Какой из них подходит именно для вашего приложения? Давайте рассмотрим ключевые критерии принятия решения, включая скорость, ускорение и целевые цены.

Шаговые двигатели

Шаговые двигатели состоят из ротора с постоянными магнитами и неподвижного статора, на котором расположены обмотки. Когда ток проходит через обмотки статора, он генерирует распределение магнитного потока, которое взаимодействует с распределением магнитного поля ротора, создавая вращающую силу. Шаговые двигатели отличаются очень большим количеством полюсов, обычно 50 и более. Драйвер шагового двигателя последовательно подает питание на каждый полюс, так что ротор вращается с шагом, или приращениями. Из-за очень большого количества полюсов движение кажется непрерывным.

Теоретически, редуктор можно использовать для увеличения крутящего момента, но именно здесь низкая скорость шаговых двигателей становится проблемой. Добавление редуктора с передаточным отношением 10:1 к шаговому двигателю со скоростью 1200 об/мин может увеличить крутящий момент на порядок, но при этом скорость снизится до 120 об/мин. Если двигатель используется для привода шариковинтового привода или аналогичного устройства, он, вероятно, не обеспечит достаточную скорость для удовлетворения потребностей приложения.

Шаговые двигатели, как правило, не выпускаются в типоразмерах больше NEMA 34, и большинство применений приходится на двигатели типоразмеров NEMA 17 или NEMA 23. В результате редко можно встретить шаговые двигатели, способные развивать крутящий момент более 1000–2000 унций-дюймов.

Шаговые двигатели также имеют ограничения по производительности. Шаговый двигатель можно представить как систему пружина-масса. Для начала вращения и перемещения нагрузки двигателю необходимо преодолеть трение, при этом управление ротором становится неполным. В результате команда на продвижение на пять шагов может привести к тому, что двигатель совершит только четыре или шесть шагов.

Однако если привод задает двигателю команду на перемещение на 200 шагов, он выполнит это с точностью до нескольких шагов, что в этом случае представляет собой погрешность в несколько процентов. Хотя мы управляем шаговыми двигателями с разрешением, как правило, от 25 000 до 50 000 отсчетов на оборот, поскольку двигатель представляет собой пружинно-массовую систему под нагрузкой, наше типичное разрешение составляет от 2000 до 6000 отсчетов на оборот. Тем не менее, при таком разрешении даже перемещение на 200 шагов соответствует доле градуса.

Добавление энкодера позволит системе точно отслеживать движение, но не сможет преодолеть основные физические принципы работы двигателя. Для приложений, требующих повышенной точности и разрешения позиционирования, серводвигатели представляют собой лучшее решение.

Сервомоторы

Как и шаговые двигатели, серводвигатели имеют множество реализаций. Рассмотрим наиболее распространенную конструкцию, которая включает ротор с постоянными магнитами и неподвижный статор с обмотками. Здесь также ток создает распределение магнитного поля, которое воздействует на ротор, развивая крутящий момент. Однако серводвигатели имеют значительно меньшее количество полюсов, чем шаговые двигатели. В результате они должны работать в замкнутом контуре.

Работа в замкнутом контуре позволяет контроллеру/приводу задавать положение нагрузки, при этом двигатель будет постоянно корректировать положение для её удержания. Таким образом, серводвигатели могут обеспечивать фактический удерживающий момент. Однако следует отметить, что сценарий с нулевым крутящим моментом зависит от правильного подбора двигателя для управления нагрузкой и предотвращения колебаний вокруг заданного положения.

В серводвигателях обычно используются редкоземельные магниты, в то время как в шаговых двигателях чаще применяются более дешевые обычные магниты. Редкоземельные магниты позволяют развивать больший крутящий момент в меньшем корпусе. Серводвигатели также получают преимущество в крутящем моменте благодаря своим общим габаритам. Диаметры серводвигателей обычно варьируются от NEMA 17 до 220 мм. В результате этих факторов серводвигатели могут развивать крутящий момент до 250 фут-фунтов.

Сочетание скорости и крутящего момента позволяет серводвигателям обеспечивать более высокое ускорение, чем шаговые двигатели. Кроме того, благодаря замкнутому контуру управления они обеспечивают повышенную точность позиционирования.

Заключительные мысли

Серводвигатели обладают неоспоримым преимуществом в производительности. Однако с точки зрения повторяемости шаговые двигатели могут быть весьма конкурентоспособными. Этот момент поднимает распространенное заблуждение о шаговых двигателях — миф о потерях хода. Как мы обсуждали ранее, пружинно-массовая природа шагового двигателя может привести к нескольким потерям шагов. Однако, поскольку привод управляет движением шагового двигателя в угловом положении, потери шагов не переносятся с одного вращения на другое. При этом шаговые двигатели демонстрируют высокую повторяемость при каждом вращении. Более подробное обсуждение этой темы ожидайте в будущей публикации в блоге.

Приведенное выше обсуждение подводит нас к последнему ключевому отличию шаговых и сервоприводных осей — стоимости. Шаговые двигатели, как правило, не требуют обратной связи, используют более дешевые магниты и редко включают в себя редукторы. Благодаря большому количеству полюсов и способности создавать удерживающий момент, они потребляют меньше энергии при нулевой скорости. В результате шаговый двигатель может быть на порядок дешевле, чем сопоставимый сервопривод.

Вкратце, шаговые двигатели — хорошее решение для применений с низкими требованиями к скорости, ускорению и точности. Шаговые двигатели также, как правило, компактны и недороги. Это делает их подходящими для применения в медицине, биотехнологиях, системах безопасности и обороны, а также в полупроводниковом производстве. Серводвигатели — лучший выбор для систем, требующих высокой скорости, высокого ускорения и высокой точности. Компромисс заключается в более высокой стоимости и сложности. Серводвигатели обычно используются в упаковке, переработке, обработке рулонных материалов и аналогичных областях применения.

Если ваши требования к характеристикам достаточно высоки, но бюджет ограничен, рассмотрите шаговый двигатель. Если же производительность является наиболее важным аспектом, серводвигатель справится с задачей, но будьте готовы заплатить больше.