Сравнение сервоприводов и шаговых двигателей

Содержание:

• 1. Физика процесса
• 2. Асинхронные двигатели
• 3. Синхронные двигатели
• 4. Шаговые двигатели
• 5. Двигатели с постоянными магнитами
• 6. Гибридные двигатели
• 7. Сервопривод
• 8. Вывод

Рисунок 1 — Сервопривод

1. Физика процесса

Электрические машины широко применяют на электрических станциях, в промышленности, на транспорте, в авиации, в системах автоматического регулирования и управления, в быту. Электрические машины преобразуют механическую энергию в электрическую и наоборот, электрическую энергию в механическую. Машина, преобразующая механическую энергию в электрическую, называется генератором. Преобразование электрической энергии в механическую осуществляется двигателями.Принцип действия электрических машин основан на использовании законов электромагнитной индукции и электромагнитных сил. Если в магнитном поле полюсов постоянных магнитов или электромагнитов поместить проводник и под действием какой-либо силы F1 перемещать его, то в нем возникает Э. Д.С. равная:

E=B×I×vE= B times I times v

где В — магнитная индукция в месте, где находится проводник,
l — активная длина проводника (та его часть, которая находится в магнитном поле),
v — скорость перемещения проводника в магнитном поле.

Если этот проводник замкнуть на какой-либо приемник энергии, то в замкнутой цепи под действием Э.Д.С. будет протекать ток, совпадающий по направлению с Э.Д.С. в проводнике. В результате взаимодействия тока I в проводнике с магнитным полем полюсов создается электромагнитная сила Fэ, направление которой определяется по правилу левой руки; эта сила будет направлена навстречу силе, перемещающей проводник в магнитном поле. При равенстве сил F1 = Fэ проводник будет перемещаться с постоянной скоростью. Следовательно, в такой простейшей электрической машине механическая энергия, затрачиваемая на перемещение проводника, преобразуется в энергию электрическую, отдаваемую сопротивлению внешнего приемника энергии, т. е. машина работает генератором. Та же простейшая электрическая машина может работать двигателем. Если от постороннего источника электрической энергии через проводник пропустить ток, то в результате взаимодействия тока в проводнике с магнитным полем полюсов создается электромагнитная сила Рэ, под действием которой проводник начнет перемещаться в магнитном поле, преодолевая силу торможения какого-либо механического приемника энергии.

Рисунок 2 — Физика процесса

Таким образом, рассмотренная машина так же, как и любая электрическая машина, обратима, т. е. может работать как генератором, так и двигателем. Для увеличения Э.Д.С. и электромеханических сил электрические машины снабжаются обмотками, состоящими из большого числа проводов, которые соединяются между собой так, чтобы Э.Д.С. в них имели одинаковое направление и складывались. Э.Д.С. в проводнике будет индуктирована также и в том случае, когда проводник неподвижен, а перемещается магнитное поле полюсов.

2. Асинхронные двигатели

Наиболее распространенные электрические машины. В основном они используются как электродвигатели и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую.Асинхронный двигатель имеет статор
(неподвижная часть) и ротор (подвижная часть), разделенные воздушным зазором, ротор крепится на подшипниках. Активными частями являются обмотки; все остальные части — конструктивные, обеспечивающие необходимую прочность, жесткость, охлаждение, возможность вращения и т. п. По конструкции ротора асинхронные машины подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Оба типа имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь исполнением обмотки ротора. Магнитопровод ротора выполняется аналогично магнитопроводу статора — из электротехнической стали и шихтованным. Фазный ротор используют когда необходимо создать большой пусковой момент. К ротору подводят ток и в результате уже возникает магнитный поток необходимый для создания момента.

На обмотку статора подается напряжение, под действием которого по этим обмоткам протекает ток и создает вращающееся магнитное поле. Магнитное поле воздействует на стержни ротора и по закону магнитной индукции возникает электрический ток т. к. изменяется магнитный поток, проходящий через замкнутый контур ротора. Токи в стержнях ротора создают собственное магнитное поле стержней, которые вступают во взаимодействие с вращающимся магнитным полем статора. В результате на каждый стержень действует сила, которая складываясь по окружности создает вращающийся электромагнитный момент ротора из-за того, что индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре ротора, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток. Следовательно и возникает вращение.Частота вращения ротора не может достигнуть частоты вращения магнитного поля, так как в этом случае угловая скорость вращения магнитного поля относительно обмотки ротора станет равной нулю, магнитное поле перестанет индуцировать в обмотке ротора Э.Д.С. и, в свою очередь, создавать крутящий момент.

Рисунок 3 — Вид асинхронной машины с короткозамкнутым ротором в разрезе

На рисунке приведен вид асинхронной машины с короткозамкнутым ротором в разрезе:

1 — станина,

2 — сердечник статора,

3 — обмотка статора,

4 — сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой,

5 — вал.

3. Синхронные двигатели

Синхронный двигатель не имеет принципиальных конструктивных отличий от асинхронных. На статоре синхронного двигателя помещается трехфазная обмотка, при включении которой в сеть трехфазного переменного тока будет создано вращающееся магнитное поле, число оборотов в минуту которого n = 60f/p, где f — частота напряжения питания привода. На роторе двигателя помещена обмотка возбуждения, включаемая в сеть источника постоянного тока. Либо ротор выполнен из постоянного магнита. Ток возбуждения создает магнитный поток полюсов или в случае с постоянным магнитом, магнитный поток уже создан. Вращающееся магнитное поле, полученное токами обмотки статора, увлекает за собой полюса ротора. При этом ротор может вращаться только с синхронной скоростью, т. е. со скоростью, равной скорости вращения поля статора. Таким образом, скорость синхронного двигателя строго постоянна, если неизменна частота тока питающей сети.

Достоинством синхронных двигателей является меньшая, чем у асинхронных, чувствительность к изменению напряжения питающей сети. У синхронных двигателей вращающий момент пропорционален напряжению сети в первой степени, тогда как у асинхронных — квадрату напряжения. Вращающий момент синхронного двигателя создается в результате взаимодействия магнитного поля статора с магнитным полем полюсов. От напряжения питающей сети зависит только магнитный поток поля статора.

4. Шаговые двигатели

Шаговые двигатели — это электромеханические устройства, преобразующие сигнал управления в угловое (или линейное) перемещение ротора с фиксацией его в заданном положении без устройств обратной связи. По сути шаговый двигатель является синхронным, но отличается подходом управления. Рассмотрим самые распространенные.

5. Двигатели с постоянными магнитами

Рисунок 4 — Ротор

Двигатели с постоянными магнитами состоят из статора, который имеет обмотки, и ротора, содержащего постоянные магниты. Чередующиеся полюса ротора имеют прямолинейную форму и расположены параллельно оси двигателя. Благодаря намагниченности ротора в таких двигателях обеспечивается больший магнитный поток и, как следствие, больший момент, чем у двигателей с переменным магнитным сопротивлением. Такой двигатель имеет величину шага 30°. При включении тока в одной из катушек, ротор стремится занять такое положение, когда разноименные полюса ротора и статора находятся друг напротив друга. Для осуществления непрерывного вращения нужно включать фазы попеременно. На практике двигатели с постоянными магнитами обычно имеют 48—24 шага на оборот (угол шага 7,5—15°). Двигатели с постоянными магнитами подвержены влиянию обратной Э.Д.С. со стороны ротора, котрая ограничивает максимальную скорость.

6.

Гибридные двигатели

Рисунок 5 — Устройство гибридных двигателей

Являются более дорогими, чем двигатели с постоянными магнитами, зато они обеспечивают меньшую величину шага, больший момент и большую скорость. Типичное число шагов на оборот для гибридных двигателей составляет от 100 до 400 (угол шага 3,6…0,9°). Ротор гибридного двигателя имеет зубцы, расположенные в осевом направлении. Ротор разделен на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянным магнит. Таким образом, зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки — южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повернуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок. Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи. Статор гибридного двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество эквивалентных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки. Обычно используются 4 основных полюса для 3,6° двигателей и 8 основных полюсов для 1,8…0,9° двигателей. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определенных положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением зубцов, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть между ними. Зависимость между числом полюсов ротора, числом эквивалентных полюсов статора и числом фаз определяет угол шага S двигателя:

S=360/(Nph×Ph)=360/NS= 360 / ( Nph times Ph ) = 360 / N

где Nph — число эквивалентных полюсов на фазу, равное числу полюсов ротора,
Ph — число фаз,
N — полное количество полюсов для всех фаз вместе.

7. Сервопривод

Рисунок 6 — График зависимости момента от скорости вращения двигателя

Сервопривод — общее название привода, синхронного, асинхронного либо любого другого, с отрицательной обратной связью по положению, моменту и др. параметрам, позволяющего точно управлять параметрами движения. Сервопривод – это комплекс технических средств. Состав сервопривода: привод – например, электромотор, датчик обратной связи – например, датчик угла поворота выходного вала редуктора (энкодер), блок питания и управления (он же преобразователь частоты \ сервоусилитель \ инвертор \ servodrive). Мощность двигателей: 0,05…15 кВт. Существует понятие «вентильный двигатель». Это всего лишь названия для двигателя, управление которым осуществляется через «вентили» – ключи, переключатели и т. п. коммутационные элементы. Современными «вентилями» являются IGBT-транзисторы использующиеся в блоках управления приводами. Никакого конструктивного отличия нет. Основным достоинством сервоприводов является наличие обратной связи, благодаря которой такая система может поддерживать точность позиционирования на высоких скоростях и высоких моментах. Также систему отличает низкоинерционность и высокие динамические характеристики, например время переключения от скорости –3 000 об/мин до достижения 3 000 об/мин составляет всего 0,1 с. Современные блоки управления являются высокотехнологическими изделиями со сложной системой управления и могут обеспечить выполнение практически любой задачи.

Характеристики системы сервопривода рассмотрим основываясь на сервоприводах фирмы Delta elc. Серии блока управления ASDA-A и двигателем 400 Вт. Как видно поддержание момента линейное на всем диапазоне скоростей. Это достигается благодаря использованию синхронного двигателя в высококачественном исполнении. Величина шага перемещения определяется разрешающей способностью датчика обратной связи, энкодера, а так же блоком управления. Стандартные сервоприводы могут обеспечить шаг в 0,036° т. е. 1/10 000 от оборота, и это на скоростях до 5 000 об/мин.

Самые современные сервоприводы отрабатывают шаг в 1/2 500 000.

Рисунок 7 — Шаговый двигательРисунок 8 — Серводвигатель

Шаговый двигатель	Серводвигатель
Надежность
Шаговые двигатели обладают высокой надежностью, так как в их конструкции отсутствуют изнашивающиеся детали. Рабочий ресурс двигателя зависит только от ресурса примененных в нем подшипников.	Большинство современных бесколлекторных сервоприводов от известных производителей (Mitsubishi, Siemens, Omron, Delta) отличаются высокой надежностью, порой сравнимой с надежностью шаговых двигателей, даже несмотря на значительно более сложное устройство сервопривода.
Эффект потери шагов
Всем шаговым двигателям присуще свойство потери шагов. Данный эффект проявляется в некотором неконтролируемом смещении траектории перемещения инструмента, от необходимой траектории. При изготовлении простых деталей, имеющих малую длину траектории перемещения инструмента и при невысоких требованиях к изделию, в большинстве случаем данным эффектом можно пренебречь. Но при обработке сложных изделий (пресс-формы, резьба и т. п.), где длина траектории может достигать километров!, данный эффект в большинстве случаев будет приводить к неисправимому браку. Данный эффект проявляется при выходе за допустимые характеристики двигателя, при неправильном управлении двигателем, а также при «проблемах» с механикой. Применение современных технологий управления шаговыми двигателями, с применением современной электроники, позволяет полностью устранить данный эффект, но стоимость возрастает.	Эффект потери шагов у сервоприводов полностью отсутствует. Потому, что в каждом сервоприводе имеется датчик положения (энкодер), который постоянно отслеживает положение ротора двигателя и при необходимости выдает команды коррекции положения, на основании которых управляющая электроника, проанализировав данные, полученные с энкодера, вырабатывает необходимые сигналы управления на двигатель. Данный механизм называется обратной связью.
Скорость перемещения
При использовании шаговых двигателей в приводах подач в станках с ЧПУ можно добиться скорости 150…300 мм/сек (бывает и больше, но это уже «экзотика»). При максимальных скоростях и при превышении допустимой нагрузки возможно проявление эффекта потери шагов.	Приводы подач станков с ЧПУ на основе серводвигателей позволяют достигать высоких скоростей. Скорость холостого перемещения 0,5…1 м/c является нормальным явлением для сервоприводов.
Динамическая точность*
Динамическая точность является определяющей характеристикой при обработке сложноконтурных изделий (пресс-формы, резьба и т. п.). Шаговые двигатели отличаются высокой динамической точностью, которая является следствием принципов работы шагового двигателя. Обычно, на хорошей механике, рассогласование не превышает 20 мкм (1 мкм = 0,001 мм).	Высококачественные сервоприводы имеют высокую динамическую точность до 1…2 мкм и выше! (1 мкм = 0,001 мм). Для получения высокой динамической точности необходимо применять сервоприводы, предназначенные для контурного управления, которые точно отрабатывают заданную траекторию.
Стоимость
В шаговых двигателях применяются дорогостоящие редкоземельные магниты, а также ротор и статор изготавливаются с прецизионной точностью, и поэтому по сравнению с общепромышленными электродвигателями шаговые двигатели имеют более высокую стоимость.	Применение дорогостоящего датчика положения ротора, а также применение достаточно сложного блока управления обуславливает значительно более высокую стоимость, чем у шагового двигателя.
Стоимость систем для создания момента в 2 Нм
Гибридный шаговый двигатель с шагом 1,8° – 12 000 р. Блок управления – 9 600 р.	Привод с энкодером обеспечивающий шаг в 0,036°, максимальную скорость 3 000 об/мин — 12 704 р. Блок управления – 13 000 р.
Ремонтопригодность
шагового двигателя может выйти из строя только обмотка статора, а ее замену может произвести только производитель двигателя, так как если двигатель даже только разобрать и снова собрать, он уже не будет работать! Потому, что при разборке двигателя происходит разрыв магнитных цепей внутри двигателя и происходит размагничивание магнитов. Поэтому после сборки двигателя требуется намагничивание внутренних магнитов на специальной установке.	Поврежденный серводвигатель в большинстве случаев проще заменить, чем ремонтировать. Ремонту в основном подвергают только мощные двигатели, имеющие весьма высокую стоимость.
Столкновение с препятствием
Столкновение подвижных узлов станка с препятствием, в результате которого происходит остановка шагового двигателя, не взывает у него каких-либо повреждений.	В станке на базе сервоприводов, при столкновении подвижных узлов с препятствием, управляющая электроника определяет, что произошло повышение нагрузки и для компенсации повышенной нагрузки повышает уровень тока, подаваемый на двигатель. При полной принудительной остановке на серводвигатель подается максимальный ток. Поэтому, если управляющая электроника не отслеживает подобную ситуацию, то возможно сгорание двигателя.
Преимущества
Высокая надежность Относительно низкая цена	Высокие динамические характеристики Отсутствие эффекта потери шагов Высокая перегрузочная способность
Недостатки
Падение крутящего момента на высокой скорости Низкая ремонтопригодность Возможность эффекта потери шагов	Высокая цена, следствие использования сложной системы управления Низкая ремонтопригодность Требуется более бережное отношение к двигателю

* — Динамическая точность — максимальное отклонение реальной траектории перемещения инструмента от запрограммированной

8.

Вывод

Сервопривод и шаговый двигатель не являются конкурентами, а каждый занимает свою определенную нишу. Сравним их на основе рынка станков с ЧПУ. Применение шаговых двигателей полностью оправданно для применения в
недорогих станках с ЧПУ (в ценовой категории до 10—12 тыс. USD), предназначенных для обработки дерева, пластиков, ДСП, МДФ, легких металлов и других материалов средней скорости.Применение высококачественных сервоприводов необходимо в высокопроизводительном оборудовании, где главным критерием является производительность. Единственный «недостаток» хорошего сервопривода – это его высокая стоимость. К примеру, станок ATS-760 на шаговых приводах стоит 11 000 $, а эта же модель, но на сервоприводах стоит 17 500 $. Однако возможности получения высокостабильного или точного управления, широкий диапазон регулирования скорости, высокая помехоустойчивость, малые габариты и вес часто являются решающими факторами их применения. Добившись одинаковых качеств от сервопривода и шагового их стоимости станут соизмеримыми при однозначном лидерстве сервопривода.

Серводвигатель или шаговый электродвигатель? Что лучше выбрать?

Всем инженерам хорошо известно, что нет такого понятия, как идеальное решение — есть просто лучшее решение для рассматриваемой проблемы. Это особенно актуально для серводвигателей и шаговых двигателей. Оба широко используются в промышленности. Применение ни одного из них не является универсальным решением. Однако при правильном применении как шаговые, так и серводвигатели могут обеспечить эффективную и надежную работу при максимальной производительности системы. Дерево решений для выбора между ними имеет много ветвей, но наиболее важными являются скорость, ускорение и цена.

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).

С другой стороны,
шаговые электродвигатели имеют ограничения по скорости. Они обычно работают с
максимальной  эффективностью всего при
1200 об / мин или ниже. Хотя они генерируют высокий крутящий момент при нулевой
скорости, крутящий момент падает при увеличении скорости (график ниже).
Например, двигатель, создающий момент 3 кгс·м  при
нулевой скорости, может выдать только 1. 5 кгс·м при 500 об / мин и всего 0.3 кгс·м при 1000 об / мин.

Теоретически можно
использовать редуктор для увеличения крутящего момента, но именно здесь малая
скорость шаговых двигателей становится проблемой. Добавление редуктора 10: 1 к
шаговому двигателю со скоростью 1200 об / мин может повысить крутящий момент на
порядок, но также снизит скорость до 120 об / мин. Если двигатель используется
для шарико-винтового привода или чего-либо подобного, он, вероятно, не будет
обеспечивать 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.

На графике зеленым
показана зависимость момент шагового двигателя от скорости, красным – зависимость
максимального момент серводвигателя от скорости и синим – момент серводвигателя
от 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 электропривода
дает команду двигателю продвинуться на 200 шагов и он сделает это за несколько
шагов, ошибка составит несколько процентов. Хотя мы используем шаговые
электродвигатели с разрешением от 25 000 до 50 000 шагов на оборот, но поскольку
двигатель представляет собой систему с пружинно-массовой нагрузкой, наш обычный
диапазон составляет от 2000 до 6000 отсчетов за оборот. Тем не менее, при этих
разрешениях 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.

Серводвигатели

Как и шаговые двигатели,
серводвигатели имеют много реализаций. Давайте рассмотрим наиболее
распространенную конструкцию, которая включает в себя ротор с постоянными
магнитами и неподвижный статор с обмотками. Здесь также ток создает
распределение магнитного поля, которое воздействует на ротор и развивает
крутящий момент. Однако серводвигатели имеют значительно меньшее число полюсов,
чем шаговые электрические машины. В результате они должны работать в замкнутой
системе управления.

В целом, серводвигатели более сложные, чем шаговые. Они работают значительно быстрее, со скоростями порядка нескольких тысяч оборотов в минуту (рисунок ниже). Это позволяет использовать серводвигатели с редукторами, чтобы обеспечить гораздо более высокий крутящий момент на нужных скоростях. Они также обеспечивают более постоянный крутящий момент во всем диапазоне скоростей электродвигателя. В отличие от шаговых двигателей, они не имеют удерживающего момента как такового.

Однако работа в
замкнутом контуре позволяет контроллеру / электроприводу дать команду на
удержание нагрузки в определенном положении, и двигатель будет непрерывно ее
регулировать, чтобы удерживать ее на одном месте. Таким образом, серводвигатели
могут обеспечивать фактический удерживающий момент. Тем не менее, обратите
внимание, что вариант удерживающего крутящего момента при нулевой скорости
зависит от правильного размера двигателя для управления нагрузкой и
предотвращения колебаний относительно заданного местоположения.

Серводвигатели обычно используют редкоземельные магниты, в то время как шаговые двигатели чаще используют менее дорогие обычные магниты. Редкоземельные магниты позволяют развивать более высокий крутящий момент в меньшем корпусе. Серводвигатели также получают преимущество в крутящем моменте от их общего физического размера. Диаметры серводвигателей обычно варьируются от NEMA 17 до 220 мм. В результате этих комбинированных факторов серводвигатели могут выдавать крутящий момент до 114 кгс·м.

Сочетание скорости и крутящего момента позволяет серводвигателям обеспечивать лучшее ускорение, в сравнении с шаговыми двигателями. Они также обеспечивают лучшую точность позиционирования в результате работы с обратной связью.

Подведем итоги

Серводвигатели
предлагают неоспоримое преимущество в производительности. Однако с точки зрения
стабильности позиционирования шаговые двигатели могут быть весьма
конкурентоспособными. Эта точка зрения приводит к распространенному заблуждению
о шаговых двигателях, которое является мифом о «потерянном шаге». Как мы уже
обсуждали ранее, массово-пружинный характер нагрузки шагового двигателя может
привести к нескольким потерянным шагам. Привод дает команду движению шагового
механизма в определенный угол, однако потерянные шаги не переносятся от
вращения к вращению. Все зависит от необходимого уровня точности
позиционирования.

Вышеприведенное
обсуждение подводит нас к окончательному и ключевому различию между шаговыми
электродвигателями и сервоприводами — стоимости. Шаговые двигатели обычно не
требуют обратной связи, они используют менее дорогие магниты и редко содержат
редуктора. Из-за большого количества полюсов и их способности генерировать
удерживающий момент они потребляют меньше энергии при нулевой скорости. В
результате шаговый двигатель может быть на порядок дешевле, чем аналогичный
серводвигатель.

Подводя итог, можно
сказать, что шаговые двигатели являются хорошим решением для механизмов с малой
скоростью вращения, небольшим ускорением и малыми требованиями к точности.
Шаговые двигатели также имеют тенденцию быть компактными и недорогими. Это делает
эти машины подходящими для применения в медицине, биотехнологиях, безопасности
и обороне, а также в производстве полупроводников. Серводвигатели — лучший
выбор для систем, требующих высокой скорости, высокого ускорения и большой
точности. Компромисс — более высокая стоимость и сложность. Серводвигатели
обычно используются в упаковке, конвертации, плетении сетей и
аналогичных приложениях.

Если ваши требования не слишком критичны, а бюджет ограничен, рассмотрите шаговый двигатель. Если производительность является наиболее важным аспектом, серводвигатель выполнит свою работу, но будьте готовы заплатить больше.

Что нужно знать, чтобы правильно выбрать двигатель

• Требования к крутящему моменту
• Требования к скорости
• Желаемое ускорение
• Нагрузка, масса и инерция
• Бюджет
• Габаритные показатели

Выбор между серводвигателями и шаговыми двигателями

Лучший двигатель тот, который соответствует требованиям применения. Однако, когда и серводвигатели, и шаговые двигатели удовлетворяют основным требованиям приложения позиционирования, важно иметь более глубокое понимание этих двух технологий, чтобы принять взвешенное решение.

В этом сообщении блога  мы суммируем различия между системами серводвигателей и системами шаговых двигателей.

Давайте начнем с быстрого сравнения двух моторных технологий.

Хотя серводвигатели и шаговые двигатели используют постоянные магниты в роторе и требуют для работы приводных цепей, в их конструкции есть фундаментальные различия, которые приводят к различиям в производительности.

Шаговому двигателю можно дать команду переместиться в положение, остановиться, затем удерживать, в то время как серводвигатель должен «искать» целевое положение с обратной связью от энкодера. Первое существенное отличие, которое вы заметите, заключается в том, что потребность серводвигателя в энкодере увеличивает длину двигателя.

Вторым важным отличием является количество полюсов. Обсуждаемые здесь полюса являются «магнитными полюсами» и могут быть определены как северные или южные магнитные полюса ротора. Эти полюса обеспечивают определенные стабильные точки, в которых магнитный поток от статора будет взаимодействовать с ротором.

Чтобы понять разницу в количестве полюсов между шаговыми двигателями и серводвигателями, нам нужно глубже изучить конструкцию каждого двигателя. На левом изображении ниже показана конструкция шагового двигателя, а на правом изображении ниже показана схема поперечного сечения его ротора и статора.

Шаговый двигатель

В конструкции шагового двигателя используется аксиально намагниченный редкоземельный постоянный магнит, который зажат между двумя зубчатыми чашками ротора. При осевом намагничивании постоянного магнита зубья двух чашек ротора становятся магнитными полюсами противоположной полярности. Чашка ротора может иметь 50 или 100 зубьев, а две чашки ротора скошены на половину шага зубьев. Зубья обоих роторов показаны синим и красным на правом изображении выше (если смотреть со стороны вала). Для шагового двигателя каждый зубец на обеих чашках ротора становится полюсом.

Серводвигатель

Серводвигатель (показан выше) использует ротор с радиальным намагничиванием вместо зубьев (показан ниже), что является основной причиной того, что серводвигатели имеют значительно меньше полюсов . Малое количество полюсов также требует использования обратной связи энкодера для минимизации ошибки.

Серводвигатель занимает больше места из-за необходимости использования абсолютного энкодера. Меньшее количество полюсов дает ему возможность генерировать более высокий крутящий момент на более высоких скоростях. Шаговый двигатель может работать в разомкнутом контуре без энкодера, поэтому он более компактен.

Одним из основных требований для позиционирования является точность остановки двигателя. И шаговый двигатель, и серводвигатель могут точно останавливаться.

Точность остановки шагового двигателя зависит от качества изготовления обмоток (электрических) и конструкции зубьев (механических), а точность серводвигателя зависит от точности сборки, разрешения энкодера и алгоритма.

Помните, что между ротором и статором есть очень тонкий воздушный зазор, и трение происходит только от его шарикоподшипников. Момент трения или гравитационная нагрузка могут привести к отклонению фактического положения остановки, поэтому при переходе от положения к положению возникает небольшая ошибка. Когда мы наносим на график ошибки, которые возникают, когда двигатели совершают 1 полный оборот, они выглядят так, как показано на графиках ниже.

Обратите внимание, что оба они обеспечивают точность останова около +/-0,02°, что ниже типичной для шаговых двигателей точности повторяющихся остановов, равной 3 угловым минутам, или +/-0,05°. В то время как шаговый двигатель обеспечивает лучшую повторяемость с шагом 7,2° или почти идеальную повторяемость с шагом 360°, точность остановки серводвигателя зависит от разрешения его энкодера.

Точность остановки шагового двигателя сильно зависит от характеристик его обмотки, точности конструкции ротора, а также количества зубцов/полюсов в его роторе. Точность остановки серводвигателя зависит от точности сборки, разрешения энкодера и алгоритма работы. В некотором смысле можно сказать, что шаговый двигатель «механически разработан» для приложений позиционирования, а серводвигатели «электрически спроектирован» для приложений позиционирования.

Серводвигатели обычно работают на более высоких скоростях, чем шаговые двигатели. На самом деле это означает, что серводвигатель будет выдавать больший крутящий момент при заданных оборотах, чем шаговый двигатель. Эта разница в характеристиках крутящего момента возникает из-за разницы в количестве полюсов, а также в индуктивности обмотки между конструкциями серводвигателя и шагового двигателя.

Количество полюсов также влияет на то, сколько раз необходимо передвинуть обмотку двигателя для полного оборота двигателя. Для серводвигателя может потребоваться всего 12 «шагов», чтобы сделать полный оборот. Однако для двухфазного шагового двигателя требуется 200 «шагов». На малых скоростях это не имеет существенного значения. Однако на больших скоростях водитель не сможет полностью запитать обмотки. Поскольку ток пропорционален крутящему моменту, крутящий момент уменьшается на высоких скоростях.

Разницу в производительности шаговых двигателей и серводвигателей лучше всего можно продемонстрировать на их кривых скорость-момент. Вот пример сравнения шагового двигателя и серводвигателя с одинаковым типоразмером.

Шаговый двигатель NEMA 23	200 Вт (1/4 л. с.) Серводвигатель 60 мм

Большое количество полюсов шаговых двигателей обеспечивает высокий пуск и плавную работу на низкой скорости. Они могут быстро реагировать, точно позиционировать без энкодера и легко создавать удерживающий момент. Однако из-за высокой индуктивности обмотки, количества полюсов и постоянных L/R крутящий момент уменьшается в области высоких скоростей. Малое количество полюсов и малая индуктивность обмотки серводвигателей не создают высокого пускового момента, но позволяют им лучше поддерживать свой крутящий момент во всем диапазоне скоростей.

По определению, серводвигатель должен работать с управлением по замкнутому контуру, а шаговый двигатель обычно работает с управлением без обратной связи. Серводвигатель использует обратную связь для управления положением, скоростью или крутящим моментом двигателя. Шаговый двигатель получает команду двигаться в определенное место без обратной связи, но может потерять синхронность из-за перегрузки.

Добавление обратной связи для сохранения синхронизма усложняет конструкцию драйвера и увеличивает количество компонентов. В дополнение к генератору импульсов, фазорегулятору и полевому транзистору из типичной системы шагового двигателя, система серводвигателя также содержит счетчик положения ротора, преобразователь F/V, усилитель тока, усилитель скорости, усилитель положения и счетчик отклонения. Все эти компоненты необходимы для работы двигателя в ПИД-контуре, где драйвер постоянно вычисляет ошибки и регулирует пропорциональные/интегральные/дифференциальные коэффициенты для коррекции на лету. Вот почему серводвигатели дороже и требуют времени на обработку.

Наряду с замкнутой обратной связью также увеличивается отношение нагрузки к моменту инерции ротора. Шаговый двигатель может выдерживать инерцию ротора примерно в 10 раз, а серводвигатель может выдерживать инерцию ротора в 100 раз. Для сравнения, шаговый двигатель с обратной связью может выдерживать 30-кратную инерцию ротора.

Шаговые двигатели работают без обратной связи, поэтому для их работы требуется меньше компонентов. Вот почему они более рентабельны. Серводвигатели требуют обратной связи и работают в ПИД-контуре, поэтому требуется больше компонентов.

В шаговых двигателях используется технология драйвера прерывателя тока, которая обеспечивает постоянную подачу тока независимо от нагрузки. Ток пропорционален температуре, поэтому рабочий цикл шагового двигателя должен быть ограничен примерно 50%. Серводвигатели обеспечивают более эффективное управление током, поскольку потребляют только тот ток, который им необходим. Одна вещь, в которой шаговый двигатель лучше, — это его способность генерировать удерживающий момент на нулевой скорости. Серводвигатели потребляют больше энергии для создания удерживающего момента.

Обратная связь с обратной связью также обеспечивает более эффективное управление током, что влияет на температуру двигателя и срок службы. На приведенном ниже графике мы отображаем повышение температуры в зависимости от рабочего цикла [%] двигателя. Обратите внимание, как повышается температура при рабочем режиме. Вот почему рабочий цикл должен быть ограничен для шаговых двигателей. Срок службы двигателя определяется сроком службы смазки подшипников, а срок службы смазки подшипников зависит от температуры.

Эффективное управление током также может привести к другим преимуществам производительности, таким как снижение уровня шума и вибрации. Кроме того, размер двигателей должным образом. Шаговые двигатели имеют тенденцию вибрировать сильнее, если их размер не соответствует размеру. Серводвигатели имеют тенденцию «рыскать» больше, если они неправильно подобраны или настроены.

Способность потреблять только необходимый ток является большим преимуществом систем серводвигателей, которые также могут помочь увеличить срок службы, снизить уровень шума для определенных приложений или снизить энергопотребление. Чтобы шаговый двигатель обеспечивал такое же эффективное управление током, необходимо замкнуть контур.

Чтобы помочь с выбором продукта, мы составили список различий между сервоприводами и шаговыми двигателями.

Темы:

Шаговые двигатели,

абсолютное позиционирование,

Гибридное управление Alphastep,

Серводвигатели,

Сеть,

Срок службы

В чем разница между шаговым двигателем и серводвигателем?

Вам нужны шаговые двигатели или серводвигатели в вашем бизнесе? Возможно, вам нужны оба. Хотя они не так уж отличаются, как некоторые могут подумать, между ними есть некоторые существенные различия. Если вы не совсем понимаете свойства и преимущества шагового двигателя по сравнению с серводвигателем, вот базовая разбивка, которая поможет прояснить ситуацию.

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель назван так потому, что это двигатель, который движется дискретными шагами. Эти двигатели постоянного тока имеют ряд катушек, расположенных по фазам. Источник питания включает каждую фазу последовательно, заставляя двигатель вращаться на один шаг для каждой фазы.

Существует несколько различных типов шаговых двигателей, но все они имеют в своей основе этот базовый механизм. Шаговое движение двигателя обеспечивает большую точность и контроль скорости.

Что такое серводвигатель?

Серводвигатель представляет собой двигатель с замкнутым контуром, который связан с энкодером, обеспечивающим обратную связь по положению и скорости. Механизм использует эту обратную связь для определения своего движения. Контроллер отправляет сигнал об ошибке двигателю, если он не находится в правильном положении, сигнализируя ему продолжать движение, пока он не достигнет желаемого положения.

Обзор серводвигателей

Серводвигатель по сравнению с Шаговый двигатель

Какой двигатель подходит для ваших нужд? В чем разница между шаговым двигателем и серводвигателем?

На самом базовом уровне, если точность и контроль являются вашими приоритетами, вам, как правило, понадобится шаговый двигатель, а если скорость является тем свойством, которое вы цените больше всего, обычно лучше использовать серводвигатель. Правда в том, что при правильной оптимизации шаговый двигатель обычно может выполнять ту же работу, что и серводвигатель, только медленнее и дешевле.

Однако при поиске двигателей для вашего приложения может быть полезно копнуть немного глубже. Давайте рассмотрим еще несколько плюсов и минусов каждого типа двигателя.

Стабильность

Если требуется стабильность, вам следует выбрать шаговые двигатели. Серводвигатели имеют тенденцию пульсировать даже в состоянии покоя, поэтому, если у вас есть ситуация, когда двигателю необходимо удерживать нагрузку неподвижно, или другое приложение, в котором отсутствие стабильности может помешать процессу, вам обычно следует использовать шаговый двигатель.

Крутящий момент

Обычно вы можете получить примерно такой же крутящий момент от шагового двигателя, как и от серводвигателя. Как правило, вы получаете более высокую производительность от сервопривода с более гибкой кривой скорости и дополнительным зависящим от времени максимальным крутящим моментом, но опять же, оптимизированный шаговый двигатель обычно может выполнять ту же работу более доступным образом.

Имейте в виду, однако, что с серводвигателем вы можете контролировать крутящий момент, в то время как шаговый двигатель всегда работает с максимальным крутящим моментом. Иногда это может быть преимуществом шагового двигателя, так как часто можно достичь максимального крутящего момента при более безопасном напряжении.

Также обратите внимание, что вам нужна наибольшая мощность, когда речь идет о шаговых двигателях во время фазы ускорения, поэтому вам необходимо, чтобы крутящий момент соответствовал номинальной характеристике шагового двигателя.

Размер

Доступны шаговые двигатели и серводвигатели аналогичных размеров. Учтите, однако, что длина двигателя влияет на значение крутящего момента и значение инерции, поэтому двигатель большей длины может иметь другие характеристики, даже если его габаритные размеры примерно такие же, как у другого двигателя.

Скорость

Как мы уже говорили, если скорость является приоритетом, вам нужны серводвигатели. Однако в приложениях, где двигатель генерирует больше оборотов, чем вам нужно, например, в ременном приводе, вы часто можете заменить шаговый двигатель более дешевым решением с тем же результатом.

Микрошаговый режим

Микрошаговый режим включает увеличение разрешения двигателя путем разделения тока между двумя полюсами для обеспечения полушагов, когда двигатель предлагает меньше шагов, чем вам нужно. Название может указывать на то, что шаговый двигатель является оптимальным для такой процедуры, но серводвигатели предпочтительнее, так как этот процесс приводит к значительному снижению крутящего момента в шаговом двигателе.