Какой из них подходит для вашего случая? Давайте рассмотрим ключевые критерии принятия решения, включая скорость, ускорение и целевую цену.

Шаговые двигатели

Шаговые двигатели состоят из ротора с постоянными магнитами и неподвижного статора с обмотками. При прохождении тока через обмотки статора создается магнитный поток, который, взаимодействуя с магнитным полем ротора, создает вращающую силу. Шаговые двигатели имеют очень большое количество полюсов, обычно 50 и более. Драйвер шагового двигателя последовательно подает напряжение на каждый полюс, так что ротор вращается последовательно, шагами. Благодаря большому количеству полюсов движение кажется непрерывным.

Теоретически, редуктор можно использовать для увеличения крутящего момента, но здесь проблема заключается в низкой скорости шаговых двигателей. Добавление редуктора 10:1 к шаговому двигателю с частотой вращения 1200 об/мин может увеличить крутящий момент на порядок, но при этом скорость вращения снизится до 120 об/мин. Если двигатель используется для привода шарико-винтового привода или аналогичного механизма, он, вероятно, не обеспечит достаточной скорости для удовлетворения потребностей приложения.

Шаговые двигатели, как правило, не выпускаются в типоразмерах более NEMA 34, и большинство применений относятся к типоразмерам NEMA 17 или NEMA 23. В результате редко встречаются шаговые двигатели, способные развивать крутящий момент более 1000–2000 унций-дюймов.

Шаговые двигатели также имеют ограничения по производительности. Шаговый двигатель можно представить как систему пружин и масс. Чтобы начать вращение и переместить груз, двигателю необходимо преодолеть трение, в этом случае ротор не будет полностью управляем. В результате команда на перемещение на пять шагов может привести к повороту двигателя только на четыре, а то и на шесть шагов.

Однако если привод отдаёт команду двигателю на перемещение на 200 шагов, он выполнит это с точностью всего в несколько шагов, что в данном случае представляет собой погрешность в несколько процентов. Хотя мы обычно управляем шаговыми двигателями с разрешением от 25 000 до 50 000 отсчётов на оборот, поскольку двигатель представляет собой систему пружин и масс под нагрузкой, наше типичное разрешение составляет от 2000 до 6000 отсчётов 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 базовые физические законы работы двигателя. Для приложений, требующих повышенной точности позиционирования и разрешения, серводвигатели представляют собой лучшее решение.

Серводвигатели

Как и шаговые двигатели, серводвигатели имеют множество схем применения. Рассмотрим наиболее распространённую конструкцию, включающую ротор с постоянными магнитами и неподвижный статор с обмотками. Здесь ток также создаёт магнитное поле, которое воздействует на ротор, создавая крутящий момент. Однако серводвигатели имеют значительно меньшее число полюсов, чем шаговые двигатели. Поэтому они должны работать в замкнутом контуре.

Однако работа в замкнутом контуре позволяет контроллеру/приводу управлять нагрузкой, удерживая её в определённом положении, а двигатель будет постоянно корректировать его положение, чтобы удерживать её там. Таким образом, серводвигатели могут обеспечивать фактический удерживающий момент. Однако следует отметить, что сценарий с моментом при нулевой скорости зависит от правильного выбора мощности двигателя для управления нагрузкой и предотвращения колебаний относительно заданного положения.

В серводвигателях обычно используются редкоземельные магниты, в то время как в шаговых двигателях чаще используются более дешёвые обычные магниты. Редкоземельные магниты позволяют развивать более высокий крутящий момент в меньшем корпусе. Преимущество в крутящем моменте серводвигателей также обусловлено их общими габаритами. Диаметр серводвигателей обычно варьируется от NEMA 17 до 220 мм. Благодаря сочетанию этих факторов серводвигатели могут развивать крутящий момент до 250 фут-фунтов.

Сочетание скорости и крутящего момента позволяет серводвигателям обеспечивать лучшее ускорение по сравнению с шаговыми двигателями. Они также обеспечивают повышенную точность позиционирования благодаря работе в замкнутом контуре.

Заключительные мысли

Серводвигатели обладают неоспоримым преимуществом в производительности. Однако с точки зрения повторяемости шаговые двигатели могут быть вполне конкурентоспособны. Это поднимает распространённое заблуждение о шаговых двигателях – миф о холостом ходе. Как мы уже обсуждали, масса-пружина шагового двигателя может привести к нескольким потерянным шагам. Однако, поскольку привод командует шаговому двигателю двигаться в угловом положении, потерянные шаги не переносятся от одного оборота к другому. Шаговые двигатели обладают высокой повторяемостью. Более подробное обсуждение этой темы смотрите в следующей публикации в блоге.

Вышеизложенное подводит нас к последнему ключевому отличию между шаговыми и сервоприводами — стоимости. Шаговым двигателям обычно не требуется обратная связь, они используют менее дорогие магниты и редко оснащены редукторами. Благодаря большому количеству полюсов и способности создавать удерживающий момент, они потребляют меньше энергии на нулевой скорости. В результате шаговый двигатель может быть на порядок дешевле аналогичного сервопривода.

Подводя итог, можно сказать, что шаговые двигатели являются хорошим решением для приложений с низкими требованиями к скорости, ускорению и точности. Кроме того, шаговые двигатели, как правило, компактны и недороги. Это делает их подходящими для применения в медицине, биотехнологиях, системах безопасности и обороны, а также в производстве полупроводников. Серводвигатели лучше подходят для систем, требующих высокой скорости, ускорения и точности. Однако это приводит к более высокой стоимости и сложности конструкции. Серводвигатели обычно используются в упаковочной промышленности, конвертинге, веб-обработке и других подобных областях.

Если ваше приложение не требует больших затрат, но ваш бюджет ограничен, рассмотрите шаговый двигатель. Если же производительность — главный фактор, серводвигатель тоже подойдёт, но будьте готовы заплатить больше.