Порівняння сервоприводів та крокових двигунів. Порівняльна характеристика за основними параметрами. Механічна характеристика крокового двигуна

Сервопривід(лат.servus - слуга, помічник; привід, що стежить)- Привід з керуванням черезнегативний зворотний зв'язок , що дозволяє точно керувати параметрами руху.

Сервопривід найчастіше зустрічається у робототехніці. Без нього неможливо обійтися, особливо коли йдеться про вирішення завдання точного переміщення вантажів чи предметів. Таке завдання виникає під час виконання будь-якої механічної роботи (фарбування, зварювання, шліфування, переміщення виробів на конвеєрі тощо). Виконують таку роботу маніпулятори, які мають вигляд механічних рук. Власне, знаменита промислова робототехніка, яка використовується для автоматизації виробництва по всьому світу, представлена насамперед маніпуляторами. І не один такий маніпулятор не обходиться без сервоприводів, що приводять у дію його ланки. Чому?

Вся справа у властивостях сервоприводу. Сервопривід - це привід, в якому використовується негативний зворотний зв'язок, що дозволяє точно управляти параметрами руху виконавчої (вихідної) ланки приводу (найчастіше це вихідний вал). Для створення такого зворотного зв'язку зазвичай використовується датчик положення вихідної ланки сервоприводу, але можуть застосовуватися і датчики швидкості, зусилля і т. д. Виходить, що сервопривід це привід, на який подається сигнал, що вказує висунутися або повернутися в певне положення. Він у це положення встановлюється і «чекає», доки не надійде команда про зміну положення. Наприклад, подається сигнал про встановлення валу у кутове положення 90 градусів. Вал повертається в це положення і тримає його, доки не прийде сигнал про нове становище. Такі можливості керування серйозно відрізняють сервопривід від звичайного мотор-редуктора, який здатний лише безперервно обертатися, поки на нього подано напругу. В результаті, якщо такими приводами оснащений робот, то він може рухатися подібно до руки людини і виконувати ту роботу, яку можемо виконувати ми.

Різновидів сервоприводів у промисловості багато У цій статті ми розглядатимемо електричні сервоприводи обертальної дії. Простіше кажучи, у таких сервоприводів вихідною виконавчою ланкою є вал, що обертається. Для простоти ми розглянемо пристрій хобі-сервоприводу SG-90 (рис. 1), який активно застосовується для створення навчальних моделей роботів та інших механізмів, що літають або літають. Хобі-сервопривід, на відміну від промислового, істотно менше за розмірами, розвиває менше зусилля, по-іншому керується, але за загальним принципом дії абсолютно ідентичний промисловому побратиму.

Малюнок 1

Пристрій хобі-сервоприводу показано на малюнку 2. До його складу входить електродвигун, редуктор з набором шестерень, потенціометр (виконує функцію датчика положення для зворотного зв'язку), електронна плата керування електродвигуном і корпус, який містить весь вміст. На цьому ж малюнку показаний провід, за допомогою якого сервопривід живиться та керується. Він складається з 3-х жил: харчування «плюс», харчування «мінус» і провід, на який подається сигнал, що управляє. На різних моделях хобі-сервоприводів дроти можуть мати різний колір. Але практично завжди провід живлення «плюс» забарвлений у червоний колір, а провід живлення «мінус» – у чорний. Щодо сигнального дроту (для передачі керуючого сигналу) чітких колірних стандартів немає. У різних виробників сервоприводів сигнальний провід може бути білим, оранжевим або жовтим.

Малюнок 2

Для керування такими двигунами прийнято стандарт керуючого сигналу. Він є постійно повторювані імпульси чи, як кажуть, низку імпульсів (Рис. 3). Частота цих імпульсів постійно залишається постійної і становить 50 Гц. Виходить, що тимчасовий періодімпульсів (час між передніми фронтами сусідніх імпульсів) становить 1с/50 = 0,02 секунди, тобто 20 мілісекунд.

Малюнок 3

Що цікаво, кутове положення вихідного валу сервоприводу задається тривалістю імпульсу, що подається. Для пояснення малюнку 4 показано приблизне співвідношення ширини імпульсу в часових координатах і кута повороту валу сервопривода. Управління поворотом сервоприводу валу виконується за допомогою імпульсів тривалістю від 1 до 2 мс (мілісекунд).

Малюнок 4

Як видно з графіка, для управління сервоприводом використовується не що інше як сигнал із широтно імпульсною модуляцією - ШІМ. Що таке ШІМ можна дізнатися із відповідної статті на нашому сайті.

А як ширина імпульсу перетворюється на кут валу на виході?

Як зазначено на малюнку 2, у корпусі сервоприводу є ще й електронний модуль управління мотором. Сигнал, що подається на сервопривод, потрапляє на цю плату. А ось те, що відбувається з цим сигналом далі показано на блок-схемі малюнок 5, яку ми проаналізуємо поетапно. Кожен етап зображено прямокутником або кружечком та пронумеровано. Усередині цих прямокутників зображені пристрої, у яких відбувається перетворення чи обробка сигналу.

Малюнок 5

Отже, вхідний управляючі сигнал Sпр з ШИМ модуляцією приходить на спеціальну мікросхему з логічними елементами, за допомогою якої перетворюється на напругу Uпр (етап №1). Після цього сигнал Uупр (керуюча напруга) надходить елемент порівняння напруг. Даний елемент називається суматором, але насправді він із вхідного сигналу Uупр віднімає напругу Uобр (напруга зворотного зв'язку), що надходить через зворотний зв'язок зі змінного резистора (етап №2).

Різниця Uкорр (коригуюча напруга), що вийшла, посилюється вбудованим підсилювачем (етап №3) і подається на електродвигун. Мотор обертається (етап №4) і надає руху вихідний вал сервоприводу, а разом з ним і датчик зворотного зв'язку у вигляді потенціометра. При обертанні ручки потенціометра змінюється напруга і виходить, що поворот валу перетворюється на напругу Uобр (етап №5). Ця напруга Uобр порівнюється (знову етап №2) з напругою Uупр, і різниця у вигляді Uкор знову йде на підсилювач (етап №3) і так далі. Сигнал «ходить» ланцюгом із зворотним зв'язком до того часу, поки виконається співвідношення Uупр = Uобр. Тоді Uкор стане рівно 0, і двигун зупиниться. Станеться це тоді, коли вал сервоприводу займе положення, що відповідає вхідному сигналу, що управляє Sупр.

Узагальним усе сказане. Вал сервоприводу механічно з'єднаний із ручкою потенціометра. Через це разом з поворотом сервоприводу валу повертається потенціометр, в результаті чого змінюється його опір і вихідна напруга Uобр. Відповідно, вихідна напруга з потенціометра Uобр прямо залежить від кута повороту сервоприводу. Одночасно вхідний сервопривод сигнал Sупр з тривалістю імпульсів від 0,001 до 0,002 секунди задає рівень напруги Uупр, яке визначає кут на який повинен повернутися вал сервопривода. Зупинка електродвигуна в момент, коли вал сервоприводу саме в потрібному положенні, досягається за рахунок віднімання сигналу Uупр сигналу зворотного зв'язку Uобр. А підсилювач етапу №3 необхідний для того, щоб на електродвигун подавалася посилена напруга та двигун переводив вал сервоприводу в задане положення максимально швидко.

Приклади керування серводвигуном

Як було сказано вище, для управління серводвигуном застосовується ШІМ з певними параметрами. Згенерувати таку ШІМ можна різними способами. Покажемо деякі з них.

1. Управління серводвигуном за допомогою 555 таймера . Мікросхема таймера 555 може працювати в режимі генератора імпульсів (докладніше про цю мікросхему читайте відповідну статтю). Отже можна підібрати такі параметри роботи цієї мікросхеми, щоб вона видавала потрібні нам імпульси. Шляхом зміни шпаруватості цих імпульсів, т. Е. Зміни тривалості імпульсів від 0,001 до 0,002 секунди, ми і будемо задавати кут повороту сервоприводу валу.

Для того щоб реалізувати ШІМ сигнал, необхідно використовувати схему з регульованою шпаруватістю імпульсів при незмінній частоті 50 Гц. Параметри компонентів на схемі (рис.6) підібрано таким чином, щоб забезпечити ці умови. Але щоб сигнал керування задовольняв всі умови, його необхідно інвертувати. Транзистор у схемі необхідний саме цього. Щоб керувати шпаруватістю в заданих межах, потрібен був би потенціометр на максимальний опір 20 кОм. Ми будемо використовувати два потенціометри по 10 кОм (оскільки саме такі потенціометри використовуються в Основному наборі 1-го рівня Евольвектор , де ця схема докладно описана. Робочий хід серводвигуна становить 180 градусів. У цьому випадку при обертанні ручки одного потенціометра сервопривід буде повертатись градусів, а за додаткового обертання іншого — на другі 90 градусів.

Малюнок 6

Більш докладно вивчити цю схему, а так само зібрати її, ви зможете купивши Основний набір 1-го рівня Евольвектор.

2. Управління серводвигуном за допомогою контролера. З генерувати потрібний сигнал ШІМ також можна за допомогою контролера. Наприклад, можна використовувати програмований контролер на платформі Ардуїно. Щоб максимально спростити програмування алгоритму управління серводвигуном (генерацію ШІМ), застосовуються заздалегідь написані програми, звані бібліотеками. Їхній складний програмний код прихований від користувача, пропонується лише виклик потрібних нам функцій за допомогою коротких команд при підключенні бібліотеки до нашої основної програми. Все це робить складне з алгоритмічного погляду управління такими пристроями як серводвигун вкрай простим і зручним.

Схема підключення, а такожСкетч (програма) для керування серводвигуном контролером Arduino показано малюнку 7.

Малюнок 7

УВАГА: Підключення живлення серводвигуна до плати безпосередньо, як у прикладі (рисунок 7), небажано. У нас на малюнку підключений один серводвигун з категорії «міні», що споживає дуже невеликі струми, через що він штатно працює, харчуючись безпосередньо від плати. Сервопривід стандартного розміру потребує більшої потужності, що може призвести до перегріву та пошкодження контролера. Підключення живлення двигунів слід здійснювати лише через окреме джерело, особливо якщо передбачається керування одночасно кількома сервоприводами.

#include<Servo .h>- Ця команда означає підключення бібліотеки для керування сервоприводом. Ця бібліотека є на диску Евольвектор, який поставляється разом з нашими наборами другого рівня. Також її можна знайти в інтернеті і покласти в папку «libraries» вашої Arduino IDE.
Підключена бібліотека має велику кількість команд, ми розглянемо тільки ті, які використовуються в програмі.

Servo dvig; - це оголошення змінної спеціального типу. dvig- це змінна (назву вибираємо довільно). Servo- це тип змінної (спеціальний тип, що задається у приєднаній бібліотеці). Можна встановити до 12 змінних цього типу, тобто для управління 12 серво-приводами. Іншими словами, цією командою ми повідомили платі, що у нас є сервопривід, який ми назвали dvig.
dvig.attach (9);- ця команда означає, що серво-привід ( dvig) приєднаний до 9 піну (висновку).
dvig.write (90); - ця команда змушує сервопривід ( dvig) повернутись у середнє положення (90 градусів).
dvig.write (0); - Повертає сервопривід у положення 0 градусів.
dvig.write (180); - Повертає сервопривід у положення 180 градусів.

Що означають решту рядків у програмі ви можете знайти на сторінках нашого сайту або дізнатися з навчальних посібників, які входять до складу

Сервоприводи та механізми оснащені датчиком, який відстежує певний параметр, наприклад, зусилля, положення або швидкість, а також керуючий блок у вигляді електронного пристрою. Завданням цього пристрою є підтримання необхідних параметрів в автоматичному режимі під час функціонування пристрою, залежно від виду сигналу, що надходить від датчика в певні періоди часу.

Пристрій та робота

Від звичайного електродвигуна сервопривід відрізняється тим, що можна встановити точне положення валу в градусах. Сервоприводи – це будь-які механічні приводи, які включають датчик деякого параметра і блок управління, який здатний автоматично підтримувати необхідні параметри, що відповідають певним зовнішнім значенням.

1 - Шестерні редуктора
2 - Вихідний вал
3 - Підшипник
4 - Нижня втулка
5 - Потенціометр
6 - Плата управління
7 - Гвинт корпусу
8 - Електродвигун постійного струму
9 - Шестерня електродвигуна

Для перетворення електричної енергії на механічний рух, необхідний . Приводом є редуктор із електродвигуном. Редуктор потрібний для зниження швидкості двигуна, так як швидкість занадто велика для застосування. Редуктор складається з корпусу, в якому розташовані вали з шестернями, здатними перетворювати і передавати момент, що крутить.

Шляхом запуску та зупинки електродвигуна можна приводити в рух вихідний вал редуктора, який пов'язаний з шестернею сервоприводу. До валу можна приєднувати пристрій чи механізм, яким потрібно керувати. Крім цього контролю стану валу потрібна наявність датчика зворотний зв'язок. Цей датчик може перетворити кут повороту знову на сигнал електричного струму.

Такий датчик отримав назву енкодера. Як енкодер може застосовуватися потенціометр. Якщо бігунок потенціометра повертатиме, то змінюватиметься його опір. Значення цього опору прямо пропорційно залежить від кута повороту потенціометра. Таким чином, є можливість домогтися встановлення певного положення механізму.

Крім вище названого потенціометра, редуктора та електродвигуна, сервоприводи оснащені електронною платою, яка обробляє сигнал зовнішнього значення параметра, що надходить від потенціометра, порівнює, і відповідно до результату порівняння запускає або зупиняє електродвигун. Тобто ця електронна начинка відповідає за підтримку негативного зворотного зв'язку.

Підключення сервопривода здійснюється трьома провідниками, два з яких подають живлення напругою електродвигуна, а по третьому провіднику надходить сигнал керування, за допомогою якого виконується встановлення положення двигуна.

Крім електродвигуна, грати роль приводу може й інший механізм, наприклад, пневматичний циліндр зі штоком. Як датчик зворотного зв'язку застосовують також датчики повороту кута, або . Керуючий блок є сервопідсилювачем, індивідуальним інвертором. Він може містити також датчик сигналу управління.

При необхідності створення плавного гальмування або розгону для запобігання надмірним динамічним навантаженням двигуна виконують схеми більш складних мікроконтролерів управління, які можуть контролювати позицію робочого елемента набагато точніше. Подібно виконано пристрій приводу установки позиції головок у комп'ютерних жорстких дисках.

Види сервоприводів

За необхідності створення керування кількома групами сервоприводів використовують контролери з ЧПУ, які зібрані на схемах програмованих логічних контролерів Такі сервоприводи здатні забезпечити момент, що крутить, 50 Н*м, потужністю до 15 кіловат.

Синхронніздатні задати швидкість обертання електродвигуна з великою точністю, як і прискорення і кут повороту. Синхронні види приводів можуть швидко досягати номінальної швидкості обертання.

Асинхронні здатні точно витримувати швидкість навіть дуже низьких оборотах.

Сервоприводи принципово поділяють на електромеханічні і електрогідромеханічні . Електромеханічні приводи складаються з редуктора та електродвигуна. Але їхня швидкодія виявляється набагато меншою. У електрогідромеханічних приводах рух створюється шляхом руху поршня в циліндрі, внаслідок чого швидкодія виявляється дуже високому рівні.

Характеристики сервоприводів

Розглянемо основні параметри, що характеризують сервоприводи:

Зусилля на валу.Цей параметр є моментом, що крутить. Це найважливіший параметр сервоприводу. У паспортних даних найчастіше вказується кілька значень моменту різних величин напруги.
Швидкість повороту також є важливим характеристикою. Вона вказується в еквіваленті часу, необхідному зміни позиції вихідного валу приводу на 60 градусів. Цей параметр також може вказуватися для кількох значень напруги.
Тип сервоприводів буває аналоговий чи цифровий.
Живлення .Основна частина сервоприводів функціонує на напрузі 48-72 вольта. Живлення подається найчастіше за трьома провідниками: білий – сигнал управління, червоний – напруга роботи, чорний – загальний провід.
Кут повороту – це найбільший кут, який вихідний вал здатний повернутися. Найчастіше цей параметр дорівнює 180 чи 360 градусів.
Постійного обертання . За потреби звичайний сервопривід можна модернізувати для постійного обертання.
Матеріал виготовлення Редуктор сервоприводів буває різним: карбон, метал, пластик, або комбінований склад. Шестерні, виконані з пластику, не витримують ударних навантажень, проте мають високу зносостійкість. Карбонові шестерні набагато міцніші за пластмасові, але мають високу вартість. Шестерні з металу здатні витримати значні навантаження, падіння, але мають низьку зносостійкість. Вихідний вал редуктора встановлюють по-різному на різних моделях: на втулках ковзання або на кулькових підшипниках.

Переваги

Легкість та простота установки конструкції.
Безвідмовність та надійність, що важливо для відповідальних пристроїв.
Не створюють шуму під час експлуатації.
Точність та плавність пересування досягається навіть на малих швидкостях. Залежно від поставленого завдання роздільна здатність може налаштовуватись працівником.

Недоліки

Складність у налаштуванні.
Підвищена ціна.

Застосування

Сервоприводи нині використовуються досить широко. Так, наприклад, вони застосовуються в різних точних приладах, промислових роботах, автоматах з виробництва друкованих плат, верстатах з програмним управлінням, різні клапани та засувки.

Найбільш популярними стали швидкодіючі приводи в авіамодельній справі. Серводвигуни мають гідність ефективності витрати електричної енергії, і навіть рівномірного руху.

На початку появи серводвигунів використовувалися колекторні триполюсні мотори з обмотками на роторі і з постійними магнітами на статорі. Крім цього, у конструкції двигуна був вузол з колектором та щітками. Далі, у міру технічного прогресу число обмоток двигуна збільшилося до п'яти, а момент обертання зріс, як і швидкість розгону.

Наступним етапом розвитку серводвигунів було розташування обмоток зовні магнітів. Цим знизили масу ротора, зменшили час розгону. У цьому вартість двигуна збільшилася. В результаті подальшого проектування серводвигунів було вирішено відмовитися від наявності колектора у пристрої двигуна. Почали застосовуватися двигуни з постійними магнітами ротора. Мотор став без щіток, ефективність його зросла внаслідок збільшення крутного моменту, швидкості та прискорення.

Останнім часом найпопулярнішими стали сервомотори, що працюють від програмованого контролера (Ардуїно). Внаслідок цього відкрилися великі можливості для проектування точних верстатів, роботобудування, авіабудування (квадрокоптери).

Так як приводи з моторами без колекторів мають високі функціональні характеристики, точне управління, підвищену ефективність, вони часто застосовуються в промисловому устаткуванні, побутовій техніці (потужні пилососи з фільтрами), і навіть у дитячих іграшках.

Сервопривід опалення

У порівнянні з механічним регулюванням системи опалення, електричні сервоприводи є найбільш досконалими та прогресивними технічними пристроями, що забезпечують підтримку параметрів опалення приміщень.

1 - Блок живлення
2 - Кімнатні термостати
3 - Комутаційний блок
4 - Серводвигуни
5 — Колектор, що подає
6 - Обхід
7 - Водяна тепла підлога
8 - Зворотний колектор
9 - Датчик температури води
10 - Циркулярний насос
11 - Кульовий клапан
12 - Регулювальний клапан
13 - Двохходовий термостатичний клапан

Привід системи опалення функціонує разом із термостатом, встановленим на стіну. Кран з електричним приводом монтується на трубі подачі теплоносія перед колектором теплої водяної підлоги. Далі виконується підключення живлення 220 вольт та налаштування терморегулятора робочого режиму.

Система керування оснащується двома датчиками. Один із них розташований у підлозі, інший у приміщенні. Датчики передають сигнали на термостат, що управляє сервоприводом, який з'єднаний із краном. Підвищити точність регулювання можна шляхом встановлення додаткового приладу зовні приміщення, оскільки умови клімату постійно змінюються, і впливають на температуру в кімнаті.

Привід механічно з'єднаний із клапаном для його керування. Клапани можуть бути дво- та триходовими. Двоходовий клапан може змінювати температуру води у системі. Триходовий клапан здатний підтримувати температуру незмінною, проте змінює споживання гарячої води, що подається в контури. У пристрої триходового клапана є два входи для гарячої води (труби подачі) та вихід зворотної води, через який подається змішана вода із заданою температурою.

Змішування води відбувається за допомогою клапана. При цьому здійснюється регулювання подачі теплоносія до колекторів. При відкритті одного входу інший починає закриватися, а витрата води на виході не змінюється.

Сервоприводи багажника

В даний час сучасні автомобілі найчастіше стали виробляти з функцією автоматичного відкриття багажника. Для такої мети застосовують розглянуту нами конструкцію сервоприводу. Автовиробники використовують два методи для оснащення такою функцією автомобіля.

Звичайно, пневмопривід багажника надійніший, проте його вартість досить висока, тому в автомобілях такий привід не знайшов застосування.

Електричний привід виконується з різними способами керування:

Рукоятка на кришці багажника.
Кнопка на панелі дверей водія.
З пульта сигналізації.

Відкривати багажник вручну не завжди зручно. Наприклад, взимку замок має властивість замерзати. Сервопривід додатково виконує функцію захисту автомобіля від чужого проникнення, оскільки поєднаний із пристроєм замка.

Такі приводи багажника використовуються на деяких імпортних автомобілях, проте можна встановити такий механізм і на вітчизняних машинах, було б бажання.

Існують приводи багажника з магнітними пластинами, проте вони не знайшли застосування, оскільки їхній пристрій досить складний.

Найбільш прийнятними за ціною є сервоприводи багажника, які виконують лише відкривання. Функція закривання для них недоступна. Також можна вибрати конструкцію моделі приводу, що має інерційний механізм. Він грає роль блокування у разі перешкоди під час руху багажника.

Дорогі моделі сервоприводів включають механізм підйому і опускання багажника, доводчика механізму замикання, датчиків і контролера. Зазвичай їх на автомобілях встановлюють на заводі, проте прості конструкції можна монтувати самостійно.

Електричні машини широко застосовують на електричних станціях, у промисловості, на транспорті, в авіації, в системах автоматичного регулювання та управління, у побуті. Електричні машини перетворять механічну енергію на електричну і навпаки, електричну енергію на механічну. Машина, що перетворює механічну енергію на електричну, називається генератором. Перетворення електричної енергії на механічну здійснюється двигунами.

Принцип дії електричних машин ґрунтується на використанні законів електромагнітної індукції та електромагнітних сил. Якщо магнітному полі полюсів постійних магнітів чи електромагнітів помістити провідник і під впливом будь-якої сили F1 переміщати його, то ньому виникає Э.Д.С. рівна: E = B · l · v, де В - магнітна індукція в місці, де знаходиться провідник, l - активна довжина провідника (та його частина, яка знаходиться в магнітному полі), v - швидкість переміщення провідника в магнітному полі.

Якщо цей провідник замкнути якийсь приймач енергії, то замкнутої ланцюга під впливом Э.Д.С. протікатиме струм, що збігається у напрямку з Е.Д.С. у провіднику. Внаслідок взаємодії струму I у провіднику з магнітним полем полюсів створюється електромагнітна сила Fе, напрямок якої визначається за правилом лівої руки; ця сила буде спрямована назустріч силі, яка переміщає провідник у магнітному полі. За рівності сил F1 = Fе провідник буде переміщатися з постійною швидкістю. Отже, в такій найпростішій електричній машині механічна енергія, що витрачається на переміщення провідника, перетворюється на електричну енергію, що віддається опору зовнішнього приймача енергії, тобто машина працює генератором.

Та сама проста електрична машина може працювати двигуном. Якщо від стороннього джерела електричної енергії через провідник пропустити струм, то в результаті взаємодії струму у провіднику з магнітним полем полюсів створюється електромагнітна сила Ре, під дією якої провідник почне переміщатися в магнітному полі, долаючи силу гальмування будь-якого механічного приймача енергії. Таким чином, розглянута машина так само, як і будь-яка електрична машина, оборотна, тобто може працювати як генератором, так і двигуном.

На збільшення Е.Д.С. та електромеханічних сил електричні машини забезпечуються обмотками, що складаються з великої кількості проводів, які з'єднуються між собою так, щоб Е.Д.С. у них мали однаковий напрямок та складалися. Е.Д.С. у провіднику буде індуктована також у тому випадку, коли провідник нерухомий, а переміщається магнітне поле полюсів.

Асинхронні двигуни – найпоширеніші електричні машини. В основному вони використовуються як електродвигуни і є основними перетворювачами електричної енергії на механічну.

Асинхронний двигун має статор (нерухома частина) та ротор (рухлива частина), розділені повітряним зазором, ротор кріпиться на підшипниках. Активними частинами є обмотки; решта - конструктивні, що забезпечують необхідну міцність, жорсткість, охолодження, можливість обертання тощо.

За конструкцією ротора асинхронні машини поділяють на два основні типи: з короткозамкненим ротором і фазним ротором. Обидва типи мають однакову конструкцію статора та відрізняються лише виконанням обмотки ротора. Магнітопровід ротора виконується аналогічно магнітопровід статора - з електротехнічної сталі та шихтованим. Фазний ротор використовують, коли необхідно створити великий пусковий момент. До ротора підводять струм і в результаті виникає магнітний потік необхідний для створення моменту.

На обмотку статора подається напруга, під дією якого по цих обмотках протікає струм і створює магнітне поле, що обертається. Магнітне поле впливає на стрижні ротора і за законом магнітної індукції виникає електричний струм, оскільки змінюється магнітний потік, що проходить через замкнутий контур ротора. Струми в стрижнях ротора створюють власне магнітне поле стрижнів, які вступають у взаємодію з магнітним полем статора, що обертається. В результаті на кожен стрижень діє сила, яка складаючись по колу створює обертовий електромагнітний момент ротора через те, що індукційний струм, що виникає в замкнутому контурі ротора, має такий напрямок, що створюване ним магнітне поле протидіє зміні магнітного потоку, яким був викликаний цей струм. Отже, і виникає обертання.

Частота обертання ротора неспроможна досягти частоти обертання магнітного поля, оскільки у разі кутова швидкість обертання магнітного поля щодо обмотки ротора стане рівної нулю, магнітне полі перестане індукувати в обмотці ротора Э.Д.С. і, у свою чергу, створювати крутний момент.

Синхронні двигуни

Синхронний двигун не має важливих конструктивних відмінностей від асинхронних. На статорі синхронного двигуна поміщається трифазна обмотка, при включенні якої в мережу трифазного змінного струму буде створено магнітне поле, що обертається, число обертів за хвилину якого n = 60f/p, де f - частота напруги живлення приводу. На роторі двигуна вміщена обмотка збудження, що входить до мережі джерела постійного струму. Або ротор виконаний із постійного магніту. Струм збудження створює магнітний потік полюсів або у разі постійного магніту, магнітний потік вже створений. Магнітне поле, що обертається, отримане струмами обмотки статора, захоплює за собою полюси ротора. При цьому ротор може обертатися тільки із синхронною швидкістю, тобто зі швидкістю, що дорівнює швидкості обертання поля статора. Таким чином, швидкість синхронного двигуна суворо стала, якщо незмінна частота струму мережі живлення.

Перевагою синхронних двигунів є менша, ніж у асинхронних, чутливість до зміни напруги мережі живлення. У синхронних двигунів крутний момент пропорційний напрузі мережі в першому ступені, тоді як у асинхронних - квадрату напруги. Обертальний момент синхронного двигуна створюється в результаті взаємодії магнітного поля статора з магнітним полем полюсів. Від напруги мережі живлення залежить тільки магнітний потік поля статора.

Крокові двигуни

Крокові двигуни - це електромеханічні пристрої, що перетворюють сигнал керування на кутове (або лінійне) переміщення ротора з фіксацією його в заданому положенні без пристроїв зворотного зв'язку. По суті, кроковий двигун є синхронним, але відрізняється підходом управління. Розглянемо найпоширеніші.

Двигуни з постійними магнітами

Двигуни з постійними магнітами складаються зі статора, який має обмотки, та ротора, що містить постійні магніти. Полюси ротора, що чергуються, мають прямолінійну форму і розташовані паралельно осі двигуна. Завдяки намагніченості ротора в таких двигунах забезпечується більший магнітний потік і, як наслідок, більший момент, ніж у двигунів зі змінним магнітним опором. Такий двигун має величину кроку 30 °. При включенні струму в одній з котушок, ротор прагне зайняти таке положення, коли різноіменні полюси ротора і статора знаходяться один навпроти одного. Для безперервного обертання потрібно включати фази поперемінно. Насправді двигуни з постійними магнітами зазвичай мають 48-24 кроку на оборот (кут кроку 7,5-15°). Двигуни з постійними магнітами схильні до впливу зворотної Е.Д.С. з боку ротора, що обмежує максимальну швидкість.

Гібридні двигуни

Є дорожчими, ніж двигуни з постійними магнітами, зате вони забезпечують меншу величину кроку, більший момент та більшу швидкість. Типова кількість кроків на оборот для гібридних двигунів становить від 100 до 400 (кут кроку 3,6-0,9 °). Ротор гібридного двигуна має зубці, розташовані в осьовому напрямку. Ротор розділений на дві частини, між якими розташований постійний циліндричний магніт. Таким чином, зубці верхньої половинки ротора є північними полюсами, а зубці нижньої половинки – південними. Крім того, верхня та нижня половинки ротора повернені одна щодо одної на половину кута кроку зубців. Число пар полюсів ротора дорівнює кількості зубців на одній з його половинок. Зубчасті полюсні наконечники ротора, як і статор, набрані з окремих пластин зменшення втрат на вихрові струми. Статор гібридного двигуна також має зубці, забезпечуючи велику кількість еквівалентних полюсів, на відміну основних полюсів, на яких розташовані обмотки. Зазвичай використовуються 4 основних полюси для 3,6 ° двигунів і 8 основних полюсів для 1,8-0,9 ° двигунів. Зубці ротора забезпечують менший опір магнітного ланцюга у певних положеннях ротора, що покращує статичний та динамічний момент. Це забезпечується відповідним розташуванням зубців, коли частина зубців ротора знаходиться навпроти зубців статора, а частина між ними. Залежність між числом полюсів ротора, числом еквівалентних полюсів статора та числом фаз визначає кут кроку S двигуна:

S = 360/(Nph × Ph) = 360/N,

де Nph - число еквівалентних полюсів на фазу, що дорівнює числу полюсів ротора,
Ph – число фаз,
N – повна кількість полюсів для всіх фаз разом.

Сервопривід

Сервопривод - загальна назва приводу, синхронного, асинхронного або будь-якого іншого, з негативним зворотним зв'язком за становищем, моментом та ін параметрами, що дозволяє точно управляти параметрами руху. Сервопривід – це комплекс технічних засобів. Склад сервоприводу: привід - наприклад, електромотор, датчик зворотного зв'язку - наприклад, датчик кута повороту вихідного валу редуктора (енкодер), блок живлення та управління (він же перетворювач частоти \ сервопідсилювач \ інвертор \ servodrive). Потужність двигунів: від 0,05 до 15 квт.

Існує поняття "вентильний двигун". Це лише назви для двигуна, управління яким здійснюється через «вентилі» - ключі, перемикачі і т. п. комутаційні елементи. Сучасними «вентилями» є IGBT-транзистори, що використовуються в блоках керування приводами. Жодної конструктивної відмінності немає.

Основною перевагою сервоприводів є наявність зворотного зв'язку, завдяки якій така система може підтримувати точність позиціонування на високих швидкостях та високих моментах. Також систему відрізняє низькоінерційність і високі динамічні характеристики, наприклад, час перемикання від швидкості –3 000 об/хв до досягнення 3 000 об/хв становить всього 0,1 с. Сучасні блоки управління є високотехнологічними виробами зі складною системою управління та можуть забезпечити виконання практично будь-якого завдання.

Характеристики системи сервоприводу розглянемо, ґрунтуючись на сервоприводах фірми Delta elc. Серії блоку керування ASDA-Aта двигуном 400 Вт.

Як видно, підтримка моменту лінійна на всьому діапазоні швидкостей. Це досягається завдяки використанню синхронного двигуна у високоякісному виконанні.

Величина кроку переміщення визначається роздільною здатністю датчика зворотного зв'язку, енкодера, а також блоком управління. Стандартні сервоприводи можуть забезпечити крок 0,036° тобто 1/10 000 від обороту, і це на швидкостях до 5 000 об/хв.

Найсучасніші сервоприводи відпрацьовують крок в 1/2500000.



Надійність	Крокові двигуни мають високу надійність, тому що в їх конструкції відсутні деталі, що зношуються. Робочий ресурс двигуна залежить від ресурсу застосованих у ньому підшипників.	Більшість сучасних безколекторних сервоприводів від відомих виробників (Mitsubishi, Siemens, Omron, Delta) відрізняються високою надійністю, часом порівнянною з надійністю крокових двигунів, навіть незважаючи на значно складніший пристрій сервоприводу.
Ефект втрати кроків	Всім кроковим двигунам властива властивість втрати кроків. Цей ефект проявляється в деякому неконтрольованому зміщенні траєкторії переміщення інструменту від необхідної траєкторії. При виготовленні простих деталей, що мають малу довжину траєкторії переміщення інструменту і при невисоких вимогах до виробу, здебільшого даним ефектом можна знехтувати. Але при обробці складних виробів (прес-форми, різьблення тощо), де довжина траєкторії може досягати кілометрів!, даний ефект у більшості випадків призводитиме до невиправного шлюбу. Цей ефект проявляється при виході за допустимі характеристики двигуна, при неправильному керуванні двигуном, а також при проблемах з механікою. Застосування сучасних технологій управління кроковими двигунами, із застосуванням сучасної електроніки, дозволяє повністю усунути цей ефект, але вартість зростає.	Ефекту втрати кроків у сервоприводів повністю немає. Тому, що в кожному сервоприводі є датчик положення (енкодер), який постійно відстежує положення ротора двигуна і при необхідності видає команди корекції положення, на підставі яких електроніка, що управляє, проаналізувавши дані, отримані з енкодера, виробляє необхідні сигнали управління на двигун. Цей механізм називається зворотним зв'язком.
Швидкість переміщення	При використанні крокових двигунів у приводах подач у верстатах з ЧПУ можна досягти швидкості 150-300 мм/сек (буває і більше, але це вже «екзотика»). При максимальних швидкостях та при перевищенні допустимого навантаження можливий прояв ефекту втрати кроків.	Приводи подач верстатів із ЧПУ на основі серводвигунів дозволяють досягати високих швидкостей. Швидкість холостого переміщення 0,5-1 м/с є звичайним явищем для сервоприводів.
Динамічна точність (Динамічна точність – максимальне відхилення реальної траєкторії переміщення інструменту від запрограмованої)	Динамічна точність є визначальною характеристикою при обробці складноконтурних виробів (прес-форми, різьблення тощо). Крокові двигуни відзначаються високою динамічною точністю, яка є наслідком принципів роботи крокового двигуна. Зазвичай, на хорошій механіці, неузгодженість не перевищує 20 мкм (1 мкм = 0,001 мм)	Високоякісні сервоприводи мають високу динамічну точність до 1-2 мкм та вище! (1 мкм = 0,001 мм). Для отримання високої динамічної точності необхідно застосовувати сервоприводи, призначені для контурного керування, які відпрацьовують задану траєкторію.
Вартість	У крокових двигунах застосовуються дорогі рідкісноземельні магніти, а також ротор і статор виготовляються з прецизійною точністю, і тому порівняно із загальнопромисловими електродвигунами крокові двигуни мають більш високу вартість.	Застосування дорогого датчика положення ротора, а також застосування досить складного блоку керування обумовлює значно більшу вартість, ніж у крокового двигуна.
Вартість систем для створення моменту 2 Нм	Гібридний кроковий двигун з кроком 1,8 ° - 12 000 грн.	Привід з енкодером забезпечує крок 0,036°, максимальну швидкість 3 000 об/хв - 12 704 р.
	Блок управління – 9 600 р.	Блок управління – 13 000 р.
Ремонтопридатність	У крокового двигуна може вийти з ладу тільки обмотка статора, а її заміну може зробити тільки виробник двигуна, тому що якщо двигун навіть тільки розібрати і знову зібрати, він вже не працюватиме! Тому, що при розбиранні двигуна відбувається розрив магнітних ланцюгів усередині двигуна та відбувається розмагнічування магнітів. Тому після збирання двигуна потрібно намагнічування внутрішніх магнітів на спеціальній установці.	Пошкоджений серводвигун здебільшого простіше замінити, ніж ремонтувати. Ремонт в основному піддають тільки потужні двигуни, що мають дуже високу вартість.
Зіткнення з перешкодою	Зіткнення рухомих вузлів верстата з перешкодою, внаслідок якого відбувається зупинка крокового двигуна, не викликає у нього будь-яких пошкоджень.	У верстаті на базі сервоприводів, при зіткненні рухомих вузлів з перешкодою, електроніка, що управляє, визначає, що сталося підвищення навантаження і для компенсації підвищеного навантаження підвищує рівень струму, що подається на двигун. При повній примусовій зупинці серводвигун подається максимальний струм. Тому, якщо керуюча електроніка не відстежує подібну ситуацію, можливо згоряння двигуна.
Переваги	Висока надійність Відносно низька ціна	Високі динамічні характеристики Відсутність ефекту втрати кроків Висока перевантажувальна здатність
Недоліки	Падіння крутного моменту на високій швидкості Низька ремонтопридатність Можливість ефекту втрати кроків	Висока ціна, наслідок використання складної системи керування Низька ремонтопридатність Потрібне більш дбайливе ставлення до двигуна

Висновок:Сервопривід та кроковий двигун не є конкурентами, а кожен займає свою певну нішу. Порівняємо їх на основі ринку верстатів із ЧПУ. Застосування крокових двигунів є цілком виправданим для застосування в недорогих верстатах з ЧПУ (у ціновій категорії до 10-12 тис. USD), призначених для обробки дерева, пластиків, ДСП, МДФ, легких металів та інших матеріалів середньої швидкості.

Застосування високоякісних сервоприводів необхідне високопродуктивному обладнанні, де головним критерієм є продуктивність. Єдиний "недолік" гарного сервоприводу - це його висока вартість. Наприклад, верстат ATS-760 на крокових приводах коштує 11 000 доларів, а ця ж модель, але на сервоприводах коштує 17 500 доларів. Однак можливості отримання високостабільного або точного управління, широкий діапазон регулювання швидкості, висока стійкість до перешкод, малі габарити і вага часто є вирішальними факторами їх застосування. Досягши однакових якостей від сервоприводу та крокового їх вартості стануть порівнянними за однозначного лідерства сервоприводу.

Що таке кроковий електродвигун та принцип його роботи:

Кроковий електродвигун - це синхронний безщітковий електродвигун з кількома обмотками, в якому струм, що подається в одну з статора обмоток, викликає фіксацію ротора. Послідовна активація обмоток двигуна викликає дискретні кутові переміщення (кроки) ротора.

Крокові двигуни можна зарахувати до групи безколекторних двигунів постійного струму. Крокові двигуни мають високу надійність і великий термін служби, що дозволяє використовувати їх в індустріальних застосуваннях. При збільшенні швидкості двигуна, зменшується момент, що обертається.
Крокові двигуни роблять більше вібрації, ніж інші типи двигунів, оскільки дискретний крок має тенденцію вистачати ротор від положення до іншого. За рахунок цього кроковий двигун під час роботи дуже галасливий. Вібрація може бути дуже сильною, що може призвести двигун до втрати моменту. Це з тим, що вал перебуває у магнітному полі і поводиться як пружина. Крокові двигуни працюють без зворотного зв'язку, тобто не використовують ендодер або резольвери для визначення положення.
Типи:
Існує чотири основні типи крокових двигунів:

Крокові двигуни з постійним магнітом
Гібридний кроковий двигун
Двигуни зі змінним магнітним опором
Біполярні та уніполярні крокові двигуни

Переваги Крокового двигуна:

Стійкий у роботі
Працює у широкому діапазоні фрикційних та інерційних навантажень та швидкостей, швидкість пропорційна частоті вхідних імпульсів.
Немає необхідності у зворотному зв'язку
Набагато дешевше за інші типи двигунів
Підшипники – єдиний механізм зносу, за рахунок цього тривалий термін експлуатації.
Чудовий момент, що крутить, при низьких швидкостях або нульових швидкостях
Може працювати з великим навантаженням без використання редукторів
Двигун не може бути пошкоджений механічним навантаженням
Можливість швидкого старту, зупинки, реверсування

Головною перевагою крокових приводів є точність. При подачі потенціалів на обмотки кроковий двигун повернеться строго на певний кут. Кроковий привід можна прирівняти до недорогої альтернативи сервоприводу, він найкраще підходить для автоматизації окремих вузлів і систем, де не потрібна висока динаміка.

Недоліки крокового двигуна:

Постійне споживання енергії, навіть при зменшенні навантаження та без навантаження
У крокового двигуна існує резонанс
Через те, що немає зворотного зв'язку, можна втратити становище руху.
Падіння крутного моменту на високій швидкості
Низька ремонтопридатність

Застосування.
Крокові двигуни мають велику сферу застосування в машинобудуванні, верстатах ЧПУ, комп'ютерній техніці, банківських апаратах, промисловому обладнанні, виробничих лініях, медичному обладнанні і т.д.

Що таке серво-двигун і принцип його роботи:

Серводвигунаділяться на категорії щіткові (колекторні) та без щіткові (без колекторні). Щіточні (колекторні) серводвигуни можуть бути постійного струму, без колекторні серводвигуни можуть бути постійного та змінного струму. Серводвигуни зі щітками (колекторні), мають один недолік кожні 5000 годин, необхідна заміна щіток. На серводвигун завжди є зворотний зв'язок, це може бути енкодер або резольвером. Зворотній зв'язок необхідний, щоб досягти необхідної швидкості або отримати потрібний кут повороту. У випадках високих навантажень і якщо швидкість виявиться нижчою за потрібну величину, струм піде на збільшення, поки швидкість не досягне потрібної величини, якщо сигнал швидкості покаже, що швидкість більша, ніж потрібно, струм піде на зменшення. При використанні зворотного зв'язку за положенням, сигнал про положення можна використовувати щоб зупинити двигун після того, як ротор двигуна наблизиться до потрібного кутового положення.
АС серводвигун- Двигун змінного струму. У ціноутворенні двигун змінного струму дешевше двигуна постійного струму. За принципом роботи ці двигуни поділяються на синхронні та асинхронні двигуни та колекторні.
У синхронних двигунах змінного струму ротор і магнітне поле обертається синхронно з однаковою швидкістю і в одному напрямку зі статором, а в асинхронних двигунах змінного струму ротор обертається несинхронно по відношенню з магнітним полем. В асинхронному двигуні через відсутність колектора (щітки) регулювання обертів відбувається за рахунок зміни частоти та напруги.

DC серводвигунь – двигун постійного струму.
Серводвигуни постійного струму через свої динамічні якості можуть бути використані приводом безперервної дії. Серводвигуни постійного струму можуть постійно працювати в режимах старт, зупинка та працювати в обох напрямках обертання. Оберти і крутний момент, що розвивається, можна змінювати шляхом зміни величини напруги струму живлення або імпульсами.

Переваги серводвигунів:

При малих розмірах двигуна можна отримати високу потужність
Великий діапазон потужностей
Відстежується положення за рахунок використання зворотного зв'язку
Високий крутний момент щодо інерції
Можливість швидкого розгону та гальмування
При високій швидкості, високий крутний момент
Допустима межа шуму при високих швидкостях
Повна відсутність резонансу та вібрації
Точність позиціонування
Широкий діапазон регулювання швидкості.
Точність підтримки швидкості та стабільність крутного моменту.
Високий статичний момент Мо при нульовій швидкості обертання.
Висока здатність навантаження: Mmax до 3.5Mo, Imax до 4Io
Малий час розгону та гальмування, високе прискорення (зазвичай > 5 м/с 2).
Мінімальний момент інерції двигуна, низька вага, компактні розміри.

Приклад роботи двигуна:
На цьому прикладі я перекажу вам принцип роботи серводвигуна. Після того, як ви згенерували керуючу програму, вона створюється в системі G-кодів, тобто ваша лінія, коло або будь-який створений вами об'єкт конвертується в переміщення координатами X, Y, Z на певну відстань. За відстань відповідають імпульси, що подаються через блок керування двигуном. При переміщенні будь-якої осі, наприклад на 100 мм, драйвер (блок управління) подає певну напругу на двигун, вал двигуна (ротор). Вал двигуна з'єднаний з ходовим гвинтом (ШВП), обертання обертів двигуна відстежується енкодер. При обертанні ходового гвинта по будь-якій осі, тому що при використанні серво, енкодери (зворотний зв'язок) встановлюються на тих осях, де ви хочете визначити положення, на енкодер подаються імпульси, які зчитуються системою управління ЧПУ. Системи ЧПУ програмуються так, що не розуміють, що, наприклад, для переміщення на 100 мм необхідно отримати певну кількість імпульсів. Поки що система ЧПУ не отримає потрібну кількість імпульсів на вхід драйвера (блоку управління) буде подаватися напруга завдання (узгодження). Коли портал верстата проїде задані 100 мм, система ЧПУ отримає необхідну кількість імпульсів і напруга на вході драйвера впаде до 0, і двигун зупиниться. Прошу вас зауважити, що перевага зворотного зв'язку в тому, що якщо з якоїсь причини відбудеться зміщення порталу верстата, енкодер відправить на систему управління необхідну кількість імпульсів, для подачі потрібної напруги на узгодження драйвера (блоку управління), і двигун змінить кут. Для того, що розбіжність дорівнювала 0, це допомагає утримувати верстат в заданій точці з високою точністю. Не всі типи двигунів здатні забезпечувати динаміку розгону, необхідний крутний момент і т.п.

Порівняльна характеристика за основними параметрами
	Крокові двигуни	Серво двигуна
Термін експлуатації та обслуговування	Крокові двигуни – немає щіток, це збільшує термін експлуатації багато років, єдиним слабким місцем є підшипники, можуть працювати у великому діапазоні високих температур. Термін експлуатації в рази довше за будь-який тип двигуна.	З усіх видів серво двигунів, найдешевші це двигуни колекторного типу (зі щітками), вони менш надійні, ніж крокові двигуни і вимагають заміни щіток приблизно через 5000 годин безперервної роботи. Інший тип безколекторних сервоприводів виробляються як і крокові двигуни, відсутність щіток збільшує термін експлуатації, але не зменшує вартість ремонту. У деяких випадках простіше та дешевше купити новий двигун, а не намагатися його відремонтувати.
	Дуже важко пошкодити та зносити підшипник. Як і в будь-якому двигуні, можливе пошкодження обмотки двигуна. Із низької ціни простіше купити новий кроковий двигун.	У деяких випадках простіше та дешевше купити новий двигун, а не намагатися його відремонтувати.
Точність переміщень	При використанні точних механізмів може бути не нижче +/- 0.01 мм.	сервоприводи мають високу динамічну точність до 1-2мкм та вище (1 мкм = 0.001 мм)
Швидкість переміщення	У лазерно-гравіювальних верстатах швидкість 20 – 25 метрів за хвилину. Якщо ми говоримо про фрезерні верстати ЧПУ з важкими порталами та балками. Максимальна швидкість руху до 9 м/хв.	З використанням сервоприводів у верстатах з ЧПУ можливе досягнення швидкостей до 60 м/хв за використання високосортної механіки.
Швидкість розгону	до 120 об/хв за секунду	до 1000 об/хв за 0,2 секунди
Втрата кроків при підвищенні швидкості та навантаження	При високих швидкостях та високих навантаженнях відбувається втрата кроків. Ця проблема можлива при вплив зовнішніх чинників: ударів, вібрацій, резонансів тощо.	У серво двигунів є зворотний зв'язок, що повністю виключає втрату кроків.
Примусова зупинка (зіткнення з перешкодою)	Примусова зупинка крокового двигуна не викликає у нього жодних пошкоджень	У разі примусової зупинки серводвигуна драйвер мотора повинен правильно зреагувати на дану зупинку. В іншому випадку по зворотному зв'язку подається сигнал на доопрацювання не пройденої відстані, підвищується струм на обмотках, двигун може перегрітися і згоріти!
Різниця в ціні	За ціною кроковий двигун набагато дешевше за свого товариша серво двигуна.	Мінімум в 1,5 разів дорожчий за кроковий двигун.

Кожен тип двигуна призначений для свого завдання.У деяких випадках потрібно використовувати кроковий двигун, а для деяких завдань необхідно використовувати тільки серводвигун. У фрезерних верстатах ЧПУ широко використовуються обидва типи двигунів, просто у кожного є свої завдання, і іноді не доцільно переплачувати за серво, при невеликих обсягах виробництва.

Підіб'ємо рису порівняння серводвигунів і крокових двигунів:

Як і було сказано раніше, кроковий двигун не може вам дати високу швидкість і потужність і тому одне з його застосувань – у верстатах ЧПУ недорого сегмента, наприклад фрезерних деревообробних верстатах з ЧПУ «АртМайстер» 2112, 2515, 3015 базової комплектації. Цей вид верстатів на середній швидкості покриє великий асортимент робіт: обробки дерева, пластику, ДСП, МДФ, легких металів та інших матеріалів.

Якщо вас не влаштовують швидкісні характеристики, Вам необхідно розглянути фрезерні деревообробні верстати з ЧПУ «АртМастер» 2112, 2515, 3015 (авт.) і високошвидкісний фрезерний деревообробний верстат «АртМастер 3015 Racer».

Ви завжди повинні для себе розуміти, що сервомотори дозволяють вам економити час на холостих переходах, при цьому ви не повинні забувати правильно оптимізувати кількість проходів. Швидкість фрезерування завжди залежить від потужності різального інструменту (електрошпінделя) та типу фрези. Ми не зможете отримати хорошу швидкість фрезерування за низької якості інструменту. Ви отримаєте або шлюб у виробі, або Вам потрібна постійна заміна ріжучого інструменту. Тобто при використанні високих швидкостей, при обробці матеріалу ви не повинні забувати про якість і тип

Зараз 43 гостей та жодного зареєстрованого користувача на сайті

У роботі фрезерів використовуються два типи двигуна: кроковий - електромеханічний пристрій, що перетворює сигнали на кутове переміщення ротора з фіксацією в заданому положенні. І серводвигуни - мають зворотний зв'язок, і якими можна керувати через ланцюг контролера шляхом збільшення та зменшення струму. Крокові мають меншу потужність і швидкість, і значно дешевші за серводвигуни.

Як правило, кроковий електродвигун - це електромеханічний пристрій, який перетворює сигнали управління на кутове переміщення його ротора з якісною фіксацією в заданому положенні. Сьогодні сучасні крокові двигуни (ШД), по суті, є синхронними двигунами, що не мають пускової обмотки на роторі, що відповідно пояснюється частотним пуском самого ШД. Послідовна активація обмоток двигуна породжує дискретні кутові переміщення (тобто кроки) ротора. Відмінна риса цих двигунів - це можливість без датчика зворотного зв'язку здійснювати позиціонування за положенням.

Кроковий двигун належить до класу про «безколекторних» двигунів постійного струму. Такі двигуни як безпосередньо і будь-які інші безколекторні електричні машини, мають досить високу надійність і вельми значний термін служби, що в свою чергу дозволяє застосовувати їх у різних індустріальних сферах. Якщо порівнювати звичайні електродвигуни постійного струму з кроковими двигунами, то останні вимагають складніших схем управління, що виконують всі комутації обмоток.

Сьогодні існують три основні типи/види крокових двигунів:

Гібридні двигуни - найчастіше використовуються у фрезерних верстатах з числовим програмним управлінням.
Двигуни із постійними магнітами.
Двигуни, що мають змінний магнітний опір.

Гібридні крокові двигуни

Вважається, що гібридні двигуни поєднують у собі найкращі риси ШД із змінним магнітним опором, а також двигунів із постійними магнітами. У гібридного двигуна ротор має зубці, які розташовані в осьовому напрямку. Крокові гібридні двигуни забезпечують меншу величину кроку, більшу швидкість і більший момент, ніж двигуни інших типів/видів. Зазвичай кількість кроків для гібридних двигунів може становити від 100 до 400 (при цьому кут кроку 3.6 – 0.9о).

Будова крокових двигунів

Кроковий електричний двигун складається зі статора, де розташовані обмотки збудження (тобто котушки електромагнітів) і відповідно ротора з постійними магнітами (також використовуються ротори зі змінним магнітним опором – але рідше). ШД з магнітним ротором дозволяють забезпечувати фіксацію ротора при знеструмлених обмотках і отримувати більший момент, що крутить. Саме завдяки цьому крокові двигуни досить часто застосовуються в верстатах з ЧПУ.

Досить висока температура, яка створена в котушках, здатна легко розсіятися через масу самого двигуна, таким чином, крокові електродвигуни від нагрівання менш схильні до пошкоджень.

Принципи роботи крокового двигуна

Як правило, відповідно до того, які саме котушки статора вимкнені або включені, ротор обертатиметься, щоб «підлаштуватися» до магнітного поля. Наприклад, якщо уявити ШД з двома котушками в статорі, а як ротор постійний магніт, то коли відповідні котушки статора досить збуджені, постійно намагнічений ротор обов'язково повернеться, щоб з магнітним полем статора «вишикуватися» в лінію. Ротор залишиться в цьому положенні, якщо поле не обертається відповідно.

Коли до цієї котушки не надходитиме енергія, а буде спрямована безпосередньо до наступної котушки, то ротор знову повернеться, щоб підлаштуватися до поля нової позиції. При цьому абсолютно кожен поворот обов'язково відповідає куту кроку, який, у свою чергу, може змінитися від 180о до частки градуса (тобто до 60о). Потім, коли друга котушка вимкнена, включається наступна. Це змусить повернутися ротор на наступний крок, причому в тому ж напрямку. Цей процес триває доти, доки одна котушка вмикається, а відповідно інша вимикається.

Послідовність шести кроків поверне ротор у той самий стан, яке було на початку послідовності. Тепер якщо уявити, що при завершенні першого кроку замість включення однієї котушки і вимкнення другої – обидві котушки були б включені. У такому випадку, ротор повернеться лише на 30о (тобто всього на половину від 60о), щоб вирівнятися у напрямку найменшого опору. Таким чином, якщо перша котушка включена, тоді як друга вимкнена, ротор повинен повернутися ще на 30о. Називається це дією півкроку, що безпосередньо включає послідовність восьми рухів.

Під час протилежної послідовності вимикань/вмикань, ротор здійснюватиме обороти у протилежному напрямку. У промисловості найбільш застосовний саме кроковий мотор, який просувається на кут від 1.8о до 7.5,о при повному кроці. Для того щоб зменшити розмір кроків, число полюсів необхідно збільшити. Однак при цьому є фізична межа, скільки безпосередньо полюсів можна використовувати.

Щоб знизити дискретність переміщення ротора ШД, застосовується, як правило - мікрокроковий режим. Саме мікрокрок реалізується при автономному управлінні струмом обмоток крокового двигуна. Керуючи співвідношенням струмів, що знаходяться в обмотках, ротор можна зафіксувати між кроками в проміжному положенні. Таким чином можна збільшити плавність обертання ротора, а також досягти високої точності позиціонування. Крім того, в мікрокроковому режимі роздільну здатність можна отримати в 51200 крок/про, що позитивно позначиться на роботі обладнання загалом.

Механічна характеристика крокового двигуна

Дуже важливою особливістю ШД є, звісно ж, їхня механічна характеристика.

Управління кроковим приводом

Управління кроковим двигуном у найзагальнішому вигляді зводиться до завдання відпрацювати обумовлену кількість кроків у потрібному напрямку та з необхідною швидкістю.

На блок керування крокового двигуна (тобто драйвер) подаються певні сигнали "зробити крок" - "задати напрямок". Ці сигнали є ніщо інше як – імпульси 5В.

Дані імпульси можна отримати безпосередньо від комп'ютера, наприклад, від LPT-порту, від спеціалізованого контролера управління кроковими приводами або задавати сигнали незалежно від генератора 5В або джерела живлення.

Як правило, роботою ШД управляє електронна схема, яке живлення виконується від джерела постійного струму. ШД використовують для управління частотою обертання, щоб не застосовувати дорогий контур зворотного зв'язку. Цей привід застосовується у приводі виключно з розімкненим ланцюгом.

Серводвигуни

Серводвигун - це безпосередньо двигун із зворотним зв'язком, яким можна керувати, щоб або досягти необхідної швидкості (отже, крутного моменту) або отримати необхідний кут повороту. Саме для цієї мети пристрій зворотного зв'язку посилає певні сигнали ланцюг контролера серводвигуна, повідомляючи про швидкість і відповідно кутовому положенні. Якщо в результаті найбільш високих навантажень швидкість виявиться набагато нижчою від необхідної величини, то струм буде збільшуватися поки швидкість не досягне потрібної величини. Коли сигнал швидкості показує, що вона більша, ніж необхідно, то струм відповідно зменшується. Якщо ж за положенням застосовано зворотний зв'язок, то сигнал про нього використовується, щоб зупинити двигун у той момент, коли безпосередньо ротор наблизиться до необхідного кутового положення.

Для цього можуть використовуватися різні типи/види датчиків, включаючи пристрої, що кодують, наприклад, такі як: потенціометри, тахометри і резольвери. Якщо застосовується датчик положення типу кодуючого пристрою або потенціометра, його сигнал може бути диференційований для того, щоб виробити певний сигнал про швидкість.

На сьогоднішній день сервоприводи використовуються у високопродуктивному обладнанні, наприклад, у таких виробничих галузях як: виготовлення різних будматеріалів, напоїв, упаковки, поліграфії та підйомно-транспортної техніки. Також останнім часом спостерігається тенденція до множення частки сервоприводів у харчовій промисловості та деревообробці.

Вирішальним фактором використання сервоприводів є не тільки висока динаміка, але і можливість отримати високостабільне або точне управління, широкий діапазон регулювання швидкості, малі габарити і вага, а також перешкодостійкість.

Принципи роботи серводвигуна

Серводвигуни функціонують разом із пристроями, які називаються перетворювачами (приводи або драйвера серводвигунів). Дані перетворювачі змінюють напругу на обмотці збудження (або якорі) сервомотора залежно від безпосередньої величини напруги на вході самого двигуна. Уся ця система, як правило, керується стійкою ЧПУ (СNC). Далі схематично представлена система із сервомотором. Безпосередньо під "підсилювачем" розуміється драйвер серводвигуна.

Наприклад, у програмі, яка закладена у стійці ЧПУ, є особлива команда «на відстань в 10 мм - переміститися по осі Y». На вхід драйвера сервомотора зі стійки ЧПУ подається певна напруга. Серводвигун починає обертати ходовий гвинт, з'єднаний з енкодером і порталом верстата (тобто частина, що переміщається зі шпинделем). При обертанні ходового гвинта енкодер виробляє певні імпульси, які підраховує стійка.

Математичне забезпечення стійки ЧПУ, як правило, влаштовано таким чином, що стійка «має відомості», що: відстані 10 мм відповідає, наприклад, 10 000 імпульсів від енкодера. Отже, поки стійка верстата не прийме ці 10 000 імпульсів, то на вхід драйвера передаватиметься напруга завдання, тобто вироблятиметься – неузгодженість. Коли портал верстата пройде задані 10 мм, стійка верстата свої 10000 імпульсів отримує в повному обсязі, тому напруга на вході драйвера серводвигуна стане рівною (0) «нулю», двигун зупиниться, і верстат відмінно відпрацює строго 10 мм (причому за абсолютної відсутності люфтів) .

Якщо під будь-яким впливом відбудеться зміщення порталу верстата - енкодер відразу видасть імпульси. Дані імпульси будуть пораховані стійкою, а потім вона видасть напругу неузгодженості безпосередньо на драйвер, який поверне якір двигуна на дуже малий кут, щоб узгодження дорівнювало нулю. Таким чином, портал верстата відмінно утримується біля заданої точки з досить високою точністю.

Також потрібно зауважити, що далеко не кожен двигун може повертатися на дуже малі кути, забезпечувати потрібний момент, що крутить, динаміку розгону і т. д. Це основна причина через що сервоприводи відносяться до дорогих пристроїв.

Синхронні серводвигуни

Синхронні серводвигуни – трифазні синхронні електродвигуни з датчиком положення ротора (тобто AC-двигуни) та збудженням від постійних магнітів. Основною їх перевагою є досить низький момент інерції ротора по відношенню до моменту, що крутить, що в свою чергу дозволяє реалізувати високу швидкодію. Лише за десятки мілісекунд досягається розгін на номінальну частоту обертання та реверс з повною швидкістю в межах 1-го обороту валу двигуна.

Як правило, основна сфера застосування цих двигунів є приводи подач верстатів, а також технологічні установки з тимчасовим циклом менше 1 секунди (наприклад, швидкодіючі позиційні системи автоматичних складів, виробництво упаковки).

Для сервоприводів характерні такі показники як:

управління за моментом, за швидкістю або за позицією;
статична точність підтримки швидкості безпосередньо по валу двигуна трохи більше 0,01%;
діапазон регулювання швидкості більш ніж 1:1000;
точність підтримки позиції щодо валу двигуна менше ± 10;
компактні розміри та низька вага:

1 – роз'єм для підключень;
2 – статор з обмоткою;
3 - датчик швидкості та положення;
4 – ротор з магнітами;
5 - електромагнітне гальмо.

відсутність та безконтактність вузлів, що потребують обслуговування;
досить висока швидкодія;
значна перевантажувальна здатність по моменту (тобто кратність граничного моменту короткочасно може перевищити 3);
практично необмежений діапазон (1:10 000 і більше) регулювання частоти обертання;
показники ккд вентильних двигунів, як правило, перевищують 90%, при зміні потужності навантаження двигуна, при коливаннях напруги електромережі живлення змінюються дуже несуттєво, на відміну від асинхронних електродвигунів, де максимальний ккд не перевищує і 86%, а також, безпосередньо залежить від змін навантаження ;
досить низький перегрів вентильного електродвигуна, тому що на роторі двигуна відсутня обмотка, що суттєво збільшує його термін служби, що працює в режимі прискорених навантажень;
досить велика щільність моменту на одну одиницю маси електродвигуна.

Крокові двигуни або серводвигуни: вибір двигунів для фрезерно-гравіювального верстата

Насамперед, потрібно порівняти два види цих моторів за деякими параметрами:


Термін служби та обслуговування	Крокові двигуни – безщіткові, тому єдиними деталями, що зношуються, в конструкції є підшипники (спочатку дуже надійна конструкція). Це дозволяє вважати їх двигунами високої надійності та не потребують обслуговування довгий термін.		Дешеві моделі сервоприводів колекторного типу (зі щітками) менш надійні ніж крокові двигуни і вимагають заміни щіток приблизно через 5000 годин безперервної роботи. Більшість сучасних безколекторних сервоприводів від відомих японських виробників відрізняються високою надійністю (близька до надійності крокових двигунів).
	Псування підшипників відбувається дуже рідко. Може згоріти статора обмотка. Дешевше купити новий двигун.		Ремонтопридатні лише найдорожчі моделі. Простіше двигун відразу міняти.
Точність переміщень	При хорошій механіці точність не нижче +/- 0.01 мм		У високоякісних сервоприводів точність не нижче +/- 0.002 мкм. Така точність досяжна у разі використання сервоприводів контурного керування (що точно обробляють задану траєкторію). Не можна використовувати сервопривод для позиційного керування, так як вони іноді дають похибку значно перевищує, похибка в крокових двигунах!
Швидкість переміщення, потужність	У гравірувально-фрезерних верстатах використовуючи крокові двигуни можна досягти швидкості 20 – 25 метрів за хвилину. При збільшенні швидкості крокові двигуни сильно втрачають у моменті, що крутить.		З використанням сервоприводів у верстатах з ЧПУ можливе досягнення швидкостей до 60 м/хв і більше.
Швидкість розгону	до 120 об/хв за секунду		до 1000 об/хв за 0,2 секунди
Ефект втрати кроків при підвищенні швидкості та навантаження	На швидкостях вище за номінальні та підвищені навантаження починає проявлятися ефект втрати кроків (дивіться вище графік можливого навантаження від швидкості обертання двигуна – механічну характеристику). Втрата кроків можлива також у разі будь-яких зовнішніх впливів: ударів, вібрацій, резонансів тощо. Сучасні системи керування кроковими двигунами дозволяють позбутися цієї загальної нестачі крокових двигунів.		Оскільки сервосистема – це система із зворотним зв'язком: в сервомоторі є датчик положення, яким (у разі невідповідності) робиться корекція - то ефекту втрати кроків у ній немає.
Примусова зупинка (зіткнення з перешкодою)	Примусова зупинка крокового двигуна не викликає у нього жодних пошкоджень		У разі примусової зупинки серводвигуна драйвер мотора повинен правильно зреагувати на дану зупинку. В іншому випадку по зворотному зв'язку подається сигнал на доопрацювання не пройденої відстані, підвищується струм на обмотках, двигун може перегрітися і згоріти!
Ціновий критерій		Крокові двигуни значно дешевші за серводвигуни, особливо крокові двигуни китайського виробництва.	Чисто конструктивно (датчик положення, складніший, ніж у крокового двигуна, драйвер) серводвигуни дорожчі за крокові. До того ж я не зустрічав у своїй практиці дешевих китайських серводвигунів.

Кроковий двигун та сервопривід абсолютно не є конкурентами, оскільки кожен займає виключно свою зумовлену нішу.

Порівняння роботи простого Серво та Крокового двигунів:

Для розуміння різниці між звичайним кроковим і серводвигуном давайте розглянемо роботу системи саме з кроковим мотором, на якому безпосередньо стоїть енкодер (кроковий серводвигун).

Контролер видав команду на кілька кроків – повернути вал. У звичайному кроковому двигуні контролер не знає, наскільки саме кроків повернувся вал (т. до. в нього відсутня зворотний зв'язок). Просто він вважає, що вал повернувся правильно. А буває, що двигун не зміг повернути вал або сили не вистачило або з іншої причини. Хоча контролер чітко відрахував імпульси. Це і є так звана перепустка кроків у кроковому двигуні.

У серводвигуні подібна проблема повністю відсутня. Контролер дав команду вал повернути настільки імпульсів і чекає поки з енкодера прийде сигнал, який підтвердить, що вал повернувся на необхідну кількість імпульсів. При цьому якщо з енкодера надійшов, хоча б на 1 імпульс менше, контролер все одно продовжуватиме подавати команду, поки з енкодера не надійде останній імпульс, який вирівняє співвідношення істинної та заданої кількості імпульсів. Або після закінчення заданого періоду часу, контролер видасть спеціальний сигнал «Помилка переміщення».

У сервоприводі утримання здійснюється виключно за рахунок струму, що протікає безпосередньо через обмотку двигуна. При цьому в момент утримання половини періоду струм надходить в одному напрямку, а другу половину часу, що залишився, в іншому напрямку. Саме за рахунок цього відбувається утримання якоря. У цей час по імпульсах з енкодера підходить перевірка, якір на місці (на виході немає жодного імпульсу) або ж зрушив (на виході енкодера, як правило, з'явиться імпульс, вірніше код).

Переваги крокового двигуна:

Крокові двигуни значно дешевше, ніж серводвигуни.
- Простота конструкції, а отже, і простота ремонту.
- Простота системи управління (підходять практично всі програми, написані для CNC верстатів).

Переваги серводвигуна:

Безшумність та плавність роботи в деяких випадках роблять сервоприводи єдиним можливим варіантом для роботи.
- Надійність та безвідмовність: можливість застосування у відповідальних пристроях.
- Висока точність і швидкість переміщень доступні також і на низьких швидкостях. - Здатність двигуна може вибиратися користувачем безпосередньо від того, яке завдання необхідно виконати.

Висновки:

Обмеженням у використанні крокових двигунів є потужність і швидкість, проте за практикою, їх застосування цілком виправдано в недорогих верстатах, що мають систему ЧПУ, призначених для обробки дерева, ДСП, МДФ, пластиків, легких металів та інших матеріалів середньої швидкості, необхідності виробників верстатів з ЧПУ. за точністю та за швидкістю. Якщо з якихось причин такі параметри не влаштовують, то зазвичай використовують сервоприводи. Але варто зауважити, що при цьому різко і значно піднімається вартість конструкції в цілому.

Якщо дивитися з іншого боку, то досягти реальної економії часу обробки і навіть при швидкісних сервоприводах можна за рахунок економії на переходах і оптимізації шляхів обробки. В решту часу швидкість дуже обмежена - режимами різання. Між деталлю та приводом є ще й фреза про що часто забувають.

Переваги сервоприводу такі, що використовувати їх можна було б постійно, коли тільки можливо, звичайно якби не дві істотні недоліки: ціна самого комплекту (тобто блок управління + сервомотор) і складність налаштування, яка часом робить застосування сервоприводу абсолютно необґрунтованим.

У яких випадках потрібні сервоприводи:

При швидкісних розкроях матеріалу «листового» (швидкість переміщення інструменту більш ніж 25 метрів за хвилину). Отже, в такому випадку доцільно купувати саме «розкроювальний» верстат з досить потужним шпинделем (до 5 кВт) і з цангою під великий інструмент, з вакуумним столом, із системою видалення стружки і, звичайно ж, із сервоприводами.
При виробництві матриць та форм з претензійною точністю виготовлення. В даному випадку найбільше підходить фрезерний центр обробки, який можна замовити у компанії INTERLASER.

В інших випадках найчастіше купують машини саме з кроковими двигунами – просто це найбільш практичніше.

Новини

Увага! Новинка! Високоточний лазерний верстат CCD IL-6090 SGC (з камерою), оснащений удосконаленою системою оптичного розпізнавання об'єктів. Завдяки сучасному програмному забезпеченню та високоякісним комплектуючим, верстат здатний самостійно розпізнавати та сканувати необхідні об'єкти з безлічі представлених, після чого вирізати їх у заданих межах за необхідними параметрами.

Добридень! Компанія INTERLASER, повідомляє Вам про величезне надходження лінз, дзеркал для лазерного обладнанняЦіни найнижчі на лінзи та дзеркала: Лінзи для лазерних верстатів ZnSe (США): діаметр 20, фокус 2 (50.8 мм) - 3 304 рубдіаметр 20, фокус 5 (12) ) - 3304 рубдіаметр 25, фокус 2.5 (63.5 мм) - 7350 руб Лінзи для лазерів ZnSe (Китай): діаметр 20, фокус 2 (50.8 мм) - 2 450 рубдіаметр 20, фокус 5 (227 25, фокус 2.5 (63.5 мм) - 4 900 руб Дзеркало: діаметр 20 мм, товщина 2/3 мм - 840 рубдіаметр 25 мм, товщина 2/3 мм - 980 рубдіаметр

THE BELL