Сервоприводы и шаговые двигатели имеют схожую конструкцию и используют один и тот же фундаментальный принцип работы. Оба типа двигателей включают ротор с постоянными магнитами и статор со спиральными обмотками, и оба приводятся в действие заряжающий энергией или подача постоянного напряжения на обмотки статора, которое затем приводит в движение ротор. Однако на этом сходство между сервоприводами и шаговыми двигателями заканчивается.

Шаговые двигатели имеют от 50 до 100 полюсов и являются двухфазными устройствами.Напротив, серводвигатели имеют от четырех до 12 полюсов и являются трехфазными устройствами.

Приводы с шаговыми двигателями генерируют синусоидальные волны с частотой, изменяющейся в зависимости от скорости, но с постоянной амплитудой.

С другой стороны, сервоприводы генерируют синусоидальные волны с переменной частотой и амплитуда — позволяет им контролировать как скорость, так и крутящий момент.

Традиционные шаговые двигатели приводятся в движение, когда они получают команду на подачу определенного количества импульсов, которые соотносятся с расстоянием. Шаговые двигатели считаются системами с разомкнутым контуром, поскольку в них отсутствует механизм обратной связи для проверки достижения целевого положения. Серводвигатели также приводятся в движение по получении командного сигнала от своего контроллера. В отличие от систем шаговых двигателей с разомкнутым контуром, серводвигатели представляют собой системы с замкнутым контуром, со встроенными датчиками, которые непрерывно передают информацию обратно на контроллер, который вносит любые необходимые коррективы для обеспечения достижения заданного положения.

В системах с шаговыми двигателями, если имеющийся крутящий момент двигателя недостаточен для преодоления нагрузки, двигатель заглохнет или пропустит один или несколько импульсов, создавая разницу между желаемым положением и фактически достигнутым положением. Чтобы избежать этого, шаговые двигатели часто имеют большие размеры, чтобы обеспечить большой разрыв между крутящим моментом нагрузки в наихудшем случае и доступным крутящим моментом двигателя. Но есть альтернатива увеличению размера двигателя. Благодаря добавлению энкодера и работе в режиме замкнутого контура системы шаговых двигателей могут осуществлять мониторинг положения и управление во многом аналогично серводвигателям.

Самый простой способ управлять шаговым двигателем в режиме замкнутого контура — сравнить теоретическое положение, которое должно было быть достигнуто на основе количества шагов, с фактическим положением, достигнутым на основе обратной связи энкодера. Если есть разница между целевым и фактическим положением, контроллер инициирует корректирующее перемещение.

В то время как описанный выше метод является реактивным, корректируя положение двигателя после завершения перемещения, шаговый двигатель с замкнутым контуром также может непрерывно отслеживать разницу между шагами позиционирования и обратной связью энкодера (который обычно устанавливается на нагрузке). Благодаря непрерывной обратной связи компенсация может осуществляться в режиме реального времени путем увеличения частоты импульсов, временного увеличения тока или регулировки угла шага.

Третий способ работы шаговых двигателей в режиме замкнутого контура использует синусоидальную коммутацию. Если магнитные поля ротора и статора не выровнены должным образом, энкодер регулирует ток двигателя таким образом, чтобы он точно соответствовал крутящему моменту, необходимому для перемещения или удержания груза.Поскольку обратная связь используется для управления крутящим моментом путем изменения тока двигателя, этот режим иногда называют сервоуправлением. В режиме сервоуправления шаговый двигатель, по сути, действует как серводвигатель с большим числом полюсов, но без шума и резонанса, присущих традиционным шаговым двигателям, обеспечивая гораздо более плавное движение и более точное управление. А благодаря динамическому току, а не постоянному, как в традиционном шаговом двигателе, проблема нагрева двигателя в значительной степени устраняется.

Шаговые двигатели с замкнутым контуром устраняют многие недостатки традиционных шаговых систем с разомкнутым контуром, что делает их аналогичными по производительности серводвигателям. Но серводвигатели превосходят даже шаговые двигатели с замкнутым контуром в приложениях, требующих высокой скорости, высокого крутящего момента на высокой скорости или способности справляться с изменяющимися нагрузками.

Автор изображения: Advanced Micro Controls, Inc.