบที่เรียบง่าย | ระบบที่ซับซ้อน | |
| อาจจะไม่ซิงค์กัน | การสูญเสียการซิงค์เป็นไปไม่ได้ | |
| ไม่ต้องปรับเปลี่ยนใดๆ | การปรับเปลี่ยนเป็นสิ่งสำคัญ | หากไม่ได้ปรับเซอร์โวให้เหมาะสม ประสิทธิภาพของตัวกระตุ้นเซอร์โวอาจได้รับผลกระทบอย่างร้ายแรง |
| ขนาดมาตรฐานเพื่อการติดตั้งและเปลี่ยนได้ง่าย | การขาดมาตรฐานด้านมิติก่อให้เกิดความท้าทาย | ก่อนตัดสินใจเกี่ยวกับความเข้ากันได้ของเซอร์โว ตรวจสอบให้แน่ใจว่าเซอร์โวจะได้รับการติดตั้งกับตัวกระตุ้น อาจต้องใช้ตัวยึดมอเตอร์และตัวต่อพิเศษ |