Шаговые двигателиШаговые двигатели и серводвигатели — это дискретные устройства управления движением, обладающие преимуществом низкой стоимости по сравнению с серводвигателями. Они преобразуют механическую и электрическую энергию. Двигатель, преобразующий механическую энергию в электрическую, называется «генератором»; двигатель, преобразующий электрическую энергию в механическую, называется «мотором». Шаговые двигатели и серводвигатели — это устройства управления движением, позволяющие точно определять местоположение и направление движения автоматизированного оборудования, и в основном используются в производстве автоматизированного оборудования.
Существует три типа роторов шаговых двигателей: реактивные (тип VR), с постоянными магнитами (тип PM) и гибридные (тип HB). 1) Реактивные (тип VR): шестерня с зубьями ротора. 2) С постоянными магнитами (тип PM): ротор с постоянным магнитом. 3) Гибридные (тип HB): шестерня с постоянным магнитом и зубьями ротора. Шаговые двигатели классифицируются по количеству обмоток на статоре: двухфазные, трехфазные и пятифазные. Двигатели с двумя статорами называются двухфазными, а двигатели с пятью статорами — пятифазными. Чем больше фаз и биений у шагового двигателя, тем он точнее.
Двигатели HB способны обеспечивать очень точное пошаговое движение с малыми приращениями, в то время как двигатели PM, как правило, не требуют высокой точности управления.Двигатели HBМогут обеспечить сложные и точные требования к управлению линейным перемещением. Двигатели с постоянными магнитами относительно малы по крутящему моменту и объему, как правило, не требуют высокой точности управления и более экономичны. Отрасли применения: текстильное машиностроение, пищевая упаковка. С точки зрения производственного процесса и точности управления двигателем,Шаговые двигатели HBОни относятся к более высокому ценовому сегменту, чем шаговые двигатели с постоянными магнитами.
Шаговые двигатели и серводвигатели — это устройства управления движением, но они различаются по своим характеристикам. Шаговый двигатель — это дискретное устройство управления движением, которое получает команду и выполняет шаг. Шаговые двигатели преобразуют входной импульсный сигнал в угловое перемещение. Когда драйвер шагового двигателя получает импульсный сигнал, он приводит шаговый двигатель во вращение на фиксированный угол в заданном направлении. Серводвигатель — это сервосистема, в которой электрические сигналы преобразуются в крутящий момент и скорость для управления объектом, что позволяет контролировать скорость и точность позиционирования.
✓ Шаговые двигатели и серводвигатели существенно различаются по характеристикам на низких частотах, частотным характеристикам момента и перегрузочной способности.
Точность управления: чем больше фаз и рядов шаговых двигателей, тем выше точность; точность управления серводвигателями переменного тока гарантируется поворотным энкодером на заднем конце вала двигателя, чем больше делений энкодера, тем выше точность.
✓ Низкочастотные характеристики: шаговые двигатели склонны к низкочастотным вибрациям на низких скоростях. Эти низкочастотные вибрации, обусловленные принципом работы шаговых двигателей, негативно влияют на нормальную работу машины, поэтому для их преодоления обычно используется технология демпфирования. Сервоприводы переменного тока имеют функцию подавления резонанса, что позволяет компенсировать недостаточную жесткость оборудования. Благодаря этому работа машины становится очень плавной, и вибрации отсутствуют даже на низких скоростях.
✓ Частотно-крутящий момент: выходной крутящий момент шаговых двигателей уменьшается с увеличением скорости, поэтому их максимальная рабочая скорость составляет 300-600 об/мин; серводвигатели могут выдавать номинальный крутящий момент до номинальной скорости (обычно 2000-3000 об/мин), а при скорости выше номинальной выходная мощность остается постоянной.
✓ Возможность перегрузки: шаговые двигатели не обладают возможностью перегрузки; серводвигатели обладают высокой устойчивостью к перегрузкам.
✓ Скорость отклика: шаговым двигателям требуется 200-400 мс для разгона от состояния покоя до рабочей скорости (несколько сотен оборотов в минуту); сервоприводы переменного тока обладают лучшими характеристиками разгона и могут использоваться в ситуациях управления, требующих быстрого запуска/остановки. Например, сервопривод Panasonic MASA 400W разгоняется от состояния покоя до номинальной скорости 3000 об/мин всего за несколько миллисекунд.
Рабочие характеристики: шаговые двигатели имеют разомкнутую систему управления и склонны к потере шага или блокировке при слишком высокой пусковой частоте или слишком большой нагрузке, а также к перерегулированию при слишком высокой скорости во время остановки; сервоприводы переменного тока имеют замкнутую систему управления, и драйвер может напрямую считывать сигнал обратной связи энкодера двигателя, поэтому обычно потери шага или перерегулирование шагового двигателя отсутствуют, а характеристики управления более надежны.
Сервопривод переменного тока превосходит шаговый двигатель по производительности, но шаговый двигатель имеет преимущество в более низкой цене. Сервопривод переменного тока превосходит шаговые двигатели по скорости отклика, перегрузочной способности и рабочим характеристикам, но шаговые двигатели используются в некоторых менее требовательных сценариях из-за их преимущества в соотношении цены и качества. Благодаря использованию технологии замкнутого контура, шаговые двигатели с замкнутым контуром обеспечивают превосходную точность и эффективность, что позволяет достичь некоторых характеристик серводвигателей, но при этом имеют преимущество в более низкой цене.
Заглянем в будущее и определим перспективные направления. Применение шаговых двигателей претерпело структурные изменения: традиционный рынок достиг насыщения, и появляются новые отрасли. Продукция компании в области управляющих двигателей и приводных систем широко представлена в медицинском оборудовании, сервисных роботах, промышленной автоматизации, информационных и коммуникационных технологиях, безопасности и других перспективных отраслях, которые занимают относительно большую долю общего бизнеса и быстро растут. Спрос на шаговые двигатели связан с экономикой, технологиями, уровнем промышленной автоматизации и уровнем технического развития самих шаговых двигателей. Рынок достиг насыщения в традиционных отраслях, таких как офисная автоматизация, цифровые камеры и бытовая техника, в то время как продолжают появляться новые отрасли, такие как 3D-печать, солнечная энергетика, медицинское оборудование и автомобильная промышленность.
| Поля | Конкретные приложения |
| Автоматизация офиса | Принтеры, сканеры, копировальные аппараты, многофункциональные устройства и т. д. |
| Сценическое освещение | Управление направлением света, фокусировка, изменение цвета, управление точечным освещением, световые эффекты и т. д. |
| Банковское дело | Банкоматы, печать банкнот, производство банковских карт, счетчики денег и т. д. |
| Медицинский | Компьютерный томограф, гематологический анализатор, биохимический анализатор и т. д. |
| Промышленный | Текстильное оборудование, упаковочное оборудование, роботы, конвейеры, сборочные линии, машины для укладки и т. д. |
| Коммуникация | Обработка сигналов, позиционирование мобильных антенн и т. д. |
| Безопасность | Управление движением для камер видеонаблюдения. |
| Автомобильная промышленность | Управление масляно-газовыми клапанами, облегченная система рулевого управления. |
Развивающаяся отрасль 1: 3D-печать продолжает совершать прорывы в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах и расширять сценарии применения в последующих отраслях, при этом внутренний и международный рынки растут примерно на 30%. 3D-печать основана на цифровых моделях, послойном нанесении материалов для создания физических объектов. Двигатель является важным силовым компонентом 3D-принтера, точность двигателя влияет на качество 3D-печати, обычно в 3D-печати используются шаговые двигатели. В 2019 году объем мировой индустрии 3D-печати составил 12 миллиардов долларов, что на 30% больше, чем годом ранее.
Вторая перспективная отрасль: мобильные роботы управляются компьютером и обладают такими функциями, как перемещение, автоматическая навигация, управление несколькими датчиками, сетевое взаимодействие и т. д. Наиболее важное применение в практическом производстве — это погрузочно-разгрузочные работы, характеризующиеся высокой степенью нестандартизации.
Шаговые двигатели используются в приводном модуле мобильных роботов, а основная приводная конструкция собирается из приводных двигателей и редукторов (коробок передач). Хотя отечественная индустрия промышленных роботов развивалась позже, чем за рубежом, она опережает зарубежные страны в области мобильных роботов. В настоящее время основные компоненты мобильных роботов в основном производятся внутри страны, и отечественные предприятия в основном достигли требуемой точности во всех аспектах, а зарубежных конкурентов немного.
Объем китайского рынка мобильных роботов в 2019 году составит приблизительно 6,2 миллиарда долларов, что на 45% больше, чем годом ранее. Международный запуск профессиональных роботов-уборщиков со значительным повышением эффективности уборки. Запуск «второго робота» в 2018 году последовал за запуском человекоподобного робота. «Второй робот» — это интеллектуальный коммерческий робот-пылесос с множеством датчиков для обнаружения препятствий, лестниц и движений человека. Он может работать до трех часов на одном заряде и убирать площадь до 1500 квадратных метров. «Второй робот» может заменить большую часть ежедневной рабочей нагрузки уборщиков и увеличить частоту уборки, а также расширить существующую работу по уборке.
Третья перспективная отрасль: с внедрением 5G увеличивается количество антенн для базовых станций связи, а также количество необходимых двигателей. Как правило, для обычных базовых станций связи требуется 3 антенны, для базовых станций 4G — 4-6 антенн, а для приложений 5G количество базовых станций и антенн продолжает расти, поскольку они должны охватывать как традиционную мобильную связь, так и связь в рамках Интернета вещей (IoT). Разработка двигателей управления с редуктором становится все более распространенной для предприятий, занимающихся производством антенн для базовых станций. Для каждой антенны ESC используется один двигатель управления с редуктором.
В 2019 году количество базовых станций 4G увеличилось на 1,72 миллиона, и ожидается, что строительство сетей 5G откроет новый цикл. В 2019 году количество базовых станций мобильной связи в Китае достигло 8,41 миллиона, из которых 5,44 миллиона составляли базовые станции 4G, что составляет 65%. В 2019 году количество новых базовых станций 4G увеличилось на 1,72 миллиона, что является самым большим показателем с 2015 года, главным образом за счет: 1) расширения сети для покрытия «слепых зон» в сельских районах; 2) модернизации пропускной способности основной сети для создания основы для строительства сети 5G. Коммерческая лицензия на 5G в Китае будет выдана в июне 2019 года, и к маю 2020 года по всей стране будет открыто более 250 000 базовых станций 5G.
Пятая перспективная отрасль: Медицинские устройства — один из основных сценариев применения шаговых двигателей, и это один из сегментов, в котором Vic-Tech активно работает. Медицинские устройства, от металлических до пластиковых, требуют высокой точности в производстве. Многие производители медицинских устройств используют серводвигатели для обеспечения необходимой точности, но поскольку шаговые двигатели более экономичны и компактны, чем серводвигатели, а их точность соответствует требованиям некоторых медицинских устройств, шаговые двигатели используются в производстве медицинских устройств и даже заменяют некоторые серводвигатели.
Дата публикации: 19 мая 2023 г.