Hybrydowe serwonapędy – połączenie serwo i silnika krokowego

Hybrydowe serwonapędy – połączenie serwo i silnika krokowego Adobe Stock – Emilio

Przy projektowaniu różnych aplikacji często pojawia się dylemat, czy wybrać do nich serwonapęd, czy też może silnik krokowy. Oba te typy urządzeń mogą być wykorzystywane do precyzyjnego sterowania ruchem, choć uzyskany efekt może być diametralnie różny. Ciekawą alternatywą, która łączy zalety obu powyższych rozwiązań, są serwonapędy hybrydowe. Dzięki połączeniu silnika krokowego i enkodera taki układ napędowy gwarantuje odpowiednią kontrolę pozycji bez ryzyka utraty kroków.

  • Główne różnice między serwonapędem a silnikiem krokowym
  • Hybrydowe serwonapędy łączy w sobie zalety serwonapędu i silnika krokowego
  • Serwonapędy hybrydowe oferują liczne korzyści
  • Obecnie hybrydowe serwonapędy znajdują zastosowanie coraz częściej do różnych zautomatyzowanych urządzeń

Dobierając układ napędowy do konkretnej aplikacji, należy kierować się co najmniej kilkoma kryteriami. To m.in. rodzaj wykonywanej pracy, oczekiwania wobec precyzji sterowania i szybkości wykonywanych ruchów, efektywność energetyczna danego układu czy koszt początkowy. Dopiero po dokładnej analizie bieżących i przyszłych oczekiwań można dobrać optymalny napęd. Dlatego też nie da się jednoznacznie wskazać, jaki rodzaj napędu będzie zawsze najlepszy.

Serwonapędy czy silniki krokowe?

Często powyższy dylemat sprowadza się do wyboru serwonapędu bądź układu napędowego z silnikiem krokowym, których specyfika i potencjalne zastosowania są zbieżne.

Serwonapęd jest układem wykonawczym, który pracuje w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego i umożliwia precyzyjne pozycjonowanie osi według wybranych parametrów (prędkość, przyspieszenie czy moment obrotowy). Poza samym silnikiem w skład serwonapędu wchodzą jeszcze sterownik, enkoder i wzmacniacz sygnału.

Kluczowa w przypadku serwomechanizmów jest wspomniana zamknięta pętla sprzężenia zwrotnego. Jednostka sterująca – po otrzymaniu informacji na temat aktualnej pozycji lub prędkości obrotowej od enkodera może wprowadzić odpowiednią korektę do parametrów napędu i uzyskać właściwą pozycję, prędkość, moment obrotowy czy wartość przyspieszenia.

Brak enkodera i działanie w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego to podstawowa różnica, jeśli chodzi o budowę i działanie tradycyjnego silnika krokowego w porównaniu z serwonapędem (dostępne są jednak rozwiązania, które pracują w pętli zamkniętej). W przypadku takiego silnika mamy do czynienia z ruchem krokowym, w którym liczba zadanych impulsów sterujących powinna odpowiadać liczbie wykonanych kroków. Ponieważ jednak ruch odbywa się bez kontroli (nie ma więc informacji o aktualnej pozycji poruszanego obiektu) i ewentualnej korekty parametrów napędu, może pojawić się zjawisko tzw. gubienia kroków (czyli rozsynchronizowania ruchu). Z reguły dochodzi do niego wtedy, gdy wybrany silnik krokowy jest zbyt słaby w stosunku do rzeczywistych wymagań aplikacji.

Dlatego w aplikacjach, w których niezbędna jest dokładna kontrola pozycji, stosuje się serwonapędy, które w razie potrzeby dostosowują parametry układu. To jedna z największych zalet serwonapędów w stosunku do silników krokowych, choć wiąże się z bardziej skomplikowaną konstrukcją napędu i koniecznością odpowiedniej regulacji układu. To z kolei oznacza, że jest to droższe rozwiązanie. Oprócz wysokiej dokładności serwonapędy wyróżniają się także większą dynamiką pracy.

Do zalet silników krokowych należy natomiast niska awaryjność, dlatego są stosowane jako tańsza alternatywa – sprawdza się w wielu aplikacjach przemysłowych, które nie wymagają dużych prędkości czy dużych przyspieszeń. Łatwiejsze jest także ich wdrożenie. Ponieważ nie wymagają regulacji, natychmiast po podłączeniu silniki krokowe są gotowe do działania.

Warto mieć też na uwadze, że nowoczesne konstrukcje silników krokowych eliminują wiele wad, jakie występowały w przeszłości w przypadku tego typu napędu. Ograniczono występowanie rezonansu mechanicznego, problemy występujące przy dużych prędkościach, stosunkowo małe obroty maksymalne, zjawisko gubienia kroków oraz związany z ich pracą duży pobór prądu.

Hybrydowe serwonapędy

Serwonapędy, dzięki swoim zaletom, wciąż w większości przypadków są postrzegane jako lepsze rozwiązanie niż silniki krokowe. W efekcie często dochodzi do sytuacji, że dana aplikacja zostaje „przewymiarowana”.

Oznacza to, że użyty został napęd, którego niektóre albo nawet wszystkie parametry są zbyt duże w stosunku do rzeczywistych potrzeb. W efekcie niepotrzebnie rośnie koszt zużywanej energii elektrycznej, który w obecnych czasach i tak jest dużym obciążeniem dla przedsiębiorstw. Z kolei wybór silnika krokowego może spowodować, że układ napędowy nie będzie w stanie zaspokoić wszystkich oczekiwań co do ruchu, jaki będzie wykonywać dane urządzenie.

Rozwiązaniem może okazać się serwonapęd hybrydowy, określany również mianem zintegrowanego silnika krokowego z enkoderem, który łączy w sobie cechy obu rozwiązań. To bardziej zaawansowane technologicznie rozwiązanie niż tradycyjny napęd z silnikiem krokowym. Wewnątrz napędu, poza silnikiem krokowym, znajdują się także enkoder, cyfrowe sterowniki i ewentualnie inne elementy (np. czujnik, moduł sieciowy czy inna elektronika). Całość znajduje się w zwartej, dość kompaktowej jednostce. Dzięki połączeniu silnika krokowego z enkoderem sterowanie odbywa się w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego, co gwarantuje otrzymywanie informacji zwrotnej na temat działania mechanizmu i niezbędną kontrolę nad pozycją bez utraty kroków.

Serwonapędy hybrydowe z licznymi korzyściami

Zastosowanie hybrydowego systemu napędowego pozwoli otrzymać rozwiązanie, które łączy zalety tradycyjnych serwonapędów i silników krokowych. Mamy więc kontrolę pozycji, większe wartości prędkości i momentu obrotowego niż w silnikach krokowych, bezpieczniejszy sposób zasilania prądem. Ponadto, dzięki wspomnianej kontroli, zintegrowane silniki krokowe nie gubią kroków. Bardzo dużą zaletą serwonapędów hybrydowych jest oczywiście niższa cena w porównaniu ze standardowymi serwonapędami.

To oczywiście nie wszystkie zalety takiego zintegrowanego rozwiązania, do których zalicza się:
praca w zamkniętej pętli, co zapewnia lepszą kontrolę nad sterowaniem, umożliwia wprowadzenie korekty i eliminuje utratę synchronizacji,
większy zakres roboczy napędu – wyższy moment obrotowy i większa prędkość,
mniejsze nagrzewanie się silnika
płynny ruch i wysoka precyzja pozycjonowania,
brak konieczności czasochłonnego strojenia – prosta instalacja urządzenia,
wyższa kultura pracy – mniejsze wibracje i hałas podczas pracy,
niższe koszty.

Szerokie zastosowanie serwonapędów hybrydowych

Oferta dostępnych serwonapędów hybrydowych rośnie coraz szybciej. Na rynku pojawiają się rozwiązania, które oferują coraz szerszy zakres momentu obrotowego i coraz bardziej zaawansowane sterowniki. Efektem jest możliwość użycia tego typu napędów do coraz większej grupy aplikacji.

Obecnie hybrydowe systemy serwonapędowe stosuje się coraz częściej do napędu różnych zautomatyzowanych urządzeń w obiektach przemysłowych. Jednym z głównych trendów, jaki kształtuje rynek tego typu napędów, jest rosnące zapotrzebowanie z branży opakowań i etykiet. Można je spotkać także coraz częściej w obrabiarkach CNC, a także wielu maszynach, w których nie jest niezbędna wysoka dynamika pracy.

Hybrydowe serwonapędy są rozwiązaniem o sporym potencjale rozwojowym i z całą pewnością ich rola w zastosowaniach przemysłowych w najbliższych latach będzie rosła. Jest to bowiem efektywny pod względem kosztowym rodzaj napędu, do tego łatwy w montażu i integracji, niegenerujący licznych problemów podczas użytkowania.

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę