Сервопривод или шаговый двигатель?

Очень часто встает проблема – что выбрать: шаговый двигатель или серводвигатель? В данной статье мы расскажем о преимуществах и недостатках обоих двигателей и поможем вам сделать правильный выбор.

Сервопривод

Сервопривод, как мы уже сказали ранее – это обычный мотор с дополнительно установленным датчиком контроля, выполняющим функцию обратной связи.

При работе мотор будет удерживаться в заданном положении с помощью контроллера. Такой принцип взаимосвязи позволяет добиться высокой скорости и точности оборудования вплоть до одного микрона.

Если на обычный электродвигатель подать напряжение, он будет вращаться.

Чтобы зафиксировать движение в одном положении и при этом не заставить его двигаться в обратном, контроллер должен постоянно переключать ток двигателя на противоположенный, пока не поступит следующая команда.

При таком подходе пропуск шагов исключен, так как энкодер постоянно отслеживает отклонения вала и корректирует ошибку, меняя каждый раз направление движения двигателя.

Недостатки сервоприводов:

  • дорогостоящий ремонт;
  • высокая стоимость.

Устройство шагового привода

Шаговый привод состоит из синхронной электрической машины и управляющего контроллера. Последний обеспечивает подачу управляющих сигналов на обмотки двигателя и их попеременное включение в соответствии с заданной программой.

Устройство шагового двигателя

Шаговый двигатель — электрическая машина, преобразующая управляющие сигналы в перемещение вала на определенный угол и фиксацию его в заданном положении. Количество шагов таких электродвигателей составляет от 100 до 400, угол шага — от 0,9-3,6°.

Шаговые двигатели

Шаговые двигатели состоят из ротора с постоянными магнитами и неподвижного статора, в котором расположены обмотки. Когда ток проходит через обмотки статора, он генерирует магнитный поток, который взаимодействует с магнитным полем ротора и приводит ротор в движение. Шаговые двигатели имеют очень большое количество полюсов, обычно 50 или более. Драйвер шагового двигателя последовательно подает напряжение на каждый полюс, так что ротор вращается с определенным шагом. Из-за очень большого количества полюсов движение кажется непрерывным.

Шаговые электродвигатели имеют ряд положительных качеств. Поскольку они генерируют пошаговое движение, для них, как правило, не требуется замкнутая система регулирования, что избавляет от необходимости установки энкодера или тахогенератора, что положительно сказывается на цене установки. Большое количество полюсов позволяет им генерировать очень высокий крутящий момент при нулевой скорости. Они компактны и в целом экономичны (рисунок ниже).

Шаговые двигатели обеспечивают хорошую производительность по экономичной цене для приложений,  требующих низкой скорости, ускорения и точности

С другой стороны,шаговые электродвигатели имеют ограничения по скорости. Они обычно работают смаксимальной  эффективностью всего при1200 об / мин или ниже. Хотя они генерируют высокий крутящий момент при нулевойскорости, крутящий момент падает при увеличении скорости (график ниже).Например, двигатель, создающий момент 3 кгс·м  принулевой скорости, может выдать только 1.5 кгс·м при 500 об / мин и всего 0.3 кгс·м при 1000 об / мин.

Теоретически можноиспользовать редуктор для увеличения крутящего момента, но именно здесь малаяскорость шаговых двигателей становится проблемой. Добавление редуктора 10: 1 кшаговому двигателю со скоростью 1200 об / мин может повысить крутящий момент напорядок, но также снизит скорость до 120 об / мин. Если двигатель используетсядля шарико-винтового привода или чего-либо подобного, он, вероятно, не будетобеспечивать достаточную скорость для удовлетворения потребностей механизма.

Как правило, шаговые двигатели не изготавливаются в типоразмерах, превышающих NEMA 34, при этом большинство применений относятся к размерам двигателей NEMA 17 или NEMA 23. В результате практически невозможно найти шаговые двигатели, способные производить крутящий момент от 28 до 57 кгс·м.

Как показывают эти кривые зависимости крутящего момента от скорости, шаговые двигатели обеспечивают максимальный крутящий момент при нулевой скорости, при этом крутящий момент падает при увеличении скорости (зеленый).  Напротив, крутящий момент серводвигателя остается примерно постоянным во всем рабочем диапазоне (синий и красный).

На графике зеленымпоказана зависимость момент шагового двигателя от скорости, красным – зависимостьмаксимального момент серводвигателя от скорости и синим – момент серводвигателяот скорости.

Шаговые двигатели также имеют ограничения по производительности. Вы можете представить себе шаговый двигатель как пружинно-массовую систему. Двигатель должен преодолеть трение, чтобы начать вращение и переместить нагрузку, после чего ротор машины не контролируется. В результате команда продвижения на пять шагов может привести к повороту двигателя только на четыре шага или шесть шагов.

Однако, если система электроприводадает команду двигателю продвинуться на 200 шагов и он сделает это за несколькошагов, ошибка составит несколько процентов. Хотя мы используем шаговыеэлектродвигатели с разрешением от 25 000 до 50 000 шагов на оборот, но посколькудвигатель представляет собой систему с пружинно-массовой нагрузкой, наш обычныйдиапазон составляет от 2000 до 6000 отсчетов за оборот. Тем не менее, при этихразрешениях даже ошибка в 200 шагов соответствует доле градуса.

Добавление энкодера позволит системе точно отслеживать движение, но не сможет преодолеть базовую физику работы электрической машины. Для приложений, требующих повышенной точности позиционирования и разрешения, серводвигатели обеспечивают лучшее решение.

Отличия

Основное отличие шаговых двигателей от серводвигателей – то, что шаговые двигатели работают без обратной связи, т.е. нет контроля – сделал ШД шаг или нет. Драйвер серводвигателя считывает показания датчика положения вала и корректирует его положение. На самом деле, отсутствие обратной связи в случае с ШД не является минусом, т.к. при правильно спроектированной и настроенной системе шаговые двигатели не пропускают шагов, т.е. пользователь не нуждается в таком контроле.

Что такое шаговый двигатель

Шаговый двигатель – это синхронный бесщеточный механизм, основная его задача преобразовывать электрическую энергию в механическую. Данный двигатель используют в лазерных и фрезерных станках с ЧПУ. Когда подается потенциал на обмотки, шаговый двигатель поворачивается строго на заданный угол.

Видео: “Шаговые двигатели”

Источник: http://darxton.ru/Netshop/mechatronics/hybrid-stepper-servodrive/

Принцип работы шагового двигателя

Состоит это электромеханическое устройство из статора, где размещены катушки возбуждения, и вращающейся части с постоянными магнитами или обмотками. Такая конструкция ротора обеспечивает его фиксацию после отработки управляющей команды.

На статоре расположено несколько обмоток. При подаче напряжения на катушку, под воздействием магнитного поля ротор поворачивается на определенный угол в соответствии с пространственным положением обмотки. При ее обесточивании и подаче управляющего сигнала на другую катушку вращающаяся часть электродвигателя занимает другую позицию. Каждый поворот вала соответствует углу шага. При обратной последовательности подачи напряжения на катушки ротор вращается в противоположном направлении.

Для поворота ротора на меньший угол одновременно включаются 2 обмотки. Количество шагов ограничено и зависит от числа полюсов статора электромотора. Для обеспечения плавного вращения ротора на катушки статора подают разные токи, разность которых определяет положение ротора. Такой способ управления позволяет снизить дискретность и увеличить количество шагов до 400.

К числу недостатков шаговых двигателей можно отнести довольно низкую скорость, пропуск шагов при высокой (выше расчетной) нагрузке на валу, снижение момента при высокой частоте вращения и большое время разгона.

Шаговые двигатели

Шаговый двигатель

Шаговый двигатель – это бесщеточный электромотор, работающий в паре плата-драйвер. Как правило, шаговые двигатели имеют несколько фаз (обмоток), поочередно включаемых драйвером. Двигатель поворачивается за счет подачи короткого импульса на одну из обмоток статора, в результате чего в движение приводится магнитный ротор.

Обычно шаговые двигатели маломощны и не предназначены для больших скоростей и непрерывного вращения.

Величина физического шага двигателя может варьироваться в зависимости от конструкционных особенностей ротора: от 90 до 0.9 градусов. Шаг можно дробить при помощи программных ухищрений, снижая при этом шум от работы драйверов и увеличивая точность, благодаря повышенному числу шагов на оборот. Точность может составлять до 20 микрон.

Несмотря на высокоточность шагового двигателя, у него имеется существенный минус: пропуск шагов при повышенных нагрузках, поскольку двигатель не имеет обратной связи контроллером, а последний не умеет отслеживать работу шагового двигателя без углового датчика.

Недостатки шаговых двигателей:

  • пропуски шагов при высоких ускорениях и больших нагрузках;
  • низкая цена;
  • неремонтопригодность.

Существуют шаговые двигатели с энкодером, ничем не отличающиеся от обычных, кроме дополнительных выводов с угловым датчиком. Это решает проблему с пропусками, но добавляет немало к стоимости. Плюс для их использования нужно иметь специальный контроллер, имеющий функцию коррекции ошибки шаговика.

Несмотря на недостатки, шаговые двигатели широко используются как в крупных отраслях промышленности, так и для бытовых нужд:

  • в тяжелых и высокоточных станках (в металлообработке, лазерной резке);
  • в легких ЧПУ (домашние 3D-принтеры, гравировальные машины);
  • в робототехнике (роботы со сложной кинематикой);
  • в игрушках (машины, самолеты).

Сервопривод и шаговый двигатель не являются между собой конкурентами. Под каждую задачу необходимо выбрать свой тип мотора.

6 апреля 2018 в 22:32

| Обновлено 7 ноября 2020 в 01:21 (редакция)

Опубликовано:

Редакция
Статьи

,

Моторы

Альтернативный способ выбора между шаговым и серводвигателем


Некоторые производители при выборе предлагают отталкиваться от мощности двигателей, требуемых для станка (см. статью Выбор шагового двигателя и мощности сервопривода). Для этого предлагается рассчитать коэффициент К по эмпирической формуле К = М * S / 58000, где М – масса движимой части (портала со шпинделем), S – требуемая скорость перемещения (мм/мин). Если К < 1, вам скорее всего подойдут шаговые двигатели. Если К > 2, ваш выбор серводвигатели. Если К лежит в пределах от 1 до 2, Вам могут подойти оба вида привода и Вам стоит ввести дополнительные критерии выбора для определения лучшего варианта.

См. также:

>Свежий взгляд на шаговые двигатели и сервоприводы

>Как выбрать привод для станка с ЧПУ

Униполярный или шаговый двигатель

>Коллекторные серводвигатели

Выбор между коллекторными и бесщеточными BLDC-двигателями

лого darxton

DARXTON

Преимущества сервоприводов

  • Мощность серводвигателей может достигать 15 кВт, в то время как мощность шагового электродвигателя, как правило, не превышает 1 кВт.
  • Бесшумность работы благодаря принципу действия и сверхточному исполнению конструкции.
  • Скорость вращения в сервоприводах может достигать 10000 об/мин, в некоторых случаях и больше. У шаговых двигателей номинальная скорость вращения обычно не превышает 1000 об/мин вследствие падения момента и увеличения вероятности ошибок.
  • Высокая энергоэффективность. Потребляемая мощность сервопривода пропорциональна нагрузке на валу. Для шагового электродвигателя потребляемая мощность одинакова вне зависимости от нагрузки.
  • Наличие обратной связи обеспечивает точной информацией о повороте вала в любой момент времени. В шаговых двигателях возможно проскальзывание при перегрузке, накопление ошибки и потеря позиционирования.
  • Большая плавность хода. В шаговых двигателях добиться плавности можно только путем применения специальных методов управления.

Принцип действия сервопривода

Управляющее устройство в соответствии с заданной программой подает напряжение на сервопривод, который соединен с порталом станка. Двигатель перемещает рабочий орган. При этом энкодер вырабатывает импульсы, поступающие на контроллер. Подсчет их числа осуществляет управляющее устройство. Количество импульсов пропорционально перемещению портала. При достижении рабочим органом заданного положения на электромотор перестает поступать напряжение. Портал фиксируется. Пока число импульсов, зафиксированных контроллером с датчика, не достигнет запрограммированной величины, двигатель будет осуществлять перемещение рабочего органа.

Шаговый сервопривод можно также настроить на поддержание постоянной частоты вращения вне зависимости от нагрузки или постоянного момента при разной скорости.

К достоинствам сервоприводов относятся точность позиционирования, динамика разгона и отсутствие снижения момента при высоких скоростях. Ограничивает применение сервопривода, как правило, достаточно большая стоимость.

Применение

В промышленном оборудовании для выполнения задач позиционирования имеет смысл использовать и асинхронные двигатели с обратной связью, и сервоприводы, и шаговые двигатели.

Сервоприводы устанавливаются в тех узлах оборудования, где требуется точное позиционирование механизмов для их синхронизации с другими узлами. В частности сервоприводы широко используют в обрабатывающих станках.

Шаговые двигатели нашли наибольшее применение в станках с ЧПУ и в робототехнике.

На практике встречаются производственные линии, в которых в различных узлах используются все три типа электродвигателей.

Другие полезные материалы:
Выбор оптимального типоразмера электродвигателя
Как выбрать мотор-редуктор
Редуктор от «А» до «Я»

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...