Różnica między silnikami serwo a silnikami krokowymi

Silniki serwo i silniki krokowe to powszechne elementy wykonawcze elektryczne, stosowane do precyzyjnej kontroli położenia, prędkości i momentu obrotowego. Mają one podstawowe różnice w strukturze, zasadzie działania i cechach wydajności.
I. Zasada działania i budowa
Serwo silnik:
Budowa: Składa się z silnika (zwykle silnika synchronicznego z magnesem trwałym), czujnika pozycji o wysokiej dokładności (np. enkodera) oraz sterownika napędu, tworząc system zamkniętej pętli.
Zasada działania: Sterownik otrzymuje sekwencję impulsów oraz sygnał kierunku z kontrolera i napędza silnik, powodując jego obrót. Enkoder umieszczony na końcu wału silnika wykrywa w czasie rzeczywistym położenie i prędkość wirnika oraz przesyła sygnały zwrotne do sterownika. Sterownik porównuje sygnał zwrotny z sygnałem zadanym, oblicza błąd i dostosowuje wyjście, aby wyeliminować ten błąd.
Silnik krokowy:
Budowa: Składa się z głowicy silnika (ze wielofazowymi uzwojeniami na statorze oraz wirnikiem z magnesem trwałym lub wirnikiem reluktancyjnym) oraz sterownika otwartego obwodu.
Zasada działania: Sterownik otrzymuje sygnały impulsowe i kolejno zasila uzwojenia poszczególnych faz silnika, powodując stopniowy obrót wirnika o określony kąt (kąt kroku). Jego działanie nie opiera się na sprzężeniu zwrotnym pozycji i stanowi sterowanie układem otwartym.
II. Metoda sterowania
Silnik serwo: Zastosowano sterowanie zamkniętej pętli. System ciągle otrzymuje sygnał zwrotny do korekcji w czasie rzeczywistym, zapewniając zgodność wyniku z poleceniem.
Silnik krokowy: Wykorzystuje sterowanie otwartej pętli. Po wysłaniu przez system polecenia zakłada się, że silnik wykonał je dokładnie, bez mechanizmu weryfikacji sygnału zwrotnego.
III. Porównanie cech eksploatacyjnych
Cechy momentu obrotowego:
Silnik serwo: Charakteryzuje się stałą charakterystyką momentu obrotowego i może generować moment znamionowy w całym zakresie prędkości znamionowej. Posiada również zdolność przepełnienia i zwykle może krótkotrwale generować moment 2–3 razy przekraczający wartość znamionową.
Silnik krokowy: Moment obrotowy szybko spada wraz ze wzrostem prędkości obrotowej. Nie posiada zdolności przepełnienia. Gdy moment obciążenia przekroczy maksymalny moment utrzymujący silnika, dojdzie do rozszycia.
Zakres prędkości i stabilność:
Silnik serwo: Działa płynnie przy niskich prędkościach, charakteryzuje się doskonałą wydajnością przy wysokich prędkościach i ma szeroki zakres regulacji prędkości, nawet powyżej 1:5000.
Silnik krokowy: Ma tendencję do wibracji przy niskich prędkościach. Przy wysokich obrotach moment silnika szybko spada, a efektywny zakres pracy jest stosunkowo wąski.
Dokładność i błędy:
Silnik serwo: Jego dokładność zależy od rozdzielczości enkodera. Błąd systemu (różnica między poleceniem a sygnałem zwrotnym) jest chwilowy i jest korygowany w czasie rzeczywistym przez system zamkniętej pętli. Nie występuje błąd skumulowany.
Silnik krokowy: Jego dokładność zależy od kąta kroku silnika. Występuje błąd skumulowany, co oznacza, że błąd każdego pojedynczego kroku będzie się stopniowo kumulował. W przypadku przeciążenia silnik traci synchronizację, co prowadzi do błędów pozycjonowania.
Wydajność odpowiedzi:
Silnik serwo: Szybka reakcja, doskonała wydajność przyspieszania, nadaje się do zastosowań wymagających szybkiego uruchamiania/wyłączania oraz zmieniającego się obciążenia dynamicznego.
Silnik krokowy: Powolna reakcja, słabe możliwości uruchamiania przy wysokich prędkościach oraz długi czas przyspieszania.
Wibracje i hałas:
Silnik serwo: Działa płynnie, z niskim poziomem hałasu, szczególnie przy niskich prędkościach.
Silnik krokowy: Ma wrodzone problemy z wibracjami i hałasem, które są szczególnie widoczne w pobliżu punktu rezonansu.
IV. Scenariusze zastosowań
Silnik serwo: Nadaje się do zastosowań wymagających wysokiej precyzji, dużej prędkości, wysokiej dynamiki i przeciążenia momentu obrotowego. Przykłady to roboty przemysłowe, maszyny CNC, zaawansowane urządzenia automatyzacyjne oraz branża lotnicza i kosmiczna.
Silnik krokowy: Nadaje się do zastosowań wrażliwych na koszt, przy średnich i niskich prędkościach, stałym obciążeniu oraz sytuacjach o niewielkich wymaganiach dotyczących płynności pracy w układach sterowania otwartego. Przykłady to drukarki 3D, niewielkie maszyny CNC, skanery i urządzenia automatyki biurowej.
V. Koszt i złożoność
Silnik serwo: System jest złożony (obejmuje silnik, enkoder o wysokiej rozdzielczości oraz zaawansowany sterownik), a jego koszt jest wysoki.
Silnik krokowy: Prosty system, niski koszt, łatwy w instalacji i uruchomieniu.
Wybór zależy od ogólnych wymagań konkretnego zastosowania pod względem wydajności, dokładności, odpowiedzi dynamicznej i kosztu.