ОТЛИЧИЕ СЕРВОПРИВОДА ОТ ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Рисунок 1 — Сервопривод

Отличительной особенностью сервопривода является возможность управления через отрицательную обратную связь с использованием заданных параметров. Все оборудование данного типа можно разделить на две группы – сервоприводы постоянного тока и трехфазные сервоприводы переменного тока.

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.

Основные положения устройства

Если продолжительность опорного и управляющего импульсов совпадает, наступает так называемый нулевой момент. В это время двигатель сервопривода не работает, вал привода находится в исходном (неподвижном) положении.

При увеличении длительности управляющего импульса плата фиксирует разбежку показателей, двигатель получает напряжение и приходит в движение. В свою очередь, редуктор начинает воздействовать на выходной вал, который поворачивается таким образом, чтобы достигнуть увеличения продолжительности опорного импульса. Как только он сравняется с управляющим импульсом, двигатель прекратит свою работу.

При уменьшении длительности управляющего импульса происходит все то же самое, только с точностью до наоборот, так как двигатель начинает вращаться в обратную сторону. Как только импульсы сравнялись, двигатель останавливается.

Что такое шаговый двигатель

Шаговый двигатель по-прежнему использует вращающееся магнитное поле для преобразования электрического тока во вращательное движение, но имеет гораздо более высокую плотность магнитных полюсов. Шаговые двигатели делят полный оборот на множество равных сегментов. Когда один магнитный полюс находится под напряжением, выходной вал перемещается на один сегмент или на один «шаг», что дает название «шаговый» двигатель. Если на полюса последовательно подается питание с высокой частотой, движение будет выглядеть как плавное вращение.

Этот тип управления обычно осуществляется с помощью специальных выходных карт, которые могут работать с требуемой высокой выходной частотой. С увеличением плотности сегментов увеличивается и точность положения выходного вала. Шаговые двигатели обычно не имеют энкодеров, потому что сегменты точно разделены. Шаговому двигателю можно дать команду повернуться на определенное количество градусов, просто подсчитав, сколько раз на выходы подается питание.

Что такое серводвигатель

Серводвигатель действительно очень похож на обычный двигатель непрерывного движения – есть серводвигатели переменного и постоянного тока, щеточные и бесщеточные двигатели, а также синхронные или асинхронные (асинхронные) двигатели. Что отличает серводвигатели от обычных двигателей, так это контур обратной связи и система привода. Каждый серводвигатель имеет энкодер и контроллер привода: энкодер сообщает о положении вала контроллеру привода, таким образом создавая замкнутую систему. Система привода усиливает и фильтрует поступающее напряжение перед подачей тока на двигатель. П ЛК сообщит приводной системе положение и скорость двигателя. Скорость двигателя контролируется довольно типичными ШИМ и синусоидальными сигналами, в зависимости от переменного или постоянного тока двигателя.

Как и в обычном двигателе переменного тока, регулировка частоты изменит скорость двигателя. Подобно типичному двигателю постоянного тока, изменение напряжения меняет скорость. С серводвигателем переменного тока привод будет принимать электрический сигнал от ПЛК или другого контроллера, и система привода будет выдавать ток с определенной частотой до тех пор, пока не будет достигнуто желаемое положение вала двигателя.

Сравнение шаговых двигателей и серводвигателей

Общая цель как серводвигателя, так и шагового двигателя состоит в том, чтобы обеспечить точное управление скоростью и позиционированием, однако конструкции этих двух двигателей отличаются друг от друга. Серводвигатель по конструкции ближе к обычному двигателю, но имеет замкнутую систему и усовершенствованную технологию управления. Шаговый двигатель отличается конструкцией и не требует системы с обратной связью для достижения позиционирования, хотя многие шаговые системы выигрывают от добавления энкодера. Некоторые приложения для этих двигателей пересекаются из-за их схожих целей, но когда требуются более высокие скорости и более высокие крутящие моменты, лучшим выбором является серводвигатель. Когда требуются более низкие скорости и более точное позиционирование, лучшим выбором будет шаговый двигатель.

Крутящий момент

При проектировании системы движения необходимо учитывать множество соображений, прежде чем выбрать шаговый двигатель или серводвигатель. Мне нравится начинать с крутящего момента. Если вашей системе требуется большой или даже значительный крутящий момент, лучшим решением будет серводвигатель. Уникальной особенностью шагового двигателя является удерживающий момент на нулевой скорости. Если в моем приложении требуется, чтобы инструмент был зафиксирован на месте или удерживал положение, лучше подойдет шаговый двигатель.

Точность

Что касается точности, типичный серводвигатель имеет точность около +- 0,02 градуса, тогда как шаговый двигатель имеет точность +- 0,005 градуса.

Отклик

Последним критерием, который мы бы рассмотрели, является отзывчивость приложения или отклик. Шаговые двигатели по своей конструкции быстро меняют положение – просто активируйте несколько выходов, и выходной вал должен будет повернуться на пару градусов. Серводвигатели допускают небольшую ошибку в положении, прежде чем они начнут двигаться, эта задержка может показаться короткой для человеческого глаза, но при перемещении режущего инструмента вдоль вращающегося вала эта задержка может привести к несовершенству обработки поверхности.

Теги: сервомотор, шаговый двигатель

Асинхронные двигатели

Наиболее распространенные электрические машины. В основном они используются как электродвигатели и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую. Асинхронный двигатель имеет статор
(неподвижная часть) и ротор (подвижная часть), разделенные воздушным зазором, ротор крепится на подшипниках. Активными частями являются обмотки; все остальные части — конструктивные, обеспечивающие необходимую прочность, жесткость, охлаждение, возможность вращения и т. п. По конструкции ротора асинхронные машины подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Оба типа имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь исполнением обмотки ротора. Магнитопровод ротора выполняется аналогично магнитопроводу статора — из электротехнической стали и шихтованным. Фазный ротор используют когда необходимо создать большой пусковой момент. К ротору подводят ток и в результате уже возникает магнитный поток необходимый для создания момента.

На обмотку статора подается напряжение, под действием которого по этим обмоткам протекает ток и создает вращающееся магнитное поле. Магнитное поле воздействует на стержни ротора и по закону магнитной индукции возникает электрический ток т. к. изменяется магнитный поток, проходящий через замкнутый контур ротора. Токи в стержнях ротора создают собственное магнитное поле стержней, которые вступают во взаимодействие с вращающимся магнитным полем статора. В результате на каждый стержень действует сила, которая складываясь по окружности создает вращающийся электромагнитный момент ротора из-за того, что индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре ротора, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток. Следовательно и возникает вращение. Частота вращения ротора не может достигнуть частоты вращения магнитного поля, так как в этом случае угловая скорость вращения магнитного поля относительно обмотки ротора станет равной нулю, магнитное поле перестанет индуцировать в обмотке ротора Э. Д. С. и, в свою очередь, создавать крутящий момент.

Рисунок 3 — Вид асинхронной машины с короткозамкнутым ротором в разрезе

На рисунке приведен вид асинхронной машины с короткозамкнутым ротором в разрезе:

1 — станина,

2 — сердечник статора,

3 — обмотка статора,

4 — сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой,

5 — вал.

Синхронный двигатель не имеет принципиальных конструктивных отличий от асинхронных. На статоре синхронного двигателя помещается трехфазная обмотка, при включении которой в сеть трехфазного переменного тока будет создано вращающееся магнитное поле, число оборотов в минуту которого n = 60f/p, где f — частота напряжения питания привода. На роторе двигателя помещена обмотка возбуждения, включаемая в сеть источника постоянного тока. Либо ротор выполнен из постоянного магнита. Ток возбуждения создает магнитный поток полюсов или в случае с постоянным магнитом, магнитный поток уже создан. Вращающееся магнитное поле, полученное токами обмотки статора, увлекает за собой полюса ротора. При этом ротор может вращаться только с синхронной скоростью, т. е. со скоростью, равной скорости вращения поля статора. Таким образом, скорость синхронного двигателя строго постоянна, если неизменна частота тока питающей сети.

Достоинством синхронных двигателей является меньшая, чем у асинхронных, чувствительность к изменению напряжения питающей сети. У синхронных двигателей вращающий момент пропорционален напряжению сети в первой степени, тогда как у асинхронных — квадрату напряжения. Вращающий момент синхронного двигателя создается в результате взаимодействия магнитного поля статора с магнитным полем полюсов. От напряжения питающей сети зависит только магнитный поток поля статора.

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.

Рисунок 6 — График зависимости момента от скорости вращения двигателя

Характеристики системы сервопривода рассмотрим основываясь на сервоприводах фирмы Delta elc. Серии блока управления ASDA-A и двигателем 400 Вт. Как видно поддержание момента линейное на всем диапазоне скоростей. Это достигается благодаря использованию синхронного двигателя в высококачественном исполнении. Величина шага перемещения определяется разрешающей способностью датчика обратной связи, энкодера, а так же блоком управления. Стандартные сервоприводы могут обеспечить шаг в 0,036° т. е. 1/10 000 от оборота, и это на скоростях до 5 000 об/мин.

Самые современные сервоприводы отрабатывают шаг в 1/2 500 000.

* — Динамическая точность — максимальное отклонение реальной траектории перемещения инструмента от запрограммированной

Принцип работы

Принцип действия устройств основан на использовании импульсного сигнала, который имеет три важные характеристики – частоту повторения, минимальную и максимальную продолжительность. Именно продолжительность импульса определяет угол поворота двигателя.

Импульсные сигналы, получаемые сервоприводом, имеют стандартную частоту, а вот их продолжительность в зависимости от модели может составлять от 0,8 до 2,2 мс. Параллельно с поступлением управляющего импульса активируется работа генератора опорного импульса, который связан с потенциометром. Тот, в свою очередь, механически сопряжен с выходным валом и отвечает за корректирование его положения.

Электронная схема анализирует импульсы с учетом длительности и на основе разностной величины определяет разницу между ожидаемым (заданным) положением вала и реальным (измеренным при помощи потенциометра). Затем производится корректировка путем подачи напряжения на питание двигателя.

Устройство сервоприводов постоянного тока

Как правило, сервоприводы постоянного тока используются в маломощных устройствах позиционирования. Классическая область их применения – робототехника.

Конструкция современных сервоприводов довольно проста, но при этом весьма эффективна, так как позволяет обеспечить максимально точное управление движением. Сервопривод состоит из:

Двигатель и редуктор образуют привод. Редуктор используется для снижения скорости вращения двигателя, которую необходимо адаптировать для практического применения. К выходному валу редуктора крепится необходимая нагрузка. Это может быть качалка, вращающийся вал, тянущие или толкающие механизмы.

Для того, чтобы угол поворота превратить в электрический сигнал, необходим датчик. Его функции в сервоприводе постоянного тока с успехом выполняет потенциометр. Он выдает аналоговый сигнал (как правило, от 0 до 10 В) с дискретностью, ограниченной АЦП (аналогово-цифровым преобразователем), на который поступает этот сигнал.

Самой важной деталью сервопривода, пожалуй, является электронная плата сервоусилителя, которая принимает и анализирует управляющие импульсы, соотносит их с данными потенциометра, отвечает за запуск и выключение двигателя.

Преимущества сервоприводов

Рисунок 5 — Устройство гибридных двигателей

S
=

360
/

(

Nph
×
Ph

)

=

360
/
N

S= 360 / ( Nph times Ph ) = 360 / N

где Nph — число эквивалентных полюсов на фазу, равное числу полюсов ротора,Ph — число фаз,N — полное количество полюсов для всех фаз вместе.

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.

Другие полезные материалы:
Выбор оптимального типоразмера электродвигателя
Как выбрать мотор-редуктор
Редуктор от «А» до «Я»

Шаговый двигатель или сервопривод

• Правильное управление током двигателя (с пом. управления ориентацией поля) в шаговых приводах с обратной связью могут устранить проблемы среднечастотного резонанса, увеличить момент и снизить шум от двигателя

• Качественные шаговые гибридные сервоприводы не уступают сервоприводам на базе вентильных электродвигателей на низких скоростях вращения.

Шаговые двигатели — прекрасно известный способ превратить электрическую энергию в точные -механические перемещения. Каждый импульс, посылаемый на драйвер двигателя, двигает ротор в точном соответствии с заданными на драйвере настройками. Например, 100 посланных импульсов на полношаговый привод с двигателем с шагом 1.8° будут преобразованы в поворот ровно на 180°. Одной из сильных сторон шаговых двигателей является то, что они способны работать без обратной связи, без коррекции положения с помощью энкодеров или иных датчиков, т.к. вал по самой архитектуре шагового двигателя совершает перемещения строго в соответствии с поданными импульсами. Однако, это прекрасно работает лишь в том случае, если шаговые двигатели никогда не перегружаются и не впадают в резонанс. В реальности же в очень редких случаях когда отсутствуют эти два фактора. Для того, чтобы быть уверенным, что шаговый мотор не будет пропускать шаги, большинство разработчиков поступают просто — закладывают большой запас при выборе мощности двигателя. Это означает, что на станок будет установлена значительно более тяжелая и дорогая модель, чем это действительно требуется.  Резонанс же часто проявляется на тех же самых, рабочих частотах вращения, которые являются основными в конкретном приложении, и поэтому избежать его становится еще сложней.

Как одно из средств избежать последствий кратковременных перегрузок шагового двигателя и пропуска шагов — это установить энкодер на двигатель мотора, точь-в-точь как ставится аналогичный датчик на вал вентильного серводвигателя. Энкодер представляет информацию о положении ротора контроллеру, который сравнивает её с заданной координатой, и использует полученное рассогласование для выполнения шагов таким образом, чтобы скомпенсировать разницу. К сожалению, данный способ не помогает устранить последствия резонанса. Однако, возможность такая все же есть, и заключается она в комбинации коррекции по положению(т.е. компенсации числа импульсов STEP) и одновременного управления ориентацией поля статора шагового двигателя, по принципу аналогичному векторному управлению трехфазными электродвигателями. Поскольку энкодер дает сведения о положении вала, существует возможность ориентировать магнитное поле статора шагового мотора таким образом, чтобы получить максимально эффективное потокозацепление. Причем такая схема не потребует преобразований Кларка, каковые обычно используются для проекции трехфазной системы токов в двухфазную, т.к. шаговые биполярные моторы изначально имеют только 2 обмотки. При таком способе управления ток меняется в обмотках синусоидально — вне зависимости от того, используется полный шаг или микрошаг. Еще одним преимуществом управления ориентацией поля является то, что такой шаговый привод будет нечувствителен к резким изменениям нагрузки — векторное управление позволяет отрегулировать момент привода «на лету» — функция, обычно доступная только при использовании сервоприводов типа PMSM.

Читатели, возможно, в курсе, что уже достаточно долгое время существуют шаговые сервоприводы, которые используют обратную связь по позиции. Такие приводы просто считают количество шагов и добавляют(или вычитают) шаги для компенсации ошибки, и не способны корректировать угол поворота вала внутри одного шага, «на лету».

В противоположность, синусоидальная коммутация в паре с управлением ориентацией поля действительно способна компенсировать ошибки позиционирования вала внутри одного шага, возникающие из-за неидеальной геометрии деталей шаговых двигателей или нагрузки. Векторное управление магнитным полем гарантирует, что поле статора всегда перпендикулярно полю ротора, и насыщенность поля точно соответствует требуемому моменту. Это увеличивает, эффективность и динамику, и снижает флуктуации крутящего момента. Такой вид управления позволяет шаговым двигателям конкурировать с вентильными сервоприводами на скоростях до 2000 об/мин. На более высоких серводвигатели все же будут эффективней. Оптимальным диапазоном является скорость вращения до 1000 об/мин — в нем шаговые двигатели развивают больший крутящий момент, чем вентильные серводвигатели того же размера.

Приложения, в которых шаговые сервоприводы c синусоидальными токами обмоток могут заменить серводвигатели, включают в себя:

а также многие другие — все те, в каких нагрузка может изменяться скачкообразно. Кроме того, при использовании таких приводов во многих случаях можно обойтись без редуктора, что делает их привлекательными в случаях, когда критичны габариты механизма. И наконец, следует отметить, что сервоприводы с векторным управлением потребляют ровно столько тока, сколько требуется — меньше нагрев, выше КПД привода.  Все этим преимущества становятся очевидными, если рассмотреть привод механизма с ременной передачей, которые обычно работают от асинхронного электродвигателя. Хорошим решением будет заменить асинхронный мотор на подходящий по мощности шаговый сервопривод — как правило, таковой будет примерно втрое меньше по габаритам и весу.

Двигатели с постоянными магнитами

Рисунок 4 — Ротор

Двигатели с постоянными магнитами состоят из статора, который имеет обмотки, и ротора, содержащего постоянные магниты. Чередующиеся полюса ротора имеют прямолинейную форму и расположены параллельно оси двигателя. Благодаря намагниченности ротора в таких двигателях обеспечивается больший магнитный поток и, как следствие, больший момент, чем у двигателей с переменным магнитным сопротивлением. Такой двигатель имеет величину шага 30°. При включении тока в одной из катушек, ротор стремится занять такое положение, когда разноименные полюса ротора и статора находятся друг напротив друга. Для осуществления непрерывного вращения нужно включать фазы попеременно. На практике двигатели с постоянными магнитами обычно имеют 48—24 шага на оборот (угол шага 7,5—15°). Двигатели с постоянными магнитами подвержены влиянию обратной Э. Д. С. со стороны ротора, котрая ограничивает максимальную скорость.

Процесс рекуперации

Рекуперация происходит при изменении направления (знака) момента нагрузки по отношению к вращающему моменту серводвигателя. Если энергия рекуперации невелика, она накапливается на конденсаторах звена постоянного тока, повышая напряжение на них.

Если разница абсолютных значений моментов нагрузки и серводвигателя составляет значительную величину, напряжение на конденсаторах шины постоянного тока может превысить пороговый уровень. В этом случае энергия рекуперации сбрасывается в тормозной резистор.

Другие полезные материалы:
Выбор оптимального типоразмера электродвигателя
Сервопривод или шаговый двигатель?
Принципы программирования ПЛК

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.

Шаговый или серводвигатель?

Статья, которая поможет разобраться в чем отличие серводвигателя от шагового двигателя.

Очень часто встает вопрос о том, что выбрать — привод на шаговых двигателях или серводвигателях?

Основными факторами, влияющими на выбор, являются:

В общем же случае построения фрезерного или иного станка с ЧПУ, сервоприводы предпочтительней шаговых, за счет своих многочисленных преимуществ. Если Вы не смогли определиться что выбрать: шаговый или серводвигатель, изучите таблицу отличий.

Физика процесса

Электрические машины широко применяют на электрических станциях, в промышленности, на транспорте, в авиации, в системах автоматического регулирования и управления, в быту. Электрические машины преобразуют механическую энергию в электрическую и наоборот, электрическую энергию в механическую. Машина, преобразующая механическую энергию в электрическую, называется генератором. Преобразование электрической энергии в механическую осуществляется двигателями. Принцип действия электрических машин основан на использовании законов электромагнитной индукции и электромагнитных сил. Если в магнитном поле полюсов постоянных магнитов или электромагнитов поместить проводник и под действием какой-либо силы F1 перемещать его, то в нем возникает Э. Д. С. равная:

E
=

B
×
I
×
v

E= B times I times v

где В — магнитная индукция в месте, где находится проводник, l — активная длина проводника (та его часть, которая находится в магнитном поле), v — скорость перемещения проводника в магнитном поле.

Если этот проводник замкнуть на какой-либо приемник энергии, то в замкнутой цепи под действием Э. Д. С. будет протекать ток, совпадающий по направлению с Э. Д. С. в проводнике. В результате взаимодействия тока I в проводнике с магнитным полем полюсов создается электромагнитная сила Fэ, направление которой определяется по правилу левой руки; эта сила будет направлена навстречу силе, перемещающей проводник в магнитном поле. При равенстве сил F1 = Fэ проводник будет перемещаться с постоянной скоростью. Следовательно, в такой простейшей электрической машине механическая энергия, затрачиваемая на перемещение проводника, преобразуется в энергию электрическую, отдаваемую сопротивлению внешнего приемника энергии, т. е. машина работает генератором. Та же простейшая электрическая машина может работать двигателем. Если от постороннего источника электрической энергии через проводник пропустить ток, то в результате взаимодействия тока в проводнике с магнитным полем полюсов создается электромагнитная сила Рэ, под действием которой проводник начнет перемещаться в магнитном поле, преодолевая силу торможения какого-либо механического приемника энергии.

Рисунок 2 — Физика процесса

Таким образом, рассмотренная машина так же, как и любая электрическая машина, обратима, т. е. может работать как генератором, так и двигателем. Для увеличения Э. Д. С. и электромеханических сил электрические машины снабжаются обмотками, состоящими из большого числа проводов, которые соединяются между собой так, чтобы Э. Д. С. в них имели одинаковое направление и складывались. Э.Д. С. в проводнике будет индуктирована также и в том случае, когда проводник неподвижен, а перемещается магнитное поле полюсов.

Преимущества шаговых двигателей

Шаговые двигатели — это электромеханические устройства, преобразующие сигнал управления в угловое (или линейное) перемещение ротора с фиксацией его в заданном положении без устройств обратной связи. По сути шаговый двигатель является синхронным, но отличается подходом управления. Рассмотрим самые распространенные.

Альтернативный способ выбора между шаговым и серводвигателем

Униполярный или шаговый двигатель

Выбор между коллекторными и бесщеточными BLDC-двигателями

Применение серводвигателей

Как правило, серводвигатель сочетается с редуктором, контроллером привода и линейным приводом, который может представлять собой ходовой винт или систему ремня и шкива, преобразующую вращательное движение в линейное движение. Эта система используется для точного и точного перемещения оснастки из одной точки в другую. В ПЛК передаточное число редуктора и передаточные числа привода вводятся в алгоритм масштабирования, поэтому, когда ПЛК дает команду сервоприводу переместиться на определенное расстояние с определенной скоростью, система привода сможет рассчитать конкретную частоту и остановить сервопривод. после того, как энкодер сообщит о правильном количестве оборотов. Этот тип системы обычно используется на станциях захвата и размещения, где компонент необходимо забрать из одного места и разместить в другом месте. Серводвигатели — отличный инструмент для подъемно-транспортных станций из-за их скорости и точности. Шарнирный робот имеет шесть серводвигателей и редукторов, которые контролируемо перемещают концевой эффектор. Благодаря высокому крутящему моменту серводвигателей роботы могут перемещать большие полезные грузы по всему рабочему диапазону. Серводвигатели также имеют возможность точно контролировать выходной крутящий момент. Эта особенность делает серводвигатели отличным выбором для прессования.

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.

Серводвигатели и шаговые двигатели

Когда инженеры слышат термин «двигатель», они обычно думают о двигателях переменного и постоянного тока. Эти двигатели используются в приложениях с постоянным движением, таких как маховик или ленточный конвейер. В промышленной автоматизации вы можете найти два других типа двигателей: серводвигатели и шаговые двигатели. Эти двигатели используются в приложениях, где требуется точное движение, скорость и крутящий момент. В данной статье мы сравним различия между серводвигателями и шаговыми двигателями и покажем типичные области применения обоих вариантов двигателей.

Режимы управления

Существуют три основных режима работы сервопривода переменного тока.

Режим управления положением. Главное в этом режиме – контроль за углом поворота вала ротора. Управление производится последовательностью импульсов, которые могут приходить, например, с контроллера. Этот режим используется для точного позиционирования различных узлов технологического оборудования.

Комбинация импульсов для управления положением может передавать информацию не только по положению, но также по скорости и направлению вращения двигателя. Для этого могут использоваться три типа сигналов: 1) квадратурные импульсы (со сдвигом фаз на 90 градусов), 2) импульсы вращения по или против часовой стрелки, действующие поочередно и 3) импульсы скорости и потенциал направления, подающиеся на два входа.

Как правило, во всех сервоусилителях входы управления именуются как PULSE, SIGN.

Режим управления скоростью. В данном случае управление производится аналоговым сигналом. Значения скорости также могут переключаться на фиксированные величины подачей сигналов на соответствующие дискретные входы. В случае использования разнополярного аналогового управляющего сигнала возможна смена направления вращения серводвигателя.

Режим управления скоростью схож с работой асинхронного двигателя, управляемого преобразователем частоты. Задаются такие параметры, как время разгона и замедления, максимальная и минимальная скорости и другие.

Режим управления моментом.

В этом режиме двигатель может вращаться либо стоять на месте, но при этом момент на валу будет заданным. Управление может производиться дискретным либо аналоговым двухполярным сигналом. Этот режим может использоваться для машин, где необходимо менять усилие прижима, давление и т. п.

Оценка текущего момента двигателя, необходимого для управления, производится за счет встроенного датчика тока.

Сервопривод переменного тока

В сервоприводах переменного тока используется синхронный двигатель с мощными постоянными магнитами. В таких двигателях частота вращения ротора совпадает с частотой вращения магнитного поля, наводимого в обмотке статора.

Принцип работы сервопривода на основе трехфазного синхронного электродвигателя состоит в следующем. На обмотки статора поступает трехфазное напряжение, которое создает внутри него вращающееся магнитное поле. Это поле взаимодействует с постоянными магнитами, расположенными в роторе. В результате ротор вращается с частотой магнитного поля.

На валу ротора закреплен энкодер с высокой разрешающей способностью. Сигнал от него поступает по отдельному кабелю на специальный вход сервоусилителя. В то же время на управляющий вход сервоусилителя подается сигнал управления. В результате сравнения этих двух сигналов выделяется сигнал рассогласования, величина которого прямо пропорциональна разнице между целевыми и актуальными показателями вращения двигателя. На основании данного сигнала формируется трехфазное напряжение с такими параметрами, которые обеспечивают максимально быстрое уменьшение рассогласования до нуля.

Вывод

Сервопривод и шаговый двигатель не являются конкурентами, а каждый занимает свою определенную нишу. Сравним их на основе рынка станков с ЧПУ. Применение шаговых двигателей полностью оправданно для применения в
недорогих станках с ЧПУ (в ценовой категории до 10—12 тыс. U SD), предназначенных для обработки дерева, пластиков, ДСП, МДФ, легких металлов и других материалов средней скорости. Применение высококачественных сервоприводов необходимо в высокопроизводительном оборудовании, где главным критерием является производительность. Единственный «недостаток» хорошего сервопривода – это его высокая стоимость. К примеру, станок ATS-760 на шаговых приводах стоит 11 000 $, а эта же модель, но на сервоприводах стоит 17 500 $. Однако возможности получения высокостабильного или точного управления, широкий диапазон регулирования скорости, высокая помехоустойчивость, малые габариты и вес часто являются решающими факторами их применения. Добившись одинаковых качеств от сервопривода и шагового их стоимости станут соизмеримыми при однозначном лидерстве сервопривода.