Сервопривод или шаговый двигатель: разница и что выбрать?

В системах автоматизации, где требуется точное перемещение рабочих узлов, широко применяются шаговые двигатели и сервоприводы. Эти электроприводы используются в станках с ЧПУ, установках для фрезеровки, гравировки и плазменной резки. Но какой вариант лучше выбрать для конкретного оборудования? Попробуем разобраться, чем отличается работа шагового двигателя от сервопривода, каковы их преимущества и недостатки и в каких случаях применение одного типа оказывается рациональней.

Устройство шагового привода

Шаговый привод объединяет в себе синхронный электродвигатель и контроллер, который задает последовательность подачи сигналов на обмотки. Драйвера управления обеспечивают включение катушек по заданной программе, что позволяет добиться точного перемещения.

Шаговые двигатели — это машины, преобразующие команды от системы управления в поворот вала на определенный угол. Каждый такой поворот фиксируется, что дает возможность контролировать положение рабочего органа. Угол шага обычно варьируется от 0,9° до 3,6°, а общее число шагов — от 100 до 400.

Принцип работы шагового двигателя

Основа устройства — статор с несколькими катушками возбуждения и ротор, на котором размещаются постоянные магниты или обмотки. Когда на определенную катушку подается напряжение, возникает магнитное поле, заставляющее ротор повернуться на нужный угол. После снятия напряжения и подачи импульса на другую катушку ротор фиксируется в следующем положении.

Каждый шаг соответствует определенному углу поворота. Если поменять порядок подачи управляющих сигналов, вал двигателя начнет вращаться в обратную сторону. Для уменьшения угла перемещения иногда включают сразу две катушки. Количество возможных шагов напрямую зависит от числа полюсов статора.

Чтобы сделать вращение более плавным, применяют особый метод управления — на обмотки подаются токи разной величины, и разница этих токов определяет новое положение ротора. Такой режим позволяет снизить вибрации и увеличить количество шагов до 400.

Несмотря на простоту конструкции, у шаговых двигателей есть слабые стороны:

• сравнительно небольшая скорость работы;
• вероятность пропуска шагов при чрезмерной нагрузке;
• падение момента на высоких оборотах;
• значительное время разгона.

На шаговых двигателях обычно строят компактные и недорогие системы ЧПУ, однако для сложных задач они подходят не всегда.

Устройство сервопривода

Сервопривод — это более сложная система, включающая синхронный электродвигатель, контроллер и датчики обратной связи. Главное отличие от шагового двигателя заключается в том, что сервомотор способен отслеживать положение, скорость и момент ротора с помощью энкодера и корректировать их в реальном времени.

Система управления работает по принципу следящей автоматики. Если контроллер фиксирует несоответствие между текущим положением и заданным, он подает корректирующие сигналы до тех пор, пока отклонение не будет устранено. Для этого применяются энкодеры разных типов — абсолютные и инкрементальные.

Принцип действия сервопривода

Когда управляющая система подает сигнал на сервопривод, двигатель начинает перемещать рабочий орган станка. Энкодер формирует импульсы, которые поступают обратно на контроллер. Количество импульсов напрямую соответствует пройденному пути. Как только рабочий орган достигает заданного положения, подача напряжения прекращается, и вал фиксируется.

Сервомотор можно запрограммировать на разные режимы — поддержание постоянной скорости вращения независимо от нагрузки или обеспечение постоянного момента на валу при изменении оборотов.

Кроме этого, он обладает такими преимуществами, как:

• высокая точность позиционирования;
• быстрый разгон и стабильная динамика;
• отсутствие потерь момента даже при высокой скорости.

Главным ограничивающим фактором является цена. На сервоприводах строят дорогостоящее оборудование, что оправдано в тех случаях, когда требуется идеальная точность и высокая производительность.

Чем отличается сервопривод от шагового двигателя?

Чтобы разобраться в основных отличиях, стоит сравнить устройства по нескольким критериям:

1. Ресурс эксплуатации. Шаговые электродвигатели не требуют замены щеток и не нуждаются в частом обслуживании. Коллекторные сервоприводы, наоборот, нуждаются в регулярной проверке, а их узлы рассчитаны примерно на 5000 часов. Однако современные бесщеточные модели по надежности не уступают шаговым.
2. Точность перемещений. Шаговые модели позволяют достичь точности около 0,01 мм, но при перегрузке возможен пропуск шагов, что снижает качество обработки. Сервопривод обеспечивает точность до 0,002 мкм благодаря системе обратной связи с энкодером.
3. Скорость и разгон. Максимальная скорость шагового двигателя — около 25 м/мин, а разгон — порядка 120 об/мин за секунду. Сервомоторы развивают более 60 м/мин и достигают 1000 об/мин всего за 0,2 секунды.
4. Перегрузка и аварийные остановки. Шаговые двигатели хорошо переносят резкие остановки без риска выхода из строя. Для сервопривода требуется дополнительная защита, иначе обмотки могут перегреться.
5. Стоимость. Цена шагового двигателя заметно ниже. Сложная система регулирования, энкодеры и датчики делают сервомоторы более дорогими.

В итоге правильный выбор привода зависит от задач, которые ставит производство.

Критерии выбора привода для ЧПУ

Выбор между сервоприводом или шаговым двигателем нельзя делать только на основании цены или популярности. Здесь важно учитывать сразу несколько факторов, поскольку именно привод определяет стабильность работы станка, точность обработки и скорость выполнения операций. Для одних задач ключевым будет высокий момент на валу и надежность, для других — максимальная точность и динамика. Ниже рассмотрим основные критерии, которые помогут сделать осознанный выбор и понять, когда стоит остановиться на шаговом электроприводе, а в каких случаях целесообразно применять сервопривод:

1. Производительность. Если станок предназначен для работы с крупными деталями или твердыми материалами, лучше установить сервомотор мощностью от 1000 Вт. Он обеспечит высокую скорость и стабильный момент. Для настольных станков и обработки мягких материалов рациональнее использовать шаговые моторы.
2. Эксплуатационные расходы. Настройка сервопривода требует высокой квалификации и занимает больше времени. Кроме того, обслуживание обходится дороже.
3. Точность. Сервоприводы позволяют добиться позиционирования с точностью до 0,02 мкм, тогда как предел шаговых — 0,01 мм. Для ювелирных и высокоточных операций рекомендуется использовать сервомоторы.
4. Цена. При ограниченном бюджете выбор в пользу шагового двигателя выглядит оправданным.
5. Шум. Работа шаговых моторов сопровождается характерным звуком, зависящим от частоты шагов. Сервомотор работает значительно тише.

Как видно, у обоих решений есть свои сильные и слабые стороны. Шаговые двигатели подкупают простотой и доступностью, но они ограничены по скорости и точности. Сервопривод, напротив, обеспечивает высокий уровень управления и стабильный момент даже на больших оборотах, но требует больших затрат. Поэтому при выборе стоит исходить не из универсальных рекомендаций, а из конкретных задач и возможностей производства.

Сравнение двух систем показывает, что шаговые двигатели являются более простыми, дешевыми и надежными для оборудования среднего уровня сложности. Они хорошо подходят для настольных и маломощных станков. Сервоприводы обеспечивают непревзойденную точность, высокую скорость и динамику, но их применение оправдано только тогда, когда требуется максимальная эффективность.

Окончательный выбор подходящего оборудования зависит от задач, бюджета и требуемой точности. При проектировании системы ЧПУ важно ориентироваться не только на стоимость, но и на технические требования, чтобы электропривод действительно обеспечивал нужный результат.