Чем отличается сервопривод от электропривода

Чем отличается сервопривод от шагового двигателя

Сервоприводы и шаговые двигатели — это два типа электрических приводов, которые используются для управления положением, скоростью или углом поворота вала. Они имеют разные принципы работы, характеристики и области применения.

Сервопривод — это система, состоящая из электродвигателя, датчиков обратной связи и контроллера. Сервопривод может обеспечивать высокую точность, скорость и момент при перемещении вала в заданное положение.

Сервопривод постоянно сравнивает текущее положение вала с желаемым и корректирует его в реальном времени. Они требуют сложного управления и настройки, но они более эффективны и тихи при работе.

Сервоприводы применяются в промышленности, робототехнике, авиации и других областях, где требуется высокая динамика и точность перемещения.

Шаговый двигатель — это электродвигатель, который делит один оборот на определенное количество шагов. Он поворачивает вал на один шаг при получении каждого электрического импульса от контроллера.

Шаговый двигатель не имеет датчиков обратной связи, поэтому он не может контролировать свое положение и скорость. Он может пропускать шаги или останавливаться при слишком большой нагрузке или скорости.

Такой двигатель проще в управлении и настройке, но он менее точный, быстрый и мощный, чем сервопривод. Он также издает сильный гул при работе.

Шаговые двигатели применяются в бытовой технике, офисной технике, 3D-принтерах и других областях, где требуется низкая стоимость и простота привода.

Шаговый двигатель

Шаговый двигатель относится к классу синхронных электрических машин. Его статор содержит несколько полюсных выступов, каждый из которых имеет индивидуальную обмотку возбуждения.

Ротор шагового двигателя оснащен ярко выраженными магнитными полюсами, как правило, это постоянные магниты, закрепленные на подвижном валу или цилиндре так, чтобы иметь возможность очень точно взаимодействовать с возбуждаемыми токами обмоток полюсами статора.

Полюса статора могут перемагничиваться с определенной частотой, их возбуждение осуществляется путем подачи импульсов в соответствующие обмотки.

Таким образом, для получения от шагового двигателя определенной угловой скорости вращения ротора, на обмотки статора последовательно подаются импульсы определенной частоты и длительности, а положение рабочего органа отслеживается лишь косвенно, по количеству сделанных «шагов», ведь магниты, как ожидается, должны следовать за полюсами.

Можно сказать, что шаговый двигатель — лучший вариант бесколлекторного мотора для тех применений, где необходимо точно задавать угловую скорость вращения ротора, но точность непосредственно положения не чрезвычайно критична. Ибо если по какой-то внешней причине в процессе поворота ротора случится физическая его задержка, то импульсы хотя и будут поданы в нужном количестве и с правильными параметрами, с расчетом на определенный результат, на деле их «эффективное количество» окажется меньшим, и управляемый рабочий орган не окажется, быть может, в правильной позиции. Тем не менее, для пылесоса или квадрокоптера шаговый двигатель вполне подойдет.

Сервопривод

Сервопривод — тоже синхронная электрическая машина, но принципиально более точная, чем шаговый двигатель. Сервопривод потому и называется приводом, а не просто двигателем (серво — значит следящий), что он обязательно включает в себя не только двигатель (например тот же шаговый), но и схему управления и слежения за процессом.

Обязательная составляющая сервопривода — датчик положения рабочего органа, в некоторых случаях — ротора. Например, в станках с ЧПУ для управления положением рабочего инструмента необходим именно сервопривод.

В сервоприводе имеется система обратной связи по положению, углу поворота вала и т. д.

Принцип работы севропривода заключается в следующем. Контроллер получает заданный сигнал от внешнего источника, например, компьютера или датчика. Заданный сигнал определяет, какое положение, скорость или угол поворота должен иметь электродвигатель. Контроллер также получает обратный сигнал от обратной связи, который показывает, какое положение, скорость или угол поворота имеет электродвигатель в данный момент.

Контроллер сравнивает заданный и обратный сигналы и вычисляет ошибку — разницу между ними. Если ошибка не равна нулю, то контроллер выдает корректирующий сигнал на электродвигатель, который изменяет его положение, скорость или угол поворота таким образом, чтобы уменьшить ошибку.

Таким образом, контроллер поддерживает постоянное соответствие между заданным и фактическим положением электродвигателя.

Если шаговый двигатель просто считает «шаги» (сколько должен бы прошагать ротор в секунду от поданного количества импульсов, чтобы оказаться в месте назначения), то сервопривод ориентируется на непосредственный результат, на реальное (а не теоретическое!) положение рабочего органа.

В зависимости от текущего состояния, схема логики делает корректировку, независимо от того, случилось ли проскальзывание ротора, был ли люфт, или, скажем, зацепилась ли движущаяся часть станка за какой-то предмет.

Севропривод имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами приводов:

• Во-первых, он обладает высокой точностью и скоростью реакции, так как контроллер постоянно корректирует положение электродвигателя в соответствии с заданным сигналом.
• Во-вторых, он имеет широкий диапазон регулирования скорости и момента, так как контроллер может изменять частоту и амплитуду напряжения на электродвигателе.
• В-третьих, он имеет низкий уровень шума и вибрации, так как электрический сигнал передается без механических передач.

Принципиальные практические различия

• Сервопривод способен очень интенсивно ускоряться за счет возможности варьирования тока обмоток возбуждения. Шаговый двигатель набирает скорость значительно медленнее.
• Момент сервопривода регулируется, и может быть повышен с ростом скорости. Момент шагового двигателя на повышенной скорости падает.
• У сервопривода ток обмоток возбуждения пропорционален нагрузке, а у шагового двигателя изначально есть существенные ограничения по моменту.
• Шаговый двигатель не предполагает корректировку по положению, а сервопривод в этом плане более гибок.
• Сервопривод может очень точно позиционироваться (например по энкодеру), а шаговый двигатель позиционируется лишь косвенно.
• Сервопривод требует более внимательного подхода к проектированию и настройке схемы управления, особенно в плане безопасности, так как если у шагового двигателя заклинит вал, он просто начнет пропускать шаги, а сервопривод может начать усердствовать, повышать ток, и в результате сгореть или повредить рабочий механизм.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Сервопривод или шаговый двигатель: какова разница и что выбрать?

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. 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°.

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.

Устройство сервопривода

Сервопривод состоит из синхронного двигателя, датчика скорости и положения, а также управляющего контроллера. Основная разница между шаговым двигателем и сервоприводом состоит в наличии обратной связи по положению, скорости, моменту на валу ротора. Электропривод такого типа построен на базе следящей схемы автоматического регулирования. При несоответствии скорости или другой величины контроллер будет подавать сигналы на отработку, пока требуемый параметр или положение вала не будет соответствовать заданному. В качестве датчика обратной связи используют абсолютные и относительные энкодеры различных типов и конструкций.

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.

Чем отличается сервопривод от шагового двигателя?

Критерий сравнения	Шаговые двигатели	Сервоприводы
Эксплуатационный ресурс	Шаговые электромоторы не имеют коллекторного узла, подверженного износу. Также они не имеют частей, нуждающихся в регулярном техобслуживании и замене	Коллекторные серводвигатели необходимо регулярно обслуживать. Максимальный срок службы коллекторного узла — 5000 часов непрерывной работы. При этом бесщеточные сервомоторы не уступают в надежности шаговым двигателям
Точность перемещений исполнительного органа	Современные шаговые электродвигатели обеспечивают перемещение рабочей части с точностью до 0,01 мм. Отличие шагового двигателя от сервопривода заключается в пропуске шагов при высокой (выше расчетной) нагрузке, что значительно снижает качество обработки	Сервопривод для поворотного стола фрезерного станка или портала другого оборудования обеспечивает точность до 0,002 мкм. Позиционирование по следящей схеме обеспечивает высокое качество обработки независимо от нагрузки
Время разгона и скорость перемещения портала	Максимальная скорость перемещения рабочих органов при использовании шагового электропривода — 25 м. Время разгона — 120 об/мин за секунду	Сервопривод может перемещать портал со скоростью более 60 м/мин. Время разгона составляет до 1000 об/мин за 0,2 секунды
Реакция на принудительную остановку	Шаговые двигатели хорошо переносят механические перегрузки и не выходят из строя при аварийных остановках	Сервоприводы необходимо оснащать дополнительной защитой, отключающей электромотор при принудительной остановке портала. В противном случае обмотки электрической машины могут сгореть
Стоимость	За счет простоты конструкции шаговый двигатель имеет относительно невысокую цену	За счет датчиков обратной связи (энкодеров) и более сложной схемы регулирования сервопривод считается дорогостоящим оборудованием

Критерии выбора

• Производительность. По этому параметру сервоприводы значительно превосходят шаговые электромоторы. На станок с ЧПУ для обработки крупных деталей или заготовок из твердых материалов лучше уставить сервомотор, например, ESTUN 1000 Вт. Такой электропривод обеспечит более высокую скорость обработки твердых материалов. Для малогабаритного промышленного оборудования (например, настольного фрезерного станка) среднего класса точности, предназначенного для обработки мягких материалов, лучше выбрать шаговый двигатель.
• Эксплуатационные расходы. Программирование и настройка сервопривода на станке с ЧПУ требуют высокой квалификации исполнителя. Такой привод намного дороже в обслуживании, соответственно расходы на его эксплуатацию будут выше.
• Точность. Сервоприводы для станков с ЧПУ необходимы для высокоточной автоматизированной обработки. Такой привод позволяет позиционировать положение рабочего органа с точностью до 0,02 мкм, в то время как максимальная точность шаговой электрической машины — 0, 01 мм.
• Цена. Стоимость шагового двигателя значительно ниже цены сервопривода. При невысоком бюджете лучше предпочесть первый вариант.
• Уровень шума. По этому показателю сервомоторы предпочтительней. Работа шаговых электродвигателей сопровождается звуком, соответствующим частоте шагов на различных оборотах.

Таким образом, выбор сервопривода или шагового двигателя в качестве привода на фрезерно-гравировальный станок и оборудование для плазменной резки следует совершать, руководствуясь исключительно экономической и технической целесообразностью.

Читайте также

Обновлено: 18.02.2024

Для построения и развития успешного бизнеса, связанного с работой на фрезерном станке с ЧПУ, важно наличие значительных преимуществ перед конкурентами: например, высочайшего качества продукции и доступных цен. В данной статье расскажем, какие именно станки с ЧПУ подходят для малого бизнеса, какова стоимость того или иного оборудования, и насколько рентабелен такой вид деятельности.

Обновлено: 18.02.2024

Станки с ЧПУ значительно повлияли на сферу металлообработки и на работу с другими материалами. Программируемые установки обеспечиваюют повышенную точность фрезеровки, что приводит к значительному увеличению производительности труда. Процесс обработки заготовок проходит беспрерывно и в строгом соответствии заданной программе, а результат работы отличается высокой точностью. В статье мы рассмотрим важнейшие технические характеристики фрезерных станков с ЧПУ и основные сферы их применения.

Обновлено: 18.02.2024

Рабочий режущий инструмент станков с ЧПУ — это фреза. Конструктивно она является вращающейся деталью с заточенными зубьями. Фрезы для станков с ЧПУ по дереву производят из разных сплавов и делят на категории. Их выбор зависит от характеристик обрабатываемой поверхности, типа работы и степени твердости древесины. Правильно выбрать подходящий инструмент для программных станков поможет наша статья, которая познакомит вас с типами фрез и их назначением.

Обновлено: 06.03.2024

Шаговое устройство — бесщеточный двигатель с несколькими обмотками, функционирующий по синхронному принципу. Принцип работы шагового двигателя заключается в поочередной активации обмоток, которые обеспечивают вращение / остановку ротора.

Обновлено: 06.03.2024

Современные сверлильные станки с ЧПУ используются на производствах, на которых в больших объемах осуществляется обработка деталей всевозможного назначения, например, на мебельных фабриках. Сегодня производители предлагают покупателям модели сверлильных станков с ЧПУ во всем функциональном многообразии.

Шаговые или серводвигатели. Что лучше для станка с ЧПУ?

Выбор того или иного электропривода может повлиять на точность и качество обработки вашего станка. В этой статье мы поговорим о том, как правильно выбрать и купить шаговой двигатель или сервопривод для станка с ЧПУ, а также об основных отличиях между ними.

Шаговые двигатели

Шаговый двигатель — это синхронная бесщёточная электрическая машина , состоящая из статора и вращающейся части с несколькими обмотками, которая при получении управляющих сигналов преобразует их в перемещение вала на тот или иной угол и фиксацию его в нужном положении в соответствии с заданной программой (количество шагов может составлять от 100 до 400, а угол шага — от 0,9 до 3,6 градусов в зависимости от того, на какую часть подаётся ток). Для вращения ротора в противоположном направлении сигналы подаются в обратной последовательности. Ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. Шаговые двигатели могут не подходить для высокой скорости обработки, но являются довольно простым и дешёвым вариантом.

Сервоприводы

Сервопривод состоит из синхронного двигателя, датчика скорости и положения и блока управления приводом. Основным отличием сервопривода от шагового двигателя является наличие обратной связи от датчиков углового положения.

Блок управления в соответствии с заданной программой подает напряжение на сервопривод, соединенный с порталом станка, после чего он перемещает рабочий орган. При этом датчик положения вырабатывает импульсы, количество которых пропорционально перемещению портала. При достижении рабочим органом нужного положения подача напряжения прекращается и портал фиксируется Сервоприводы являются более точным вариантом, а также отличаются большей скоростью перемещения и разгона, но и довольно высокой ценой.

Основные отличия

Ниже мы перечислим основные отличия между шаговыми двигателями и сервоприводами, с -целью облегчить вам выбор между этими видами электроприводов:

— Точность перемещений – точность шаговых электродвигателей (до 0,01 мм) может заметно снижаться при больших уровнях нагрузки, когда как точность сервоприводов (до 0,002 мкм) остаётся на высоком уровне вне зависимости от нагрузки благодаря наличию обратной связи от датчиков углового положения;

— Скорость перемещения – сервоприводы намного лучше подходят для работы на больших скоростях и тратят меньше времени на разгон, но для работы на небольших скоростях шаговые двигатели могут справляться со своей задачей довольно достойно;

— Надежность – шаговые двигатели и бесколлекторные серводвигатели являются довольно износостойкими и надежными, а коллекторные серводвигатели нуждаются в регулярном техобслуживании и замене коллекторных узлов для правильного функционирования;

— Сложность эксплуатации – настройка и обслуживание сервопривода требует больших усилий и затрат, нежели чем работа с шаговым двигателем;

— Стоимость – тут шаговые двигатели являются более бюджетным вариантом, по сравнению с дорогостоящими сервоприводами.

Ещё стоит упомянуть то, что шаговые двигатели хорошо переносят аварийные остановки, когда как сервоприводы нужно снабжать дополнительной защитой, дабы избежать поломки. В качестве отдельного минуса шаговых двигателей можно выделить шум, издаваемый ими при работе.

Подведём итоги

В конце концов выбор подходящего двигателя для вашего оборудования будет зависеть от его характеристик, а также ваших нужд и бюджета. По общей производительности сервоприводы значительно превосходят шаговые электромоторы, поэтому они хорошо подходят для высокоточного крупного оборудования, работающего с твёрдыми материалами, когда как для станков с ЧПУ средней точности будет достаточно и шагового двигателя.

Подробнее о выборе шагового двигателя вы можете узнать из следующего видео:

Сервопривод или шаговый двигатель?

В случаях, когда необходима высокая точность работы исполнительных механизмов, используют асинхронный электродвигатель с энкодером обратной связи. Однако в промышленных станках с особыми требованиями к точности позиционирования подобное оборудование не справится с задачами в силу ряда конструктивных недостатков — низкого момента на малых скоростях, проскальзывания ротора, инерции при разгоне и торможении. В таких случаях используются сервоприводы и шаговые двигатели. Рассмотрим преимущества и недостатки обоих типов приводов.

Сервоприводы

В состав сервопривода входят серводвигатель и электронный блок управления (сервоусилитель или сервопреобразователь). В качестве серводвигателей наиболее широко применяют синхронные трехфазные электродвигатели, в которых установлены мощные постоянные магниты для улучшения динамических характеристик. Обязательным компонентом сервопривода также является энкодер. Как правило, он превосходит по своим параметрам обычные энкодеры, поставляемые отдельно. Его разрешение может достигать сотен тысяч импульсов на оборот, за счет чего достигается сверхточное позиционирование. Для примера, разрешение встроенных энкодеров сервоприводов Delta ASD-A2 составляет 1 280 000 имп/об.

Сервоусилитель получает два сигнала управления — сигнал задания скорости (или угла поворота) и сигнал обратной связи с энкодера. В результате сервопривод обеспечивает движение какой-либо механической нагрузки с большой точностью не только по скорости вращения, но и по углу поворота, который может быть выдержан до долей градуса.

Шаговые двигатели

Шаговый двигатель — это особый вид многофазного синхронного двигателя, дискретное вращение которого производится путем подачи импульсов напряжения на нужные обмотки статора. При этом ротор не имеет обмоток и состоит из магнитного материала.

Основной параметр шагового двигателя — его шаг, или количество шагов на оборот. Для одного полного оборота ротора необходимо строго определенное количество импульсов. Чем меньше шаг, тем большую точность позиционирования может обеспечить данный шаговый двигатель.

Управляющие импульсы формируются специальным драйвером, который получает задание с контроллера. При этом обратной связи не требуется, поскольку путем подсчета импульсов всегда можно узнать, на какой угол повернулся вал шагового двигателя, и сколько оборотов он сделал.

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.

Преимущества шаговых двигателей

• Меньшая цена при одинаковой мощности в силу более простой конструкции двигателя и драйвера.
• Возможность работы на экстремально низких оборотах без ухудшения характеристик и применения редукторов.
• Более точное позиционирование, обусловленное конструкцией двигателя.
• Отсутствие необходимости в обратной связи.
• Для фиксации вала двигателя при останове достаточно снять с него напряжение. При останове серводвигателя необходимо расходовать мощность на удержание либо использовать электромеханический тормоз.

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.