Кроковий vs Серво

Який двигун обрати: кроковий або серво?

Крокові двигуни

Кроковий двигун здатний запропонувати позиціонування за розімкненим контуром, що є великою перевагою бо значно усуває вартість і складність енкодера або резольвера та спрощує електроніку керування ним. Низька вартість крокових двигунів є великою причиною широкого їх використання.
Хоча завдяки великої кількості полюсів крокові двигуни створюють високий крутний момент при нульовій швидкості, момент, що крутить, падає зі збільшенням швидкості. Тобто чим більша швидкість обертання, тим слабшим стає двигун. Зазвичай крокові двигуни працюють при максимальних 1000-1200 обертах на хвилину або нижче.

Якщо при розробці верстата були уважно прораховані всі режими обробки і навантаження, та вони не перевищуються при використанні обладнання, встановлення крокових двигунів є досить надійним та економічним рішенням.
Однак в наслідок того, що ніякого зворотнього зв’язку звичайний кроковий двигун не має, він не в змозі зрозуміти коли режими його роботи перевищені, коли він «втратив» позицію, або «загубив крок».
За для подолання цієї проблеми деякі виробники додають до крокового двигуна зворотній зв’язок, наприклад, у вигляді інкрементального енкодера.
Наявність зворотнього зв’язку може визначити, чи фактичне положення вала відхиляється від очікуваного положення, і двигун може виправити його за потреби.
На жаль додавання енкодера не може подолати базову фізику цього типу двигуна, але залежно від якості, надійності та наявності додаткових функцій, вартість такого рішення вже наближається до вартості серводвигунів.
У більшості крокових двигунів використовується технологія зниження струму коли він не отримує команди на рух, але взагалі на крокові двигуни повинна бути постійна подача потрібного струму незалежно від навантаження. Це призводить до меншої енергоефективності та більшому виділенню тепла.
Що до точності позиціювання крокового двигуна, то вона залежить від якості виготовлення його обмоток та ротора, кількості зубців/полюсів у роторі. Але зазвичай помилка позиціювання становить 3-10% від величини основного кута двигуна та залишається незалежно від використання керування у режимі мікрокроків. Крім того може статися так, що перші кілька керованих мікрокроків не викличуть ніякого переміщення, перш ніж накопичиться достатній крутний момент, щоб подолати тертя та інерцію навантаження, щоб почати рухатися.

Серводвигуни

Загалом, серводвигуни більш складні ніж крокові, що обумовлює їхню більш високу вартість порівняно з кроковими двигунами.
Вони працюють значно швидше ніж крокові двигуни, зі швидкістю порядку кількох тисяч обертів на хвилину та забезпечують стабільніший крутний момент у всьому діапазоні обертів двигуна. Це дозволяє використовувати серводвигуни з редукторами для забезпечення значно більшого крутного моменту на корисних швидкостях. На відміну від крокових, серводвигуни здатні забезпечувати миттєвий максимальний крутний момент у всьому діапазоні швидкості. Максимальний крутний момент серводвигуна зазвичай становить майже трикратне перевищення номінального, що дозволяє забезпечувати краще прискорення ніж при використанні крокових двигунів.
Хоча серводвигуни працюють на високих швидкостях, вони можуть точно працювати на надзвичайно низьких швидкостях під точним контролем, навіть до 1 оберта на хвилину і нижче.
Теоретично роздільна здатність, а відповідно і точність позиціювання серводвигуна, є нескінченною, але при роботі в замкненому циклі позиціювання системи залежить насамперед від роздільної здатності пристрою зворотного зв’язку, будь то синусний кодер, резольвер або цифровий енкодер . Сучасні пристрої зворотного зв’язку з високою роздільною здатністю використовувані у конструкції серводвигунів мають сотні тисяч відліків на один оберт двигуна, що значно вище ніж у крокових двигунів.
Зворотний зв’язок із замкнутим контуром дозволяє ефективніше контролювати струм, що впливає на температуру та продуктивність двигуна. Здатність споживати лише необхідний струм є великою перевагою систем серводвигунів, які також можуть допомогти збільшити термін служби, знизити рівень шуму для певних застосувань та зменшити енергоспоживання.

Зміни у конструкції верстата в залежності від встановлених двигунів

Як раніше згадувалося, встановлення серводвигунів на верстат значно здорожує його, але пов’язано це не тільки з вартістю самих двигунів. Значну частину вартості складають інші компоненти та процеси, які необхідні для коректної роботи верстата із сервоприводами.
Завдяки тому, що серводвигуни «відчувають» навантаження на них, присутність люфтів або пружних зв’язків у механічному ланцюгу передачі обертального руху ротора двигуна до лінійного руху механізмів верстата є неприпустимою. Інакше постійні неконтрольовані зміни у навантаженні на двигун не дозволять належним чином налаштувати надійну роботу двигунів і верстата в цілому.
Замість зубчасто-ременного редуктора на верстатах із сервоприводами встановлюються планетарні редуктори підвищеної точності з більшим коефіцієнтом редукції. Також змінюється зубчаста рейка на більш точну, яка завдяки вищому класу точності та використанню спеціальних матеріалів може забезпечити мінімальні люфти та витримувати збільшені навантаження від високих прискорень та швидкостей серводвигунів.
Крім того, встановлення серводвигунів потребує додаткових дротів для ліній живлення, керування та зворотного зв’язку. А враховуючи високу вартість якісних дротів для застосування у рухомих механізмах та вимогу використання екранованих ліній зворотного зв’язку, збільшення кількості дротів навіть у 2 рази відчутно підвищує загальну вартість верстата.
І це лише частина додаткової вартості при встановленні серводвигунів.
Наприклад, встановлення більш якісної зубчастої рейки потребує додаткового контролю геометрії обробки базових площин для її встановлення. Збільшення кількості дротів потребує додаткові зміни у механізмах їх укладання і більше часу та кваліфікації працівників для проведення дротів по верстату. Додатковий час також займає налагодження керуючих контурів серводвигунів, подальше тестування та перевірка їх стабільної роботи.