White paper: Motorkeuze in lineaire bewegingstoepassingen

Lineaire bewegingssystemen zijn te vinden in talloze machines... precisielasersnijsystemen, laboratoriumautomatiseringsapparatuur, halfgeleiderfabricagemachines, CNC-machines, fabrieksautomatisering en vele anderen, te talrijk om op te noemen. Ze variëren van relatief eenvoudige, zoals een goedkope stoelactuator in een personenauto, tot een complex meerassig coördinatensysteem, compleet met besturings- en aandrijfelektronica voor closed loop-positionering. Hoe eenvoudig of complex het lineaire bewegingssysteem ook is, op het meest basale niveau hebben ze allemaal één ding gemeen... het verplaatsen van een lading over een lineaire afstand in een bepaalde hoeveelheid tijd.

Een van de meest voorkomende vragen bij het ontwerpen van een lineair bewegingssysteem richt zich op motortechnologie. Zodra de technologie is gekozen, moet de motor worden aangepast aan de eisen van belastingversnelling, het overwinnen van wrijving in het systeem en het overwinnen van het effect van de zwaartekracht, allemaal met behoud van een veilige maximale bedrijfstemperatuur. Het koppel, de snelheid en het vermogen van de motor is niet alleen een functie van de belasting, maar ook hoe die belasting via het mechanische transmissiesysteem aan de motor is gekoppeld.

Met welke motor moet ik beginnen... DC Stepper, Brush Servo of Brushless Servo?

Er bestaat niet zoiets als de "beste motor" voor elke toepassing, maar eerder de beste motor voor een bepaalde toepassing. In de overgrote meerderheid van incrementele bewegingstoepassingen is de keuze een stappenmotor, borstel-DC-motor of borstelloze DC-motor. De meest complexe lineaire bewegingssystemen kunnen lineaire motoren gebruiken die rechtstreeks aan de belasting zijn gekoppeld, waardoor mechanische vermogensconversie (d.w.z. vertaling door een spindel / kogelomloopspindel, versnellingsbak, katrol) wordt vermeden.

Hoewel maximale nauwkeurigheid, herhaalbaarheid en positioneringsresolutie kunnen worden bereikt met systemen met directe aandrijving, zijn ze de hoogste kosten en complexiteit in vergelijking met roterende motoren. Een architectuur met rotatiemotoren is veel goedkoper en voldoet aan de meeste lineaire bewegingstoepassingen; Er zijn echter enkele middelen van "roterende naar lineaire" conversie (en als gevolg daarvan vermogensconversie) nodig om de belasting aan te drijven. Stappen-, borstel- en borstelloze servomotoren worden allemaal beschouwd als DC-motoren, maar er bestaan subtiliteiten die ervoor zorgen dat een ingenieur het ene type boven de andere twee in een bepaalde toepassing verkiest. Er moet worden benadrukt dat deze keuze sterk afhankelijk is van de ontwerpparameters van het systeem.

Er is geen perfecte motor voor elke toepassing en alle beslissingen vereisen ontwerpafwegingen. Op het meest basale niveau zijn alle motoren, of ze nu als AC of DC worden beschouwd, identiek in werking in de manier waarop ze uitgangskoppel genereren (interactie van magnetische velden). DC-stepper-, borstelservo- en borstelloze servomotortechnologieën gebruiken echter een DC-voeding om ze van stroom te voorzien. Voor lineaire bewegingstoepassingen betekent dit niet dat een vaste bron van gelijkspanning rechtstreeks op de motorwikkelingen kan worden toegepast; Elektronica is nodig om de wikkelstroom (gerelateerd aan uitgangskoppel) en spanning (gerelateerd aan uitgangssnelheid) te regelen.

DC Stappenmotor

• Sterktes
  • Open lus positionering – Geen encoder nodig
  • Eenvoudig "puls en richting" signaal nodig voor rotatie
  • Hoge koppeldichtheid bij lage snelheden
  • Motor kan in een "stall" -positie staan zonder de temperatuurclassificatie te overschrijden Laagste kostenoplossing
• Zwakke punten
  • Geen positiecorrectie in het geval dat de belasting het uitgangskoppel overschrijdt
  • Lage vermogensdichtheid – koppel daalt dramatisch bij hogere snelheden
  • Motor trekt continu stroom, zelfs bij stilstand
  • Hoge ijzerverliezen bij meer dan 3000 RPM
  • Merkbare cogging bij lage snelheden (kan worden verbeterd met een micro-stepping drive)
  • Rinkelen (resonantie) bij lage snelheden

DC Borstel Servo Motor

• Sterktes
  • Lineaire snelheid / koppelcurve (vergeleken met een stepper)
    
  • Goedkope aandrijfelektronica (4 vermogensschakelaars)
  • Veel verschillende configuraties beschikbaar
  • Zeer soepele werking mogelijk bij lage snelheden
  • Hoge vermogensdichtheid – vlakker koppel bij hogere snelheden (in vergelijking met een stepper)
• Zwakke punten
• Motor trekt hoge stroom in een overbelastingstoestand (hetzelfde als de borstelloze motor)
• Encoder nodig voor closed-loop positionering (hetzelfde als de borstelloze motor)
• Beperkt in snelheid door mechanische commutatie
• Borstelslijtage Hoge thermische weerstand (koper bevindt zich in het armatuurcircuit)

DC borstelloze servomotor

• Sterktes
• Hoge vermogensdichtheid – vlakker koppel bij hogere snelheden (in vergelijking met een stepper)
• Lineaire snelheid / koppelcurve (vergeleken met een stepper)
• Elektronische commutatie – geen mechanische borstels
• Lage thermische weerstand (koper bevindt zich in het statorcircuit)
• Hoogst mogelijke snelheden (in vergelijking met stepper- of borstel-DC-motoren)
• Zwakke punten
  • Hoogste kosten tussen de 3 motortechnologieën
  • Motor trekt hoge stroom in een overbelastingstoestand (hetzelfde als de borstelmotor)
  • Encoder nodig voor closed-loop positionering (hetzelfde als de borstelmotor)
  • Hogere schijfcomplexiteit en -kosten – (6 power switching-apparaten)
  • Rotorpositiesensoren vereist voor elektronische commutatie.

Vermogensconversie in het lineaire bewegingssysteem