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
