Сервопривод или шаговый двигатель?
Сервопривод — это механизм с двигателем, в основе работы которого лежит отрицательная обратная связь, что дает возможность точно управлять движениями, задав нужные параметры. По сути, это любой тип механического привода, в котором есть датчик (положения, скорости, усилия и т.д.) и блок управления, сохраняющий заданные показатели на датчике и всем устройстве в автоматическом режиме.
Главная область применения сервоприводов – это робототехника. Также они устанавливаются в станках с ЧПУ, полиграфическом оборудовании, промышленных швейных линиях и на других производствах.
В данной статье мы подробно расскажем Вам о принципах работы и видах сервоприводов.
Устройство современных сервоприводов достаточно просто и при этом эффективно, так как создает условия для точного регулирования их работы. Конструкция включает:
Принцип работы сервоприводов сводится к использованию импульсного сигнала, который изменяется по трем параметрам – частоте повторения, минимальной и максимальной продолжительности. Именно длительность импульса задает угол поворота мотора.
Сигналы, поступающие на сервопривод, имеют стандартную частоту, а их продолжительность может равняться от 0,8 до 2,2 мс (в зависимости от модели). Параллельно с получением управляющего импульса начинается работа генератора опорного импульса, который связан с датчиком обратной связи. Тот, в свою очередь, механически соединен с выходным валом и отвечает за изменение его положения.
Электронный блок анализирует импульсы по длительности и на основе полученных величин определяет разницу между заданным извне положением вала и реальным (измеренным датчиком). С учетом этого происходит корректировка работы путем подачи напряжения на питание двигателя.
Сервоприводы вращательного движения. Чаще всего используются в полиграфических, упаковочных станках, авиамоделировании. Делятся на:
Сервоприводы линейного движения. Данные устройства могут развивать значительную скорость (до 70 м/с²), что делает их востребованными в автоматах монтажа электронных деталей на печатную плату. Делятся на плоские и круглые модели.
Также сервоприводы классифицируются по принципу действия на электромеханические, где движение обеспечивают мотор и редуктор, и электрогидромеханические, где действует система ил поршня и цилиндра. Вторая группа устройств дает более высокие показатели быстродействия.
Сервопривод – это мотор с дополнительным датчиком контроля, обеспечивающим обратную связь. При работе двигатель удерживается в заданном положении, а все отклонения вала фиксируются и исправляются уже на следующем шаге. Шаговый двигатель – это электромотор, функционирующий на основе тандема плата-драйвер и обеспечивающий точность хода только на малых оборотах. Каждый вид оборудования используется в своих целях, и между собой эти виды двигателей не конкурируют.
Факторы выбора между сервоприводом и шаговым двигателем, их преимущества и недостатки наглядно представлены в таблице.
Параметр |
Шаговые двигатели |
Сервоприводы |
Момент |
Сильно падает с повышением скорости. Максимален при остановленном вале |
Высокий на всех скоростях. Максимален на высоких оборотах |
Ускорение |
Инертны, номинальная скорость не превышает 1000 об/мин. При слишком быстром разгоне пропускают шаги, вал может остановиться |
Высокое, способны на короткое время увеличить ток обмоток в 3-4 раза от номинального значения. Скорость номинального вращения – до 10000 об/мин и выше |
Мощность |
Низкая, не превышает 1 кВт |
Высокая, может достигать 15 кВт |
Удельная мощность |
Низкая. Очень малый КПД – потребляет много тока, основная часть энергии расходуется в виде тепла |
Высокая. Потребляемый ток пропорционален нагрузке |
Обратная связь по положению |
Отсутствует. Не выполненный шаг будет не замечен в системе ЧПУ. Однако, при грамотном проектировании станка обратная связь не нужна |
Есть. Положение вала корректируется во время работы, при сбое обратной связи (например, заклинило вал) система укажет на ошибку |
Плавность хода |
Низкая. Возможна только при применении дополнительных методов управления |
Большая |
Точность позиционирования |
Не более 5% от величины шага |
Определяется энкодером |
Безопасность |
Высокая. Если вал заклинило, двигатель просто пропустит шаги |
Низкая. При заклинивании вала устройство может провернуть передачу, что приведет к поломке. Может сгореть в случае некорректной настройки поведения драйвера при перегрузке |
Сложность настройки |
Просты в настройке, работают по принципу включения и выключения |
Множество настраиваемых параметров, что требует предельной внимательности и опыта в использовании |
Резонанс ротора
|
Сильный, что приводит к пропуску шагов, ухудшению качества обработки и др., особенно в крупных станках |
Отсутствует, что делает их моторами выбора в крупном оборудовании (рабочее поле более 1,2 м2, масса свыше 50 кг)
|
Звук |
Сильный гул |
Незначительный |
Нагрев |
Сильный, что может потребовать дополнительного охлаждения радиатором и вентилятором |
Слабый |
Стоимость |
Значительно дешевле сервоприводов, но только до размера фланца 110 мм |
Дороже шаговых моторов, но при размере фланца 110 мм и выше цены схожи |
Сервопривод и шаговый двигатель выбираются под каждую задачу, причем в одном станке или устройстве могут быть использованы одновременно оба вида.
Сервоприводы востребованы в тех механизмах, где необходимо точное позиционирование узлов для их синхронизации с другими деталями. В частности, сервоприводы широко применяются в обрабатывающих станках. Шаговые двигатели прочно заняли свою нишу в станках с ЧПУ (3D-принтеры, гравировальные машины, оборудование для металлообработки и лазерной резки) и в робототехнике.