Основная разница между сервоприводом и шаговым двигателем

Сервопривод – это обычный мотор с дополнительно установленным датчиком контроля, выполняющим функцию обратной связи. Шаговый двигатель – это бесщеточный электромотор, работающий в паре плата-драйвер. Сразу скажем, что сервопривод и шаговый двигатель не конкурируют между собой.

Сервопривод

Сервопривод, как мы уже сказали ранее — это обычный мотор с дополнительно установленным датчиком контроля, выполняющим функцию обратной связи.

При работе мотор будет удерживаться в заданном положении с помощью контроллера. Такой принцип взаимосвязи позволяет добиться высокой скорости и точности оборудования вплоть до одного микрона.

Если на обычный электродвигатель подать напряжение, он будет вращаться.

При таком подходе пропуск шагов исключен, так как энкодер постоянно отслеживает отклонения вала и корректирует ошибку, меняя каждый раз направление движения двигателя.

• дорогостоящий ремонт;
• высокая стоимость.

Шаговый двигатель

Шаговый двигатель – это бесщеточный электромотор, работающий в паре плата-драйвер. Как правило, шаговые двигатели имеют несколько фаз (обмоток), поочередно включаемых драйвером. Двигатель поворачивается за счет подачи короткого импульса на одну из обмоток статора, в результате чего в движение приводится магнитный ротор.

Величина физического шага двигателя может варьироваться в зависимости от конструкционных особенностей ротора: от 90 до 0.9 градусов. Шаг можно дробить при помощи программных ухищрений, снижая при этом шум от работы драйверов и увеличивая точность, благодаря повышенному числу шагов на оборот. Точность может составлять до 20 микрон.

Несмотря на высокоточность шагового двигателя, у него имеется существенный минус: пропуск шагов при повышенных нагрузках, поскольку двигатель не имеет обратной связи контроллером, а последний не умеет отслеживать работу шагового двигателя без углового датчика.

Недостатки шаговых двигателей:

• пропуски шагов при высоких ускорениях и больших нагрузках;
• низкая цена;
• неремонтопригодность.

Существуют шаговые двигатели с энкодером, ничем не отличающиеся от обычных, кроме дополнительных выводов с угловым датчиком. Это решает проблему с пропусками, но добавляет немало к стоимости. Плюс для их использования нужно иметь специальный контроллер, имеющий функцию коррекции ошибки шаговика.

Несмотря на недостатки, шаговые двигатели широко используются как в крупных отраслях промышленности, так и для бытовых нужд:

• в тяжелых и высокоточных станках (в металлообработке, лазерной резке);
• в легких ЧПУ (домашние 3D-принтеры, гравировальные машины);
• в робототехнике (роботы со сложной кинематикой);
• в игрушках (машины, самолеты).

Сервопривод и шаговый двигатель не являются между собой конкурентами. Под каждую задачу необходимо выбрать свой тип мотора.

Сервопривод или шаговый двигатель: какова разница и что выбрать?

В качестве электропривода порталов и исполнительных узлов фрезерно-гравировальных станков с чпу и оборудования для плазменной резки с ЧПУ применяются шаговые двигатели и сервоприводы. Что лучше: шаговый двигатель или сервопривод, и в каких случаях применение того или иного электропривода экономически и технически оправданно, рассмотрим в данной статье.

Устройство шагового привода

Шаговый привод состоит из синхронной электрической машины и управляющего контроллера. Последний обеспечивает подачу управляющих сигналов на обмотки двигателя и их попеременное включение в соответствии с заданной программой.

Шаговый двигатель — электрическая машина, преобразующая управляющие сигналы в перемещение вала на определенный угол и фиксацию его в заданном положении. Количество шагов таких электродвигателей составляет от 100 до 400, угол шага — от 0,9-3,6°.

Принцип работы шагового двигателя

Состоит это электромеханическое устройство из статора, где размещены катушки возбуждения, и вращающейся части с постоянными магнитами или обмотками. Такая конструкция ротора обеспечивает его фиксацию после отработки управляющей команды.

На статоре расположено несколько обмоток. При подаче напряжения на катушку, под воздействием магнитного поля ротор поворачивается на определенный угол в соответствии с пространственным положением обмотки. При ее обесточивании и подаче управляющего сигнала на другую катушку вращающаяся часть электродвигателя занимает другую позицию. Каждый поворот вала соответствует углу шага. При обратной последовательности подачи напряжения на катушки ротор вращается в противоположном направлении.

Для поворота ротора на меньший угол одновременно включаются 2 обмотки. Количество шагов ограничено и зависит от числа полюсов статора электромотора. Для обеспечения плавного вращения ротора на катушки статора подают разные токи, разность которых определяет положение ротора. Такой способ управления позволяет снизить дискретность и увеличить количество шагов до 400.

К числу недостатков шаговых двигателей можно отнести довольно низкую скорость, пропуск шагов при высокой (выше расчетной) нагрузке на валу, снижение момента при высокой частоте вращения и большое время разгона.

Устройство сервопривода

Сервопривод состоит из синхронного двигателя, датчика скорости и положения, а также управляющего контроллера. Основная разница между шаговым двигателем и сервоприводом состоит в наличии обратной связи по положению, скорости, моменту на валу ротора.

Электропривод такого типа построен на базе следящей схемы автоматического регулирования. При несоответствии скорости или другой величины контроллер будет подавать сигналы на отработку, пока требуемый параметр или положение вала не будет соответствовать заданному. В качестве датчика обратной связи используют абсолютные и относительные энкодеры различных типов и конструкций.

Принцип действия сервопривода

Управляющее устройство в соответствии с заданной программой подает напряжение на сервопривод, который соединен с порталом станка. Двигатель перемещает рабочий орган. При этом энкодер вырабатывает импульсы, поступающие на контроллер. Подсчет их числа осуществляет управляющее устройство. Количество импульсов пропорционально перемещению портала. При достижении рабочим органом заданного положения на электромотор перестает поступать напряжение. Портал фиксируется. Пока число импульсов, зафиксированных контроллером с датчика, не достигнет запрограммированной величины, двигатель будет осуществлять перемещение рабочего органа.

Шаговый сервопривод можно также настроить на поддержание постоянной частоты вращения вне зависимости от нагрузки или постоянного момента при разной скорости.

К достоинствам сервоприводов относятся точность позиционирования, динамика разгона и отсутствие снижения момента при высоких скоростях. Ограничивает применение сервопривода, как правило, достаточно большая стоимость.

Чем отличается сервопривод от шагового двигателя?

Современные шаговые электродвигатели обеспечивают перемещение рабочей части с точностью до 0,01 мм.

Отличие шагового двигателя от сервопривода заключается в пропуске шагов при высокой (выше расчетной) нагрузке, что значительно снижает качество обработки

Сервопривод для поворотного стола фрезерного станка или портала другого оборудования обеспечивает точность до 0,002 мкм.

Позиционирование по следящей схеме обеспечивает высокое качество обработки независимо от нагрузки

Максимальная скорость перемещения рабочих органов при использовании шагового электропривода — 25 м.

Время разгона — 120 об/мин за секунду

Сервопривод может перемещать портал со скоростью более 60 м/мин.

Время разгона составляет до 1000 об/мин за 0,2 секунды

Критерий сравнения	Шаговые двигатели	Сервоприводы
Эксплуатационный ресурс	Шаговые электромоторы не имеют коллекторного узла, подверженного износу. Также они не имеют частей, нуждающихся в регулярном техобслуживании и замене	Коллекторные серводвигатели необходимо регулярно обслуживать. Максимальный срок службы коллекторного узла — 5000 часов непрерывной работы. При этом бесщеточные сервомоторы не уступают в надежности шаговым двигателям
Точность перемещений исполнительного органа
Время разгона и скорость перемещения портала
Реакция на принудительную остановку	Шаговые двигатели хорошо переносят механические перегрузки и не выходят из строя при аварийных остановках	Сервоприводы необходимо оснащать дополнительной защитой, отключающей электромотор при принудительной остановке портала. В противном случае обмотки электрической машины могут сгореть
Стоимость	За счет простоты конструкции шаговый двигатель имеет относительно невысокую цену	За счет датчиков обратной связи (энкодеров) и более сложной схемы регулирования сервопривод считается дорогостоящим оборудованием

Критерии выбора

Тип приводного двигателя для станков выбирают по следующим характеристикам:

По этому параметру сервоприводы значительно превосходят шаговые электромоторы. На станок с ЧПУ для обработки крупных деталей или заготовок из твердых материалов лучше уставить сервомотор, например, ESTUN 1000 Вт. Такой электропривод обеспечит более высокую скорость обработки твердых материалов. Для малогабаритного промышленного оборудования (например, настольного фрезерного станка) среднего класса точности, предназначенного для обработки мягких материалов, лучше выбрать шаговый двигатель.

Программирование и настройка сервопривода на станке с ЧПУ требуют высокой квалификации исполнителя. Такой привод намного дороже в обслуживании, соответственно расходы на его эксплуатацию будут выше.

Сервоприводы для станков с ЧПУ необходимы для высокоточной автоматизированной обработки. Такой привод позволяет позиционировать положение рабочего органа с точностью до 0,02 мкм, в то время как максимальная точность шаговой электрической машины — 0, 01 мм.

Стоимость шагового двигателя значительно ниже цены сервопривода. При невысоком бюджете лучше предпочесть первый вариант.

По этому показателю сервомоторы предпочтительней. Работа шаговых электродвигателей сопровождается звуком, соответствующим частоте шагов на различных оборотах.

Таким образом, выбор сервопривода или шагового двигателя в качестве привода на фрезерно-гравировальный станок и оборудование для плазменной резки следует совершать, руководствуясь исключительно экономической и технической целесообразностью.

Предприятие MULTICUT образовано в 2009 году с целью организации выпуска отечественных координатных установок с ЧПУ для решения различных производственных задач.
подробнее о производстве

Замена шагового двигателя на серво

#21 OFFLINE 3D-BiG

Модератор

13 638 сообщений

• Пол: Мужчина
• Город: Ареал обитания — вся страна, но обычно встречаюсь в Новосибирске.
• Интересы: Полежать на диване, пофлудить на форуме.
• Из:СССР

Лужу, паяю, станки ЧПУ починяю.
G01 придумали трусы. Реальные пацаны фрезеруют на G00.

Отверстия с точностью ниже 14 квалитета называются дырками.

#22 OFFLINE Profi

Пользователи

5 сообщений

• Из:Тюмень

#23 OFFLINE GuruCnc

Пользователи+

261 сообщений

• Пол: Мужчина
• Город: Новосибирск
• Из:Новосибирск

#24 OFFLINE vv92

Cтарожил

8 690 сообщений

• Пол: Мужчина
• Город: Н.Новгород
• Из:Н.Новгород

#25 OFFLINE Zaryk

Пользователи+

83 сообщений

• Пол: Мужчина
• Город: Украина
• Из:Львов

#26 OFFLINE Profi

Пользователи

5 сообщений

• Из:Тюмень

#27 OFFLINE DEDAlex

Cтарожил

3 563 сообщений

• Пол: Мужчина
• Город: Северодонецк/Москва
• Интересы: Любознательный дилетант широкого профиля
• Из:Украина/Московия

. Если думаете, что сервы не пропускают шаги, то глубоко ошибаетесь. Без опыта я потратил две недели на нормальную настройку приводов, но игра стоит свеч.

Про шаги — принципиальная ошибка в отношении к сервоприводу. Сервопривод работает в пределах запрограммированной точности и дискретности энкодера. Хотя система и допускает управление не только в векторном режиме, но и в режиме шаг/направление, но речь ни о каких шагах в части исполнительных устройств идти не может. Равно, как и накопление погрешности, как в случае ШД.

Со вторым согласен на все двести. Игра не только стоит свеч, но и экономически оправдана.

#28 OFFLINE Zaryk

Пользователи+

83 сообщений

• Пол: Мужчина
• Город: Украина
• Из:Львов

А поконкретнее?
Zarik, а что настраивали две недели?

Сервы на 200 Ватт покупал полным комплектом БУ на Ибее. Установил через ременной редуктор 1:3. Серва в отличии от шаговика не работает с коробки. Там куча настроек, иногда не совсем понятных. Вот как раз с ними и пришлось повозится.

Про шаги — принципиальная ошибка в отношении к сервоприводу. Сервопривод работает в пределах запрограммированной точности и дискретности энкодера. Хотя система и допускает управление не только в векторном режиме, но и в режиме шаг/направление, но речь ни о каких шагах в части исполнительных устройств идти не может. Равно, как и накопление погрешности, как в случае ШД.

#29 OFFLINE DEDAlex

Cтарожил

3 563 сообщений

• Пол: Мужчина
• Город: Северодонецк/Москва
• Интересы: Любознательный дилетант широкого профиля
• Из:Украина/Московия

#30 OFFLINE Zaryk

Пользователи+

83 сообщений

• Пол: Мужчина
• Город: Украина
• Из:Львов

Сколько у вас порядков после запятой выдает пост? Добавьте еще парочку — удивитесь поведению сервоприводов, причем в аварию они не уйдут.

Да все правильно с постом, пробовал я это дело. Ярче всего этот эффект вылазил на шрифтах Брайля, где много быстрых переходов.

Кажется это настройка position feedforward gain, но могу ошибаться.

Сообщение отредактировал Zaryk: 03 Март 2014 — 10:52

#31 OFFLINE Profi

Пользователи

5 сообщений

• Из:Тюмень

#32 OFFLINE Mansur

Пользователи

1 сообщений

• Из:Baku

более 2 года используем станок с рабочей площади 4000*2000*200мм с китайскими шаговиками Nema34 118 mm. (2 шт по оси Y -рейки , 1 шт по оси Х -винт 32мм, шаг 10 мм, 1 шт по оси Z-винт шаг 10 мм). Материалы в основном листы МДФ и Кориана. Работа 99% — 2D. Шпиндель GMT 7,5 kw. Управление Nc studio. Направляющие и каретки HIWIN 25. Станина собран из швеллера 200*100мм и достаточно жесткая. Однако не редко бывает потеря шагов(раз в 2-3-4 дня) и связанной с этим ошибки резки. Производительность (скорость подачи, скорость свободного хода)также недостачно.( Мах 2500 мм/мин).

В связи с этим думаем заменить шаговиков на серво. Вопрос в том что, какой мощности серводвигатели, серводрайвы рекомендуется. Какие марки ( естественно учитывая цены) предпочтительны?

Что можете сказать если взять ESTUN:

трехосный — ETS-101010APC-CAN с моторами EMJ-08APB22 (0.75 kw) — 3 шт для осей X,Y

одноосный Pronet -E servo с мотором EMJ-04APB22 (0.4 kw) — 1 шт для Z

Этот комплект может обойтись приблизительно 1500-1600 долл

Заранее спасибо всем за рекомендации и критики.

Сообщение отредактировал Admin: 20 Ноябрь 2015 — 09:12
Перенесено

#33 OFFLINE Lodochnik

Cтарожил

3 888 сообщений

• Пол: Мужчина
• Из:Королев

#34 OFFLINE 3D-BiG

Модератор

13 638 сообщений

• Пол: Мужчина
• Город: Ареал обитания — вся страна, но обычно встречаюсь в Новосибирске.
• Интересы: Полежать на диване, пофлудить на форуме.
• Из:СССР

Даже с учетом по X ШВП 32мм с шагом 10мм/оборот из-за слабости движков скорости крайне малы — сюда шаговики НЕ хуже 110 и длинных надо, или правильных серваков не менее чем 750Вт надо. А то G0=2500мм/мин просто мизер. там наверное и ускорения просто никакие.

Сообщение отредактировал 3D-BiG: 20 Ноябрь 2015 — 13:11

Лужу, паяю, станки ЧПУ починяю.
G01 придумали трусы. Реальные пацаны фрезеруют на G00.

Отверстия с точностью ниже 14 квалитета называются дырками.

#35 OFFLINE neo832002

Пользователи

9 сообщений

• Пол: Мужчина
• Из:Тараз

Собрал себе ЧПУ станок на шаговиках в процессе работы выяснилось что частенько происходят пропуски шагов. На днях на алиэкспресс вроде распродажа и подумываю купить вот такой серво комплект. Но пока не могу разобраться как его подключять для полного функционала то есть чтоб он не пропускал шаги. Контроллер у меня автономный smc 4-4-16A-16B. прошу совета стоит ли брать и можно ли подключить к этому контроллеру. Или лучше взять nema42 и подключить хотя сомневаюсь что проблема с пропусками исчезнит.