Szczotkowy silnik elektryczny prądu stałego zamienia energię elektryczną na mechaniczną, wykorzystując prawo Lorentza, które mówi, że “przewodnik, przez który płynie prąd, umieszczony w polu magnetycznym doznaje siły”. Tę siłę można wykorzystać na wiele sposobów, na przykład w siłowniku liniowym do przekształcenia ruchu obrotowego w ruch liniowy.
Progressive Automations oferuje różne siłowniki liniowe zawierające silnik prądu stałego z rdzeniem lub bezrdzeniowy, ale który typ wybrać i dlaczego? Analizujemy różnice między silnikiem z rdzeniem a bezrdzeniowym, przyglądając się ich budowie oraz zaletom i wadom. Ponadto omawiamy działanie, protokoły komunikacyjne i sprzężenie zwrotne różnych silników, aby ułatwić podjęcie świadomej decyzji.
Silnik prądu stałego z rdzeniem
Szczotkowy silnik DC z rdzeniem jest najpopularniejszym typem ze względu na opłacalną produkcję w dużych wolumenach. Silnik z rdzeniem składa się z wirnika (część obrotowa), statora (część nieruchoma), komutatora (zwykle ze szczotkami) oraz magnesów stałych. Dodatkowo uzwojenia wirnika są nawinięte na rdzeń żelazny i połączone z komutatorem.
Szczotki, stykające się z komutatorem, są wykonane z grafitu/węgla, co pozwala na przepływ podłączonego prądu do uzwojeń wirnika. Prąd w uzwojeniach wytwarza pole magnetyczne, które oddziałuje z nieruchomymi magnesami i generuje siłę, obracając rdzeń żelazny, a tym samym wał silnika.
Te silniki są idealne do wymagających zastosowań dzięki wysokiemu momentowi rozruchowemu i sztywnemu rdzeniowi żelaznemu. Są też mniej podatne na przegrzewanie, ponieważ rdzeń działa jak radiator. Zastosowania na dużą skalę obejmują samochody elektryczne, windy i pompy. Na mniejszą skalę: zestawy kolejowe, szczoteczki elektryczne i inne zabawki.
Zalety
- Bardziej opłacalne.
- Wysoki moment rozruchowy.
- Kontrola prędkości w szerokim zakresie napięć.
- Szybki start, zatrzymywanie i zmiana kierunku.
- Wolne od zniekształceń harmonicznych.
Wady
- Niższa sprawność elektryczna (około 50%).
- Wysokie wymagania serwisowe z powodu zużywających się szczotek.
Silnik prądu stałego bezrdzeniowy
Czym jest silnik bezrdzeniowy? Jest podobny do silnika DC z rdzeniem pod tym względem, że ma szczotki i komutator. Istnieją też wersje bezszczotkowe. Różnica polega jednak na tym, że uzwojenia wirnika są nawinięte skośnie (w układzie plastra miodu), tworząc samonośny, pusty cylinder, który zwykle dla stabilności jest zalewany żywicą epoksydową.
Stator, umieszczony wewnątrz pustego cylindra, wykonany jest z magnesu z metali ziem rzadkich, takiego jak neodym, AlNiCo (aluminium-nikiel-kobalt) czy SmCo (samar-kobalt). Szczotki w silniku bezrdzeniowym mogą być wykonane z metali szlachetnych (np. srebra, złota lub platyny) albo z grafitu. Cylindryczne uzwojenie rozprowadza pole magnetyczne w całej strukturze, gdy do przewodów połączonych ze szczotkami i komutatorem przyłożony jest prąd elektryczny; pole to oddziałuje z magnesem ziem rzadkich, wytwarzając siłę i obracając wał.
Silniki bezrdzeniowe otwierają szerokie możliwości w robotyce. Wykorzystuje się je m.in. w protezach, pompach insulinowych, sprzęcie laboratoryjnym i aparatach rentgenowskich – wszędzie tam, gdzie wymagana jest wysoka dokładność pozycjonowania.
Zalety
- Mała, lekka i kompaktowa konstrukcja.
- Niski poziom hałasu i wibracji.
- Wysoka sprawność (około 90%).
- Dłuższa żywotność dzięki mniejszej erozji elektrycznej.
- Wysokie szybkości przyspieszania i hamowania.
- Liniowa charakterystyka prędkość/moment, ułatwiająca sterowanie.
Wady
- Zdecydowanie droższe.
- Nie radzą sobie z przeciążeniami termicznymi, ponieważ brak rdzenia żelaznego pełniącego rolę radiatora dla uzwojeń wirnika.
- Wymagają dodatkowej elektroniki (np. dekoderów).
Protokoły komunikacyjne
Jeśli wybierasz silnik DC z rdzeniem lub bezrdzeniowy, musisz wziąć pod uwagę protokoły komunikacyjne dla każdego z nich. Główne protokoły to RS-485 oraz komunikacja TTL/PWM. Wybór protokołu determinuje również typ silnika, którego możesz użyć.
Komunikacja RS-485
RS-485 to popularny szeregowy protokół komunikacyjny, zapewniający szybką transmisję danych między urządzeniami. To solidny, sprawdzony standard komunikacji, umożliwiający niezawodne przesyłanie danych na duże odległości.
Progressive Automations oferuje wyskokprecyzyjny siłownik liniowy PA-12, który można sterować za pomocą mikrokontrolera Arduino. Oferowane są jednak dwie wersje: jedna z silnikiem DC z rdzeniem (PA-12-T) i druga z silnikiem DC bezrdzeniowym (PA-12-R).
W przypadku wyboru wersji bezrdzeniowej należy użyć komunikacji RS-485. Protokół ten łatwo wdrożyć, stosując moduł konwertujący TTL na RS-485 do komunikacji z Arduino. Alternatywnie można użyć innego mikrokontrolera, który komunikuje się przez RS-485 bezpośrednio.
Komunikacja TTL/PWM
PA-12-T to siłownik liniowy, który można sterować bezpośrednio mikrokontrolerem Arduino poprzez komunikację TTL/PWM, co ogranicza koszt dodatkowych modułów konwersji komunikacji. Siłownik liniowy oferuje precyzyjną kontrolę położenia z dokładnością do 100um.
Biorąc pod uwagę omówione wcześniej zalety i wady silników DC z rdzeniem i bezrdzeniowych, najlepsze rozwiązanie zależy od zastosowania. Oba siłowniki liniowe PA-12 zapewniają dokładną kontrolę położenia, jednak wykorzystują różne protokoły komunikacji.
Sprzężenie zwrotne
Kluczowym czynnikiem przy wyborze silnika prądu stałego jest decyzja, czy zastosować jakieś sprzężenie zwrotne. Sprzężenie zwrotne to wszelkie informacje, które kontroler może wykorzystać do monitorowania procesu i wprowadzania korekt. W przypadku silnika DC typowymi formami sprzężenia zwrotnego są potencjometry, czujniki Halla oraz enkodery.
Potencjometr przekształca silnik prądu stałego w serwosilnik, umożliwiając precyzyjne sterowanie pozycją i prędkością. Tego typu sprzężenie zwrotne można zastosować zarówno w silniku z rdzeniem, jak i bezrdzeniowym, ale kluczowe jest rozważenie dostępnych opcji, aby wybrać najlepszą dla danego zastosowania. Jeśli potrzebujesz wysokiej sprawności i dużej dokładności, wybierz silnik bezrdzeniowy z enkoderem jako niezawodną opcję sprzężenia zwrotnego. To rozwiązanie jest jednak dość kosztowne i zależy od ograniczeń budżetowych.
Wnioski
Przedstawiliśmy zalety i wady silników DC z rdzeniem i bezrdzeniowych, a także protokoły komunikacyjne oraz opcje sprzężenia zwrotnego. Progressive Automations oferuje różne siłowniki liniowe, zawierające rozmaite kombinacje tych siłowników/urządzeń/czujników.
Decyzja zależy od wielu czynników, takich jak specyfikacja siłownika liniowego, do którego podłączony jest silnik DC, cena oraz wymagana dokładność. To zastosowanie określi, jaki silnik jest potrzebny, a silnik z kolei zdeterminuje specyfikację siłownika liniowego. Aby uzyskać więcej informacji o produktach Progressive Automations lub dodatkowe wsparcie, skontaktuj się z nami już dziś.