Какой из них подходит для вашего приложения? Давайте рассмотрим ключевые критерии принятия решений, включая скорость, ускорение и целевые цены.

Шаговые двигатели

Шаговые двигатели состоят из ротора с постоянными магнитами и неподвижного статора, несущего обмотки. Когда ток проходит через обмотки статора, он создает распределение магнитного потока, которое взаимодействует с распределением магнитного поля ротора, создавая вращающую силу. Шаговые двигатели имеют очень большое количество полюсов, обычно 50 и более. Драйвер шагового двигателя последовательно подает питание на каждый полюс, так что ротор вращается с серией приращений или шагов. Из-за очень большого количества полюсов движение кажется непрерывным.

Теоретически для увеличения крутящего момента можно использовать коробку передач, но именно здесь низкая скорость шаговых двигателей становится проблемой. Добавление редуктора 10:1 к шаговому двигателю со скоростью 1200 об/мин может увеличить крутящий момент на порядок, но также снизит скорость до 120 об/мин. Если двигатель используется для привода шарико-винтового привода или аналогичного устройства, он, вероятно, не обеспечит достаточную скорость для удовлетворения потребностей применения.

Шаговые двигатели, как правило, недоступны с типоразмерами больше NEMA 34, при этом в большинстве случаев используются двигатели NEMA 17 или NEMA 23. В результате редко можно найти шаговые двигатели, способные развивать крутящий момент более 1000–2000 унций дюймов.

Шаговые двигатели также имеют ограничения по производительности. Вы можете думать о шаговом двигателе как о пружинно-массовой системе. Двигателю необходимо преодолеть трение, чтобы начать вращаться и перемещать нагрузку, и в этот момент ротор не полностью контролируется. В результате команда продвинуться на пять шагов может привести к тому, что двигатель повернет только четыре шага или шесть.

Однако если привод дает команду двигателю продвинуться на 200 шагов, он сделает это с точностью до нескольких шагов, что в этот момент представляет собой ошибку в несколько процентов. Хотя мы используем шаговые двигатели с разрешением обычно от 25 000 до 50 000 отсчетов за оборот, поскольку двигатель представляет собой систему пружинно-массовой системы под нагрузкой, наше типичное разрешение составляет от 2 000 до 6 000 отсчетов за оборот. Тем не менее, при таких разрешениях даже ход на 200 шагов соответствует доле градуса.

Добавление энкодера позволит системе точно отслеживать движение, но не сможет преодолеть базовую физику двигателя. Для приложений, требующих повышенной точности и разрешения позиционирования, лучшим решением являются серводвигатели.

Серводвигатели

Как и шаговые двигатели, серводвигатели имеют множество реализаций. Рассмотрим наиболее распространенную конструкцию, включающую в себя ротор с постоянными магнитами и неподвижный статор с обмотками. Здесь ток также создает распределение магнитного поля, которое действует на ротор, создавая крутящий момент. Однако серводвигатели имеют значительно меньшее количество полюсов, чем шаговые двигатели. В результате они должны работать в замкнутом контуре.

Однако работа с обратной связью позволяет контроллеру/приводу подавать команду на то, чтобы нагрузка оставалась в определенном положении, и двигатель будет постоянно корректировать ее, чтобы удерживать ее в этом положении. Таким образом, серводвигатели могут фактически обеспечивать удерживающий момент. Однако обратите внимание, что сценарий крутящего момента при нулевой скорости зависит от того, правильно ли подобран двигатель для управления нагрузкой и предотвращения колебаний относительно заданного положения.

В серводвигателях обычно используются редкоземельные магниты, тогда как в шаговых двигателях чаще используются менее дорогие обычные магниты. Редкоземельные магниты позволяют развивать более высокий крутящий момент в меньшем корпусе. Серводвигатели также получают преимущество в крутящем моменте за счет своего общего физического размера. Диаметр серводвигателей обычно варьируется от NEMA 17 до 220 мм. В результате совокупности этих факторов серводвигатели могут развивать крутящий момент до 250 футо-фунтов.

Сочетание скорости и крутящего момента позволяет серводвигателям обеспечивать лучшее ускорение, чем шаговые двигатели. Они также обеспечивают повышенную точность позиционирования в результате работы с обратной связью.

Заключительные мысли

Серводвигатели предлагают неоспоримое преимущество в производительности. Однако с точки зрения повторяемости шаговые двигатели могут быть вполне конкурентоспособными. Этот момент порождает распространенное заблуждение о шаговых двигателях — миф о потерянном движении. Как мы обсуждали ранее, пружинная природа шагового двигателя может привести к потере нескольких шагов. Однако, поскольку привод дает команду шаговому двигателю переместиться в угловое положение, потерянные шаги не переносятся от поворота к повороту. Вращение за вращением, шаговые двигатели имеют высокую повторяемость. Более подробное обсуждение этой темы ищите в будущем сообщении в блоге.

Обсуждение выше подводит нас к последнему ключевому различию между шаговыми осями и сервоосями, а именно стоимости. Шаговые двигатели обычно не требуют обратной связи, в них используются менее дорогие магниты и редко используются редукторы. Благодаря большому количеству полюсов и способности генерировать удерживающий момент они потребляют меньше энергии на нулевой скорости. В результате шаговый двигатель может быть на порядок дешевле, чем сопоставимый серводвигатель.

Подводя итог, можно сказать, что шаговые двигатели являются хорошим решением для приложений с низкой скоростью, низким ускорением и низкими требованиями к точности. Шаговые двигатели также имеют тенденцию быть компактными и недорогими. Это делает эти двигатели хорошо подходящими для применения в медицине, биотехнологиях, безопасности и обороне, а также в производстве полупроводников. Серводвигатели — лучший выбор для систем, требующих высокой скорости, высокого ускорения и высокой точности. Компромисс — более высокая стоимость и сложность. Серводвигатели обычно используются в упаковках, конвертерах, веб-обработке и подобных приложениях.

Если ваше приложение прощает ошибки, но у вас нет бюджета, рассмотрите шаговый двигатель. Если производительность является наиболее важным аспектом, серводвигатель справится с этой задачей, но будьте готовы заплатить больше.