Разница между сервомоторами и шаговыми двигателями

Сервомоторы и шаговые двигатели — это распространённые электрические исполнительные компоненты, используемые для точного управления положением, скоростью и крутящим моментом. Они имеют принципиальные различия в конструкции, принципе работы и характеристиках производительности.
I. Принцип работы и конструкция
Серводвигатель:
Конструкция: Включает в себя двигатель (обычно синхронный двигатель с постоянными магнитами), датчик положения высокой точности (например, энкодер) и контроллер привода, образуя замкнутую систему.
Принцип работы: драйвер получает от контроллера последовательность импульсов и сигнал направления, а затем приводит двигатель во вращение. Энкодер на заднем конце вала двигателя в реальном времени определяет положение и скорость ротора и передает сигналы обратной связи драйверу. Драйвер сравнивает сигнал обратной связи с командным сигналом, вычисляет ошибку и корректирует выходное значение для устранения этой ошибки.
Шаговый двигатель:
Конструкция: состоит из корпуса двигателя (с многофазными обмотками на статоре и ротором с постоянным магнитом или реактивным сердечником) и драйвера разомкнутого контура.
Принцип работы: драйвер получает импульсные сигналы и последовательно подает питание на обмотки каждой фазы двигателя, заставляя ротор поворачиваться пошагово на определенный угол (угол шага). Его работа не зависит от обратной связи по положению и представляет собой управление по разомкнутому контуру.
II. Метод управления
Сервомотор: Используется замкнутая система управления. Система непрерывно получает обратную связь для коррекции в реальном времени, обеспечивая соответствие выходного сигнала заданной команде.
Шаговый двигатель: Используется разомкнутая система управления. После того как система выдает команду, предполагается, что двигатель точно её выполнил, без механизма проверки по обратной связи.
III. Сравнение характеристик производительности
Характеристики крутящего момента:
Сервомотор: Обладает характеристикой постоянного крутящего момента и может выдавать номинальный момент в диапазоне номинальной скорости. Также имеет возможность перегрузки и обычно может кратковременно выдавать момент в 2–3 раза превышающий номинальный.
Шаговый двигатель: Выходной крутящий момент резко снижается с увеличением частоты вращения. Не обладает возможностью перегрузки. Если момент нагрузки превысит максимальный удерживающий момент двигателя, произойдёт потеря шагов.
Диапазон скоростей и устойчивость:
Сервомотор: Работает плавно на низких скоростях, обладает отличными характеристиками на высоких скоростях и имеет широкий диапазон регулировки скорости, превышающий 1:5000.
Шаговый двигатель: Склонен к вибрациям на низких скоростях. На высоких скоростях момент резко падает, а эффективный диапазон рабочих скоростей относительно узкий.
Точность и погрешность:
Сервомотор: Его точность зависит от разрешения энкодера. Системная ошибка (разница между командой и обратной связью) является временной и в реальном времени корректируется замкнутой системой. Накопленной ошибки нет.
Шаговый двигатель: Точность зависит от угла шага двигателя. Имеется накопленная ошибка, то есть ошибка каждого отдельного шага будет постепенно накапливаться. При перегрузке двигатель теряет синхронизацию, что приводит к ошибкам позиционирования.
Динамические характеристики:
Сервомотор: Быстрый отклик, отличные характеристики ускорения, подходит для применений, требующих быстрого пуска/остановки и изменения динамической нагрузки.
Шаговый двигатель: медленный отклик, плохая способность к запуску на высоких скоростях и длительное время ускорения.
Вибрация и шум:
Серводвигатель: работает плавно с низким уровнем шума, особенно на низких скоростях.
Шаговый двигатель: имеет врождённые проблемы с вибрацией и шумом, которые особенно заметны вблизи резонансной точки.
IV. Сценарии применения
Серводвигатель: подходит для применений, требующих высокой точности, высокой скорости, высокого динамического отклика и перегрузки по крутящему моменту. Примеры: промышленные роботы, станки с ЧПУ, высокотехнологичное автоматическое оборудование и аэрокосмическая сфера.
Шаговый двигатель: подходит для недорогих решений, средних и низких скоростей, стабильной нагрузки и сценариев с невысокими требованиями к плавности работы в приложениях с разомкнутым контуром управления. Примеры: 3D-принтеры, настольные станки с ЧПУ, сканеры и офисная автоматизация.
V. Стоимость и сложность
Серводвигатель: система сложная (включает двигатель, энкодер с высоким разрешением и продвинутый драйвер), стоимость высокая.
Шаговый двигатель: простая система, низкая стоимость, легко устанавливается и настраивается.
Выбор зависит от общих требований конкретного применения к производительности, точности, динамическому отклику и стоимости.