1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что лучше сервоприводы или шаговые двигатели

шаговый двигатель, серводвигатель: преимущества и недостатки

Шаговые двигатели и серводвигатели используются для схожих применений, но один из них используется там, где нужна более точное позиционирование и скорость перемещения.

Существенная разница заключается в том, что шаговые двигатели работают без обратной связи. Т.е. Вы посылаете импульс STEP на драйвер и двигатель поворачивается на угол одного шага.

Чтобы понять как работает шаговый двигатель, можно взять кварцевые часы, в которых секундная стрелка на каждый сигнал STEP совершает 1 шаг (перемещается на 1 секунду) и совершает 1 оборот за 60 импульсов STEP или 60 секунд. Точность совершения этих секундных перемещений зависит только от электроники, которая формирует управляющие сигналы.

10 наиболее значимых преимуществ шагового двигателя:

1) Стабильность. Работает при различных нагрузках.
2) Не требует обратной связи. Двигатель имеет фиксированный угол поворота.
3) Относительно невысокая стоимость для организации систем контролированных перемещений
4) Стандартизированные размеры двигателя и угол поворота.
5) Простота в установке и использовании.
6) Надежность. Если что-либо поломается, двигатель остановится.
7) Долгий срок эксплуатации.
8) Превосходный крутящий момент на низких оборотах.
9) Превосходная повторяемость при позиционировании.
10) Шаговый двигатель не может сгореть при нагрузке, превышающей максимальный вращающий момент двигателя. (При такой нагрузке двигатель будет просто пропускать шаги).

10 наиболее важных преимуществ серводвигателей:

1) Высокая мощность по сравнению с размерами и весом двигателя.
2) С помощью энкодера определяется разрешение.
3) Высокая эффективность. Может достичь 90% при небольших нагрузках.
4) Высокий крутящий момент по отношению к инерции. Работает с быстрым ускорением.
5) Резервирует энергию для поддержания питания на короткий период.
6) Резервирует вращающий момент для поддержания вращения на короткий период.
7) Двигатель остается прохладным. Ток потребления пропорционален нагрузке.
8) Высокий крутящий момент на высокой скорости.
9) Тихая работа на высоких скоростях.
10) Отсутствие явлений резонанса и вибрации.

10 наиболее значимых недостатков шаговых двигателей:

1) Низкая эффективность. Мотор потребляет много энергии независимо от нагрузки.
2) Крутящий момент резко снижается при увеличении частоты вращения (крутящий момент обратно пропорционален скорости.)
3) Низкая точность. 1:200 при полном шаге.1:2000 при микрошаге.
4) Склонен к резонансу. Для устранения резонансных процессов требуется микрошаг.
5) Отсутствует обратная связь для контроля шагов.
6) Не может резко стартовать на высокой скорости (Требуется плавный разгон).
7) Высокий нагрев двигателя в процессе работы.
8) Шаговый мотор не может моментально продолжить работу после перегрузки на валу.
9) Шумный на средних и высоких скоростях.
10) Низкая мощность по сравнению с размером и весом.

10 наиболее значимых недостатков серво двигателей (кроме их относительно дорогой стоимости):

1) Для стабильной работы двигателя требуется настройка драйвера (ПИД-регулятор).
2) Мотор может сгореть. Для предотвращения этого требуются специальные защитные цепи в драйвере.
3) Необходимо наличие энкодера.
4) Низкий срок эксплуатации щеток двигателя (требуется регулярное обслуживание и замена).
5) Пиковые нагрузки сокращают рабочий цикл.
6) При длительной работе с перегрузками двигатель может сгореть.
7) Сложность выбора двигателей, энкодеров и серводрайверов.
8) Многократное увеличение потребляемой энергии при пиковых нагрузках.
9) Двигатель развивает пиковую мощность на высокой скорости.
10) Плохое охлаждение двигателя. Требуется внешний вентилятор.

Сервопривод

Принцип работы

Вентильные электродвигатели

Вентильные двигатели – это синхронные бесколлекторные (бесщёточные) машины. На роторе находятся постоянные магниты из редкоземельных металлов, на статоре — якорная обмотка. Коммутация обмоток статора осуществляется полупроводниковыми силовыми ключами (транзисторами) так, чтобы вектор магнитного поля статора был всегда перпендикулярен вектору магнитного поля ротора — для этого используется датчик положения ротора (датчик Холла или энкодер). Фазный ток регулируется с помощью ШИМ-модуляции и может иметь трапецеидальную или синусоидальную форму.

Линейные серводвигатели

Плоский ротор линейного двигателя сделан из редкоземельных постоянных магнитов. По принципу действия он похож на вентильный двигатель.

Шаговые электродвигатели

В отличие от синхронных машин непрерывного вращения шаговые двигатели имеют на статоре явно выраженные полюса, на которых расположены катушки обмоток управления – их коммутация выполняется внешним приводом.

Читать еще:  Эмульсия в двигателе от запуска

Рассмотрим принцип работы реактивного шагового двигателя, у которого на полюсах статора расположены зубцы, а ротор выполнен из магнитомягкой стали и тоже имеет зубцы. Зубцы на статоре расположены так, что на одном шаге магнитное сопротивление меньше по продольной оси двигателя, а на другом – по поперечной. Если дискретно возбуждать в определённой последовательности обмотки статора постоянным током, то ротор при каждой коммутации будет поворачиваться на один шаг, равный шагу зубцов на роторе.

Сервопривод

Некоторые модели преобразователей частоты могут работать как со стандартными асинхронными двигателями, так и с серводвигателями. То есть основное отличие сервоприводов не в силовой части, а в алгоритме управления и скорости вычислений. Поскольку в программе используется информация о положении ротора, то у сервопривода есть интерфейс для подключения энкодера, установленного на валу двигателя.

Сервоконтроллер

В сервосистемах используется принцип подчинённого управления: контур тока подчинён контуру скорости, который в свою очередь подчинён контуру положения (см. теорию автоматического управления). Сначала настраивается самый внутренний контур – контур тока, потом – контур скорости и самым последним настраивается контур положения.

Контур тока всегда реализован в сервоприводе.

Контур скорости (как и датчик скорости) также всегда присутствует в сервосистеме, он может быть реализован как на базе встроенного в привод сервоконтроллера, так и внешнего.

Контур положения используется для точного позиционирования (например, осей подач в станках с ЧПУ). Если в кинематических связях между исполнительным органом (координатным столом) и валом двигателя нет люфтов, то координата косвенно пересчитывается по значению кругового датчика. Если люфты есть, то на исполнительный орган устанавливается дополнительный датчик положения (который подключается к сервоконтроллеру) для прямого измерения координаты. Те есть, в зависимости от конфигурации контуров скорости и положения подбирается соответствующий сервоконтроллер и сервопривод (не в любом сервоконтроллере можно реализовать контур положения!).

Как выбрать сервопривод

Основные функции сервосистем

  • Позиционирование (Positioning)
  • Интерполяция (Interpolation)
  • Синхронизация, электронный редуктор (Gear)
  • Точное поддержание скорости вращения (шпиндель станка)
  • Электронный кулачок (Cam)
  • Программируемый логический контроллер.

Компоненты сервосистемы

В общем случае сервосистема (Motion Control System) может состоять из следующих устройств:

  • Серводвигатель (Servo Motor) с круговым датчиком обратной связи по скорости (он же может выполнять функцию датчика положения ротора)
  • Серворедуктор (Servo Gear)
  • Датчик положения исполнительного механизма (например, линейный датчик координаты оси подач)
  • Сервопривод (Servo Drive)
  • Сервоконтроллер (Motion Controller)
  • Операторский интерфейс (HMI).

Варианты аппаратно-программной реализации сервосистемы

  • Сервосистема на базе ПЛК (PLC-based Motion Control)
    • Функциональный модуль управления перемещением добавляется в корзину расширения ПЛК
    • Автономный сервоконтроллер
  • Сервосистема на базе ПК (PC-based Motion Control)
    • Специальный софт Motion Control для планшетного ПК с пользовательским интерфейсом (HMI)
    • Programmable Automation controller (PAC) с функцией управления перемещением
  • Сервосистема на базе привода (Drive-based Motion Control)
    • Преобразователь частоты со встроенным сервоконтроллером
    • Опциональное программное обеспечение, которое загружается в привод и дополняет его функциями управления движением
    • Опциональные платы с функциями управления движением, которые встраиваются в привод.

Типы серводвигателей

  • Синхронные

Компактные бесщёточные серводвигатели с возбуждением от постоянных магнитов (вентильные), обеспечивающие высокую динамику и точность.

Асинхронные

Приводы главного движения и шпинделей инструментальных станков.

Прямой привод (Direct Drive)

Прямой привод не содержит промежуточных передаточных механизмов (шарико-винтовых пар, ремней, редукторов):

  • Линейные двигатели (Linear Motors) могут поставляться вместе с профильными рельсовыми направляющими
  • Моментные двигатели (Torque Motors) — синхронные многополюсные машины с возбуждением от постоянных магнитов, с жидкостным охлаждением, ротор с полым валом. Обеспечивают высокую точность и мощность на низких оборотах.

Преимущества серводвигателей

  • Высокое быстродействие, динамика и точность позиционирования
  • Высокомоментные
  • Малоинерционные
  • Большая перегрузочная способность по моменту
  • Широкий диапазон регулирования
  • Бесщёточные.

Преимущества линейных приводов

Отсутствие кинематических цепей для преобразования вращательного движения в линейное:

  • Меньше инерционность
  • Нет зазоров
  • Меньше температурные и упругие деформации
  • Меньше износ и снижение точности при эксплуатации
  • Меньше потери на трение – выше КПД.

Точность

Микронная точность требуется в металлообрабатывающих станках с ЧПУ, а в штабелёрах достаточно и сантиметра. От точности зависит выбор серводвигателя и сервопривода.

  • Точность позиционирования
  • Точность поддержания скорости
  • Точность поддержания момента.
Читать еще:  Двигатель 21126 или 21127 что лучше

Шаговый двигатель или сервопривод

В коротком обзоре постараемся дать оценку двум распространенным в настоящее время приводам — на базе шаговых двигателей и серводвигателей.

Шаговый двигатель является приводом, отрабатывающим дискретные угловые перемещения. На роторе расположены магниты или зубчатый блок. Блок, управляющий работой шагового двигателя, осуществляет переключение обмоток, распределяя ток в фазах. Основной угловой шаг — это угловое перемещение при одном полном переключении фаз. Как правило, в полном шаге работа не осуществляется, и блок управления (драйвер шагового двигателя) дробит шаг на более мелкие. Точность позиционирования ротора зависит от величины основного углового шага, драйвера и исполнения самого двигателя. Обратная связь хоть и не является обязательным элементом шагового привода, может использоваться (хотя делается это редко).

Сервопривод в обязательном порядке использует данные от обратной связи. Обычно резолвер или синусно-косинусный энкодер, встроенный в серводвигатель, передает блоку управления данные по положению или скорости двигателя. Анализируя информацию от системы обратной связи, блок управления продолжает коммутирование двигателя.

Даже при работе в микрошаге (при разрешающей способности несколько тысяч микрошагов в одном обороте двигателя), перемещение все же осуществляется дискретами. Незаметные человеческому глазу шаги двигателя могут быть недопустимы в некоторых системах. Установленная же в серводвигателе обратная связь запросто может иметь разрешающую способность более миллиона на оборот, обеспечивая плавное непрерывное движение.

Шаговые двигатели обычно используются на невысоких скоростях, т.к. при повышении скорости крутящий момент значительно снижается. Не справляясь с моментом на высокой скорости, шаговый двигатель может терять шаги, это негативно отражается на точности. Указанный недостаток делает невозможным применение шаговых двигателей в устройствах с большими значениями скоростей и ускорений при больших нагрузках. В общих чертах шаговый двигатель с успехом заменяет высокоскоростные приводы с установленным редуктором. И в оборудовании, где высокая скорость не требуется, применение шагового двигателя представляется хорошим решением.

Серводвигатели могут работать с большими ускорениями, номинальный момент указывается для скоростей несколько тысяч оборотов в минуту. Крутящий момент при этом не падает в десятки раз, как это происходит с шаговым двигателем. Но оборотная сторона выдающихся способностей серводвигателя — цена сервосистемы. Блок управления должен воспринимать сигналы, приходящие от сложной системы обратной связи, моментально обрабатывать несколько миллионов сигналов и управлять двигателем в соответствии с поступающей информацией. Стоимость и системы обратной связи, встроенной в серводвигатель, и самого блока управления чрезвычайно высока. Кроме цены сервосистемы нельзя забывать и о цене обучения персонала для ее работы. Множество условий и параметров могут влиять на работу серводвигателя. Если их не учесть, можно потерять все преимущества применения сервопривода — точность, плавность, динамику. А вот для работы шагового двигателя требуется минимальная техническая документация, понять и применить которую обычно может даже неспециалист.

Основные выводы:

  • Стоимость шагового двигателя говорит в его пользу, т.к. сервосистема обходится на порядок или два дороже;
  • Простота использования шагового привода не делает его использование уделом только профессионалов. Работать с сервоприводом с ожидаемой отдачей может лишь специалист.
  • Блоки управления шаговыми двигателями доступны повсеместно, можно применять исполнительную и управляющую части шагового привода от разных производителей без потери эксплуатационных свойств. В случае серводвигателя, хоть и сохраняется работоспособность при комбинировании частей привода от разных производителей, эксплуатационные характеристики значительно снижаются. Как правило, производители серводвигателей поставляют и управляющие устройства, спроектированные специально для работы с ними.

Таким образом, сервопривод хоть и является высокодинамичным устройством, поражающим возможности по точности, плавности, все же значительно уступает шаговым приводам по возможностям ввода в эксплуатацию. Связано это как с ценой сервосистемы, т.к. и с требованием к персоналу, который должен не только разбираться в общей электротехнике, но и быть знакомым со всеми нюансами работы сервосистем. Шаговые двигатели используются везде, где требуется позиционирование и конкурентоспособность по цене и есть возможность обойтись без использования сервоприводов. Но в высокодинамичных системах, с повышенными требованиями к точности и с большими крутящими моментами используются именно сервоприводы. Здесь, как правило, либо не идет речь о стоимости вообще, либо вопрос решается за счет больших партий выпускаемой продукции.

Читать еще:  Чем лучше всего чистить двигатель

Что лучше сервоприводы или шаговые двигатели

Шаговый двигатель — это электромеханичское устройство, которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические перемещения. Так, пожалуй, можно дать строгое определение. Наверное, каждый видел, как выглядит шаговый двигатель внешне: он практически ничем не отличается от двигателей других типов. Чаще всего это круглый корпус, вал, несколько выводов (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид шаговых двигателей семейства ДШИ-200.

Однако шаговые двигатели обладают некоторыми уникальными свойствами, что делает порой их исключительно удобными для применения или даже незаменимыми.

Чем же хорош шаговый двигатель?

  • угол поворота ротора определяется числом импульсов, которые поданы на двигатель
  • двигатель обеспечивает полный момент в режиме остановки (если обмотки запитаны)
  • прецизионное позиционирование и повторяемость. Хорошие шаговые двигатели имеют точность 3-5% от величины шага. Эта ошибка не накапливается от шага к шагу
  • возможность быстрого старта/остановки/реверсирования
  • высокая надежность, связанная с отсутствием щеток, срок службы шагового двигателя фактически определяется сроком службы подшипников
  • однозначная зависимость положения от входных импульсов обеспечивает позиционирование без обратной связи
  • возможность получения очень низких скоростей вращения для нагрузки, присоединенной непосредственно к валу двигателя без промежуточного редуктора
  • может быть перекрыт довольно большой диапазон скоростей, скорость пропорциональна частоте входных импульсов

Но не все так хорошо.

  • шаговым двигателем присуще явление резонанса
  • возможна потеря контроля положения ввиду работы без обратной связи
  • потребление энергии не уменьшается даже без нагрузки
  • затруднена работа на высоких скоростях
  • невысокая удельная мощность
  • относительно сложная схема управления

Шаговые двигатели относятся к классу бесколлекторных двигателей постоянного тока. Как и любые бесколлекторные двигатели, они имеют высокую надежность и большой срок службы, что позволяет использовать их в критичных, например, индустриальных применениях. По сравнению с обычными двигателями постоянного тока, шаговые двигатели требуют значительно более сложных схем управления, которые должны выполнять все коммутации обмоток при работе двигателя. Кроме того, сам шаговый двигатель — дорогостоящее устройство, поэтому там, где точное позиционирование не требуется, обычные коллекторные двигатели имеют заметное преимущество. Справедливости ради следует отметить, что в последнее время для управления коллекторными двигателями все чаще применяют контроллеры, которые по сложности практически не уступают контроллерам шаговых двигателей.

Одним из главных преимуществ шаговых двигателей является возможность осуществлять точное позиционирование и регулировку скорости без датчика обратной связи. Это очень важно, так как такие датчики могут стоить намного больше самого двигателя. Однако это подходит только для систем, которые работают при малом ускорении и с относительно постоянной нагрузкой. В то же время системы с обратной связью способны работать с большими ускорениями и даже при переменном характере нагрузки. Если нагрузка шагового двигателя превысит его момент, то информация о положении ротора теряется и система требует базирования с помощью, например, концевого выключателя или другого датчика. Системы с обратной связью не имеют подобного недостатка.

При проектировании конкретных систем приходится делать выбор между сервомотором и шаговым двигателем. Когда требуется прецизионное позиционирование и точное управление скоростью, а требуемый момент и скорость не выходят за допустимые пределы, то шаговый двигатель является наиболее экономичным решением. Как и для обычных двигателей, для повышения момента может быть использован понижающий редуктор. Однако для шаговых двигателей редуктор не всегда подходит. В отличие от коллекторных двигателей, у котрых момент растет с увеличением скорости, шаговый двигатель имеет больший момент на низких скоростях. К тому же, шаговые двигатели имеют гораздо меньшую максимальную скорость по сравнению с коллекторными двигателями, что ограничивает максимальное передаточное число и, соответственно, увеличение момента с помощью редуктора. Готовые шаговые двигатели с редукторами хотя и существуют, однако являются экзотикой. Еще одним фактом, ограничивающим применение редуктора, является присущий ему люфт.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector