Оба они имеют свои достоинства и недостатки. Так какой же из них лучше подходит для вашего приложения?
Инженерная истина гласит, что идеального решения не существует – есть лишь лучшее решение конкретной проблемы. Это особенно справедливо для серводвигателей и шаговых двигателей. Оба широко используются в промышленности. Ни один из них не является универсальным решением. Однако при правильном применении и шаговые, и серводвигатели могут обеспечить эффективную и надежную основу для весьма успешной системы. Дерево решений для выбора между ними имеет множество ветвей, но наиболее важными являются скорость, ускорение и целевая цена.
Шаговые двигатели
Шаговые двигатели (Рисунок 1) состоят из ротора с постоянными магнитами и неподвижного статора, на котором расположены обмотки. Ток, проходящий через обмотки статора, порождает магнитное поле, которое, взаимодействуя с магнитным полем ротора, создает и прикладывает вращающую силу. Шаговые двигатели отличаются большим количеством полюсов, обычно 50 или более. На каждый полюс последовательно подается питание от драйвера двигателя, в результате чего вращение ротора происходит ступенчатыми приращениями, или шагами. Но из-за большого количества полюсов движение кажется непрерывным.
 |
|
| Рисунок 1. | Шаговые двигатели обеспечивают хорошие характеристики при невысокой цене для приложений, нетребовательных к скорости, ускорению и точности. |
Шаговые двигатели имеют несколько особенностей. Они перемещаются приращениями и, как правило, работают в системе без обратной связи, что исключает из конструкции дорогие и сложные энкодеры или сельсины. Большое количество полюсов позволяет им развивать высокие крутящие моменты при нулевой скорости. Кроме того, они компактны и, как правило, экономичны.
С другой стороны, скорость шаговых двигателей ограничена. Обычно они хорошо работают при скоростях 1200 об/мин или ниже. И хотя они создают высокие крутящие моменты при нулевой скорости, с увеличением скорости крутящий момент падает. Двигатель, выдающий 0.7 Н•м при нулевой скорости, может выдавать только 0.35 Н•м при 500 об/мин и лишь 0.07 Н•м при 1000 об/мин (Рисунок 2).
 |
|
| Рисунок 2. | Кривые зависимости крутящего момента от частоты вращения показывают, что шаговые двигатели обеспечивают пиковый крутящий момент при нулевой скорости, а с увеличением скорости крутящий момент падает (зеленый цвет). В то же время крутящий момент серводвигателей остается примерно постоянным во всем рабочем диапазоне (синий и красный цвета). |
Теоретически, можно увеличить крутящий момент, добавив редуктор, но тогда проблемой станет низкая скорость шагового двигателя. Добавление понижающего редуктора 10:1 к шаговому двигателю с частотой вращения 1200 об/мин может увеличить крутящий момент на порядок, но при этом скорость вращения упадет до 120 об/мин. Если двигатель приводит в действие шарико-винтовой привод или что-либо подобное, то, скорее всего, он не сможет обеспечить достаточную скорость, удовлетворяющую требованиям приложения.
Шаговые двигатели, как правило, не выпускаются с типоразмерами больше NEMA 34, и в большинстве приложений используются двигатели типоразмеров NEMA 17 или NEMA 23. Поэтому редко можно встретить шаговые двигатели с крутящим моментом более 7-14 Н•м.
Шаговые двигатели также имеют ограничения по характеристикам. Например, чтобы двигатель начал вращаться и перемещать нагрузку, необходимо преодолеть трение, и в этот момент ротор управляется не полностью. В результате в ответ на команду перемещения на пять шагов двигатель может повернуться на четыре шага, а, возможно, и на шесть.
Однако если драйвер дает двигателю команду продвинуться на 200 шагов, он сделает это с точностью до нескольких шагов, что в данном случае составляет погрешность в несколько процентов. Хотя шаговые двигатели обычно имеют разрешение от 25,000 до 50,000 отсчетов на оборот, под нагрузкой двигатель представляет собой пружинно-массовую систему, и типичное разрешение составляет от 2,000 до 6,000 отсчетов на оборот. Тем не менее, при таких разрешениях даже перемещение на 200 шагов соответствует доле градуса.
Добавление энкодера позволит точно отслеживать перемещение, но не позволит преодолеть физические основы работы двигателя. Для приложений, требующих более высокой точности и разрешения позиционирования, серводвигатели (Рисунок 3) являются более хорошим выбором, чем шаговые двигатели.
 |
|
| Рисунок 3. | Серводвигатели, используемые в замкнутой петле обратной связи, обеспечивают более высокие значения точности, скорости и ускорения, чем шаговые двигатели. |
Серводвигатели
Шаговый двигатель состоит из ротора с постоянными магнитами и неподвижного статора с обмотками. Как и в шаговых двигателях, ток в серводвигателях создает магнитное поле, которое воздействует на ротор, создавая крутящий момент. Но серводвигатели имеют значительно меньше полюсов, чем шаговые двигатели. Из-за этого они должны работать в системе с замкнутым контуром управления.
В целом серводвигатели работают значительно быстрее шаговых; их скорость составляет порядка нескольких тысяч оборотов в минуту. Это позволяет использовать серводвигатели совместно с редукторами, обеспечивая гораздо более высокий крутящий момент на полезных скоростях. Они также обеспечивают более равномерный крутящий момент во всем диапазоне скоростей вращения двигателя.
В отличие от шаговых двигателей, они не имеют удерживающих моментов. Однако работа в замкнутом контуре управления позволяет контроллеру подавать такую команду, чтобы нагрузка оставалась в определенном положении, и двигатель постоянно отрабатывает эту команду, удерживая нагрузку в этом положении. Таким образом, серводвигатели могут фактически обеспечивать удерживающий момент.
В серводвигателях обычно используются магниты из редкоземельных металлов, в то время как в шаговых двигателях чаще применяются менее дорогие обычные магниты. Редкоземельные магниты позволяют серводвигателям развивать больший крутящий момент при меньших габаритах. Серводвигатели также выигрывают в крутящем моменте благодаря бóльшим размерам. Диаметры серводвигателей обычно варьируются от NEMA 17 до 220 мм. В результате совокупности этих факторов серводвигатели обеспечивают крутящий момент до 340 Н•м.
Серводвигатели имеют скорость и крутящий момент, позволяющие обеспечить более высокие ускорения, чем шаговые двигатели. Они также обеспечивают более точное позиционирование благодаря замкнутому контуру управления.
Заключительные сравнения
Серводвигатели обладают неоспоримым преимуществом в плане характеристик. Однако с точки зрения повторяемости шаговые двигатели конкурентоспособны.
Если говорить о стоимости, то шаговые двигатели обычно не требуют обратной связи, используют менее дорогие магниты и редко имеют редукторы. Кроме того, они имеют большое число полюсов, способны создавать удерживающий момент и потребляют меньшую мощность при нулевой скорости. В результате шаговые двигатели могут быть на порядок дешевле аналогичных серводвигателей.
Поэтому, когда приложение неприхотливо, а бюджет скромен, следует рассмотреть шаговые двигатели. Если характеристики имеют первостепенное значение, то серводвигатели справятся с этой задачей лучше, но нужно быть готовым заплатить больше.
