Гидравлический сервопривод принцип действия. Сервоприводы. В каких случаях необходимы сервоприводы

Практически во всех современных станках ЧПУ используются серводвигатели. Именно они обеспечивают перемещение деталей и элементов в разных плоскостях с высокой точностью и динамикой управления.

Серводвигатель работает в большом диапазоне скоростей, при этом практически не имея акустического шума, биения и вибрации.

Часто в состав двигателя входят датчики скорости и позиционирования, а управляются они инвертором (преобразователем частоты).

Серводвигатель отличается от обычного электродвигателя тем, что управляется линейно, а, значит, очень точно.

Управление может осуществляться по положению, моменту и скорости, поэтому такие типы двигателей используются для слежения, позиционирования и контурной обработки деталей.

Наиболее распространенными считаются четыре вида серводвигателей:

Синхронный;
Асинхронный;
Синхронный реактивный;
Серводвигатель постоянного тока.

В промышленности широко используются два первых вида двигателей – остальные применяются для решения специфических и сложных задач.

Эти классические трехфазные синхронные двигатели, получающие возбуждение от нескольких постоянных магнитов. Дополнительно в них встроен датчик положения ротора.

Как видим, вся конструкция очень компактна и надежна. Основное достоинство таких двигателей – отсутствие инерции. Они разгоняются и останавливаются за тысячные доли секунды, отлично совмещаются с различными импульсными станками и системами, а также за счет своей линейности прекрасно управляются при помощи компьютерных программ.

Синхронные серводвигатели применяют там, где необходимо с высокой точностью поддерживать крутящий момент и позиционировать различные плоскости с максимальной точностью.

Асинхронные серводвигатели

Отличный вариант для сверхдинамичных систем. Достоинства таких типов двигателя в:

высокой скорости вращения;
практически нулевом моменте инерции;
малом весе и компактности;
принудительной вентиляции.

Вентиляция продлевает срок службы двигателя на 30-40 процентов и позволяет использовать его практически в любых замкнутых пространствах. Также стоит отметить, что для крепления датчика обратной связи нет необходимости использовать отдельные узлы.

Благодаря таким свойствам асинхронный двигатель часто применяют в станках с ЧПУ – он позволяет добиться минимизации динамического и статистического рассогласования во время работы.

Также смотрите на видео, как сделать позиционирование серводвигателя от энкодера.

Серводвигатели обладают следующими характеристиками:

Высокая динамика,

Высокая точность позиционирования,

Высокая перегрузочная способность в широком диапазоне частоты вращения.

Кроме того, серводвигатели имеют следующие особенности:

Высокая точность поддержания заданной частоты вращения;

Широкий диапазон регулирования частоты вращения;

Малое время разгона;

Малое время регулирования вращающего момента;

Большой пусковой момент;

Малый момент инерции;

Малая масса;

Компактная конструкция.

Рис. 1 Пример серводвигателей

Основными элементами конструкции серводвигателя являются:

Элементы для подключения в виде штекерных разъемов или клеммной коробки;

Датчик обратной связи.

1. Обзор современных серводвигателей

Семейство серводвигателей можно разделить на следующие группы:

Рис. 2 Обзор серводвигателей

Важнейшие отличительные особенности обусловлены следующими факторами:

Конструкция двигателей (статор, ротор);

Необходимые системы регулирования;

Система обратной связи (датчики).

До недавних лет в качестве сервоприводов применялись бесщеточные двигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. Управление обеспечивали тиристорные или транзисторные преобразователи-регуляторы.

Благодаря техническому прогрессу в области силовых полупроводниковых приборов и микроконтроллеров в девяностых годах существенно выросло применение синхронных серводвигателей.

Сегодня синхронные серводвигатели переменного тока с возбуждением от постоянных магнитов занимают больший сегмент рынка, чем асинхронные серводвигатели. Это обусловлено характеристиками двигателей.

В данной статье для обозначения двигателей используются следующие термины:

Синхронный серводвигатель - синхронный серводвигатель переменного тока с возбуждением от постоянных магнитов.

Асинхронный серводвигатель - асинхронный двигатель с датчиком обратной связи, специально спроектированным для работы от преобразователя частоты.

Синхронный линейный двигатель - линейный синхронный серводвигатель переменного тока с возбуждением от постоянных магнитов.

2. Характеристики синхронных и асинхронных серводвигателей

*Характеристики синхронных серводвигателей*	*Характеристики асинхронных серводвигателей*
Высокая динамика.	Средняя... высокая динамика.
Умеренно хорошие характеристики регулирования при больших моментах инерции нагрузки.	Хорошие характеристики регулирования при больших моментах инерции нагрузки.
Высокая перегрузочная способность до 6 Мн (номинального момента, зависит от типа двигателя).	Высокая перегрузочная способность (почти 3-кратная).
Высокая допустимая тепловая нагрузка в длительном режиме по всему диапазону частоты вращения.	Высокая допустимая тепловая нагрузка в длительном режиме в зависимости от частоты вращения.
Охлаждение посредством конвекции, теплоотвода и теплового излучения.	Охлаждение крыльчаткой на валу или принудительное.
	Высокое качество регулирования частоты вращения.
Возможность длительной работы с пусковым моментом на низких скоростях.	Из-за высокой тепловой нагрузки невозможна длительная работа в нижнем диапазоне частоты вращения без вентилятора принудительного охлаждения.
	Широкий диапазон регулирования частоты вращения, 1:5000 и более (зависит от преобразователя).
Пульсация вращающего момента (Cogging) на низкой частоте вращения.	Практически полное отсутствие пульсации вращающего момента (Cogging).

3. Устройство синхронных серводвигателей

Основными элементами конструкции синхронного серводвигателя являются:

Ротор с постоянными магнитами;

Статор с соответствующей обмоткой;

Элементы для подключения в виде штекерного разъема или клеммной коробки;

Датчик обратной связи.

Различают следующие варианты синхронных серводвигателей:

Исполнение с корпусом - корпусные двигатели;

Исполнение без корпуса - бескорпусные двигатели.

Исполнение без корпуса означает, что роль корпуса двигателя выполняет пакет пластин статора. Это позволяет полностью использовать весь профиль пакета стальных пластин.

Исполнение с корпусом: двигатель CMP;

Исполнение с корпусом: двигатель CM/DS;

Исполнение без корпуса: двигатель CMD.

3.1 Устройство двигателя CMP

Серводвигатели CMP отличаются очень высокой динамикой, низким моментом инерции ротора, компактностью и высокой удельной мощностью.

Серводвигатели CMP - это двигатели с корпусом.

Рис. 3. Устройство синхронного серводвигателя CMP компании SEW-EURODRIVE

1 - Компенсационная шайба

2 - Радиальный шарикоподшипник

4 - Радиальный шарикоподшипник

5 - Сигнальный штекерный разъем SM / SB

6 - Силовой штекерный разъем SM / SB

7 - Крышка корпуса

8 - Прокладка

9 - Резольвер

10 - Задний подшипниковый щит

11 - Корпус со статором

13 - Манжета

Характеристики и опции двигателя CMP

Перегрузочная способность до 4,5*Мн (номинального момента).

Статор с зубцовой обмоткой.

Изменяемое расположение штекерных разъемов.

3.2 Устройство двигателя CM/DS

Серводвигатели CM/DS отличаются широким диапазоном вращающего момента, хорошими характеристиками регулирования при больших моментах инерции нагрузки, применением мощного рабочего тормоза и разнообразием опций.

Серводвигатели CM/DS - это двигатели с корпусом.

Рис. 4. Устройство синхронного серводвигателя CM компании SEW-EURODRIVE

2 - Подшипниковый щит с фланцем

4 - Корпус со статором

5 - Задний подшипниковый щит

7 - Резольвер

8 - Корпус штекерного разъема

9 - Штекер силового кабеля, в сборе

10 - Штекер сигнального кабеля, в сборе

11 - Тормоз, в сборе

Характеристики и опции двигателя CM/DS

Перегрузочная способность до 4*Мн (номинального момента).

Статор с шаблонной обмоткой.

Возможность монтажа на стандартные редукторы и редукторы для сервопривода через адаптор.

Возможность прямого монтажа на редуктор.

Возможность установки резольвера или датчика абсолютного отсчета с высокой разрешающей способностью.

Штекерный разъем или клеммная коробка.

Вентилятор принудительного охлаждения (опция).

Рабочий тормоз (опция).

Датчик TF или KTY для тепловой защиты двигателя. 2-й вал со стороны датчика (опция).

Усиленные подшипники (опция).

3.3 Устройство двигателя CMD

Серводвигатели CMD отличаются особой компактностью, оптимальным выбором частоты вращения и набором опций для установок с прямым (безредукторным) приводом.

Серводвигатели CMD - это двигатели без корпуса.

Рис. 5. Устройство синхронного серводвигателя CMD компании SEW-EURODRIVE

2 - Подшипниковый щит с фланцем

3 - Радиальный шарикоподшипник

4 - Статор

5 - Задний подшипниковый щит

6 - Радиальный шарикоподшипник

7 - Резольвер

8 - Разъем сигнального кабеля

9 - Разъем силового кабеля

Характеристики и опции двигателя CMD

Почти 6-кратная перегрузочная способность.

Статор с шаблонной обмоткой.

Тормоз с катушкой 24 В (опция).

Возможность установки резольвера или датчика абсолютного отсчета с высокой разрешающей способностью.

Датчик KTY для тепловой защиты двигателя.

3.4 Конструкция ротора

Ротор синхронных серводвигателей оснащен постоянными магнитами.

Рис. 6.

1 - Наклеенные магниты

Эти магниты, как правило, изготавливаются из спеченного редкоземельного материала неодим-железо-бор. Магнитные свойства этого материала значительно превосходят свойства обычных ферритовых магнитов. Это позволяет сделать конструкцию более компактной при равной выходной мощности.

Как работают сервоприводы и трехходовые клапаны

В этой статье я расскажу, как понять работу трехходовых клапанов и сервоприводов (электроприводов).

Что такое клапан?

Клапан - это механизм, который служит для того чтобы пропустить или не пропустить жидкость или газ из одного пространства в другое. Причем клапан может быть открыт или закрыт на определенный процент. То есть клапаны могут служить для регулировки прохода жидкостей или газа. Движение жидкости или газа осуществляется за счет разности давления между сторонами клапана.

В системе отопления существуют два самых распространенных вида клапанов:

Седельный (седловой) тип – имеет в себе втулку и непосредственно объемное тело, которое перекрывает проход.

Шаровый (или вращательный) тип – имеет тело, которое за счет вращения его приводит к открытию или закрытию прохода.

Шаровые клапана имеют самую высокую пропускную способность по отношению к седловому типу клапана. То есть в шаровых клапанах достигается меньшее гидравлическое сопротивление.

Клапаны бывают:

Двухходовые клапаны – имеют два соединения по разные стороны от клапана. Например, служат для пропуска жидкости или газа на одном контуре. То есть закрывают или открывают одну ветку системы водоснабжения или отопления.

Трехходовые клапаны – Имеют три соединения. Служат в основном для смешивания или разделения потоков жидкости или газа. Основная работа трехходового клапана необходима или для получения определенной температуры или для перенаправления потоков. В системах отопления контроль температуры нужен для того, чтобы регулировать климат в помещении. Перенаправление потоков служит обычно для перенаправления нагретого теплоносителя из системы отопления в бойлер косвенного нагрева. Существует также множество других задач…

Четырехходовые клапаны – Имеют четыре соединения. Выполняют такую же работу, как и трехходовые клапаны. Но могут быть и другие задачи.

Связь между сервоприводами и клапанами

В системе отопления существует несколько способов взаимосвязи между клапанами и элементами контроля клапанов (сервопривод и термомеханика):

1. Термостатический смеситель – обычно называют механизм, имеющий в себе сразу и клапан и устройство, которое меняет положение клапана в автоматическом режиме. Меняет в зависимости от температуры жидкости или газа. В этом устройстве есть механизм, который под действием температуры меняет силу упругости и из-за этого происходит движение клапана. В зависимости от сервопривода такой клапан не требует участия электричества. Температура регулируется вращением рукоятки. Обычно некоторые клапаны рассчитаны на небольшой диапазон температур. Максимум до 60 градусов. Могут быть исключения у других производителей.

2. Способы использовать отдельные элементы, не прибегая к сервоприводам. Например, термостатический вентиль с термоголовкой. Существуют термоголовки, которые имеют выносной датчик.

3. Клапаны и сервоприводы это отдельные элементы. Сервопривод прикрепляется к клапану и регулирует клапан.

Что такое сервопривод?

Сервопривод – это прибор, который осуществляет работу движения клапана. Клапан в свою очередь или пропускает или не пропускает жидкость или газ. Или пропускает его в определенном количестве в зависимости от давления, положения клапана и гидравлического сопротивления.

Какие бывают сервоприводы?

Существуют также термоприводы, которых тоже называют сервоприводами.

Но мы в этой статье разберем только электроприводы (сервоприводы)

Электроприводы бывают двух направлений:

Полный пакет (комплект) – это когда в устройство уже заложен полный набор функций. Например, в комплекте уже имеется контроллер температур, электрический термодатчик. Есть возможность сразу настроить его на нужную температуру. Настройка времени проверки для движения клапана. Подключается сразу к сети переменного тока 220 Вольт с частотой 50 Герц. Стандарт для России. Есть возможность настроить его в различных направлениях движения клапана шарового типа. Есть возможность настроить его на поворот 90 или 180 градусов. Можно выставить любое значение, даже 49 градусов или 125 градусов. И делается это внутри черной коробочки. Подробности ищите в инструкции.

Это я Вам рассказал один из вариантов. Конечно, существует дюжина других вариантов… Также сервоприводы различаются по скорости закрывания и открывания клапанов. Данный пример служит для плавной регулировки клапана, чтобы смешивать потоки разной температуры, чтобы получить контрольную температуру.

Такой вариант служит для перенаправления потоков теплоносителя.

Этот вариант используется для перенаправления потока теплоносителя из котла либо в направление радиаторного отопления либо на нагрев бойлера косвенного нагрева. Указанный сервопривод нуждается в сигнале 220 Вольт. Причем имеются три контакта. Один общий, а два других для перенаправления движения. Самый легкий вариант, когда нужно перенаправлять потоки в системе отопления по требованию от термореле бойлера косвенного нагрева.

Сервоприводы бывают по типу движению на седловой тип клапана или на шаровый (вращательный) тип клапана.

Если будите подбирать сервопривод к клапану, обязательно уточняйте вид движения сервопривода. Также не всегда седельный тип сервопривода совпадает ко всем типам седельных клапанов. С шаровыми вращательными вроде имеется универсальный стандарт, а вот с седельными клапанами все не так просто. Нету одного стандарта.

Электропривод как отдельное звено в автоматике.

Рассмотрим аналоговый сервопривод от Valtec арт. VT.M106.R.024

Такой сервопривод нуждается в постоянном питании 24 Вольт и управляющем сигнале от 0 до 10 Вольт.

То есть если напряжение 0 Вольт, то поворотный механизм находится в положении 0 градусов. Если 5 Вольт то 45 градусов. Если 10 Вольт то 90 Градусов.

Такому сервоприводу подается сигнал от специального контроллера, на котором есть функция подачи сигнала 0-10 Вольт. В зависимости от температуры и настройки контроллера по температуре, контроллер подает различное напряжение от 0 до 10 Вольт. Есть настройка вращения: Почасовой и против часовой. Конечно для того, чтобы найти более подробную информацию о сигналах и схеме подключения требуйте у производителя паспорта с подробной схемой управления сигналами.

Повторюсь… Что указанные в этой статье, описаны не все сигналы. Существует множество других сигналов…

Что же такое контроллер?

Контроллер – это устройство предназначено для управления сигналами для различной логической задачи. Контроллер это мозг автоматической системы. Он определяет в зависимости от программы, какие сигналы нужно подавать в тот или оной момент.

Существует различное множество контроллеров, которые выполняют различные задачи.

Для системы отопления обычно выполняются такие задачи:

Самая распространенная задача – это получить настроечную температуру теплоносителя.

В зависимости от температуры получать какой-либо сигнал (Например, отключить котел или насос). Контроллер может содержать контактное реле. То есть сухой контакт. Этим контактным реле можно задавать сигналы для получения любого напряжения. Например, 220 Вольт включать или отключать насос или подавать сигнал на сервопривод для перенаправления потоков.

Также можно использовать контроллер для отключения котла в случаях критических температур. Сигнал от контроллера отправляется на питание мощных контакторов, а те в свою очередь питают мощные электрические котлы.

Самый дешевый контроллер серии ТРМ

Продает ОВЕН у них много чего интересного можно подчерпнуть. owen.ru

Логика работы очень обширная… В будущем планирую еще написать и разработать полезный материал по системам автоматики систем отопления и водоснабжения. Записывайте свои E-mail чтобы получать уведомления о новых статьях.

Комментарии (+) [ Читать / Добавить ]

Серия видеоуроков по частному дому
Часть 1. Где бурить скважину?
Часть 2. Обустройство скважины на воду
Часть 3. Прокладка трубопровода от скважины до дома
Часть 4. Автоматическое водоснабжение
Водоснабжение
Водоснабжение частного дома. Принцип работы. Схема подключения
Самовсасывающие поверхностные насосы. Принцип работы. Схема подключения
Расчет самовсасывающего насоса
Расчет диаметров от центрального водоснабжения
Насосная станция водоснабжения
Как выбрать насос для скважины?
Настройка реле давления
Реле давления электрическая схема
Принцип работы гидроаккумулятора
Уклон канализации на 1 метр СНИП
Схемы отопления
Гидравлический расчет двухтрубной системы отопления
Гидравлический расчет двухтрубной попутной системы отопления Петля Тихельмана
Гидравлический расчет однотрубной системы отопления
Гидравлический расчет лучевой разводки системы отопления
Схема с тепловым насосом и твердотопливным котлом – логика работы
Трехходовой клапан от valtec + термоголовка с выносным датчиком
Почему плохо греет радиатор отопления в многоквартирном доме
Как подключить бойлер к котлу? Варианты и схемы подключения
Рециркуляция ГВС. Принцип работы и расчет
Вы не правильно делаете расчет гидрострелки и коллекторов
Ручной гидравлический расчет отопления
Расчет теплого водяного пола и смесительных узлов
Трехходовой клапан с сервоприводом для ГВС
Расчеты ГВС, БКН. Находим объем, мощность змейки, время прогрева и т.п.
Конструктор водоснабжения и отопления
Уравнение Бернулли
Расчет водоснабжения многоквартирных домов
Автоматика
Как работают сервоприводы и трехходовые клапаны
Трехходовой клапан для перенаправления движения теплоносителя
Отопление
Расчет тепловой мощности радиаторов отопления
Секция радиатора
Зарастание и отложения в трубах ухудшают работу системы водоснабжения и отопления
Новые насосы работают по-другому…
Регуляторы тепла
Комнатный термостат - принцип работы
Смесительный узел
Что такое смесительный узел?
Виды смесительных узлов для отопления
Характеристики и параметры систем
Местные гидравлические сопротивления. Что такое КМС?
Пропускная способность Kvs. Что это такое?
Кипение воды под давлением – что будет?
Что такое гистерезис в температурах и давлениях?
Что такое инфильтрация?

Servoдвигатели - это тип электромеханических приводов, которые не вращаются постоянно,как DC / AC или шаговый двигателей, а перемещаются в определенное положение исохраняют его. Они применяются там, где не требуется непрерывное вращение. Серво приводы применяют там, где необходимоперейти к конкретной позиции,а затем остановиться и сохранять положение .Наиболеечасто серво двигатели используются для управлением положением руля воздушныхсудов и лодок т.д. Сервоприводы эффективно используются в этих областях, потомучто руль не нужно перемещать на 360 градусов и не требуют непрерывного вращениякак например колеса. В с ервоприводахтакже используется механизм обратной связи, поэтому он может обрабатыватьошибки и при позиционировании их исправить. Такая система называется следящей . Такимобразом, если поток воздуха оказывает давление на руль и отклоняет его, тосервопривод будет применять силу в противоположном направлении и попытаетсяисправить ошибку.Например, есливы скажете серво пойти и заблокироваться на 30 градусах, а затем попытаетесь повернутьего рукой, серво будут стараться, чтобы преодолеть силу и сохранить заданныйугол.

Сервоприводыприменяются также для контроля руля RC- автомобилей, робототехники и т.д. Существует много видов сервоприводов, но здесь мы сосредоточимсяна малых сервоприводы так называемых hobby . H obb y двигатель и его механизм управления встроен в один блок. Подключение осуществляеться спомощью трех присоединительных проводов . Мы будем использовать сервопривод FutabaS3003 .

FutabaS3003 проводки.

1.RED -> Управление позицией,питание +4.8В до 6В

2.BLACK-> Земля

3.WHITE -> Сигнал управления.

Управление Сервоприводом.

Управлятьсервоприводом легко с помощью микроконтроллера,не нужно никаких внешнихдрайверов.Просто подаваяуправляющий сигнал сервопривод будет позиционировать на любойзаданный угол.Частота управляющего сигнала обычно 50hz (т.е.период 20 мс), а длительность импульса задает величину угла.

Для FutabaS3003 яузнал следующие синхронизацию .Соотношение между шириной импульса иуглом поворота сервопривода, приводится ниже.Заметим,что этот сервопривод способен вращаться только между 0 и 180 градусов.

0.388ms= 0 градусов.
1.264ms= 90 градусов.
(Нейтральнаяпозиция) 2.14ms= 180 градусов.

Управление Серво двигателем.

Вы можете использовать микроконтроллер AVR с функцией PWM дляуправления сервомоторов. Таким образом, PWM автоматически сгенерирует сигналыблокировки сервопривода и центральный процессор контролера освободится длядругих задач. Чтобы понять, как можно настроить и использовать PWM необходимоиметь базовые знания аппаратных таймеров и PWM модулей в AVR.

Здесь мы будемиспользовать AVR Timer модуль, который является 16bit таймером и имеет два канала PWM (А и B).

Частота центрального процессора составляет 16 МГц,эта частота - максимальная частота,на которой большинство AVR способны работать.Так же будем использовать делитель частоты на 64. Так таймера получат 16MHz/64 =250khz (4 мкс).Таймер установим в режим 14.

Функциитаймера в режими 14

РежимFAST PWM
T T OP Значение = ICR1

Такимобразом, мы устанавливаемICR1A = 4999,это дает нам PWM периода 20мс (50 Гц).Убедитесь что в режими выводаустанавленны правильные настройки COM1A1, COM1A0 (для PWM канала) и COM1B1,COM1B0 (для PWM канал B)

COM1A1= 1 и COM1A0 = 0 (PWM Источник)

COM1B1= 1 и COM1B0 = 0 (PWM канал B)

Теперь рабочий цикл может быть установлен путем настройки OCR1A иOCR1B регистров.Эти два регистрауправления PWM периодом Так как период таймера 4мкс (помните 16 МГц разделили на 64), Мы можем вычислить значения, необходимые для поворотасервопривод на определенный угол.

§ Servoугол 0 градусов требуется ширина импульса 0.388ms (388uS), поэтому значениеOCR1A = 388us/4us = 97

§ Servoугол 90 градусов требуется ширина импульса 1.264ms (1264uS), поэтому значениеOCR1A = 1264us/4us = 316

§ Servoугол 180 градусов требуется ширина импульса 2.140ms (2140uS), поэтому значениеOCR1A = 2140us/4us = 535

Такимобразом, мы можете вычислить значение OCR1A (или OCR1B для второгосервопривода) для любого угла.Заметимчтозначение OCR1x колеблются от 97 до535 для углов от 0 до 180 градусов.

Программа управления двигателем.

Демонстрационнаяпрограмма приведена ниже, показано, как использовать сервомоторов смикроконтроллером AVR. Работы программы очень проста, она начинается синициализации таймера и PWM.В начале фиксируеться сервопривод на 0 градусов, азатем перемещается на 90 градусов и подождатв некоторое время перемещается на135 градусов, и наконец, на 180градусов. Этот процесс повторяется до тех пор, пока привод подключен к питанию.

Параметрыдля правильной работы программы .

LOW Fuse = 0xFF и HIGH Fuse = 0xC9
Частота= 16 МГц.
СервомоторклеймоFutaba S3003 .
MCUявляется AtMega32 или однокристальный микроконтроллер ATmega16.

Схема

ПРИЛОЖЕНИЯ:

Сейчас 11 гостей и ни одного зарегистрированного пользователя на сайте

В работе фрезеров используются два типа двигателя: шаговый – электромеханическое устройство, преобразующее сигналы в угловое перемещение ротора с фиксацией в заданном положении. И серводвигатели – имеющие обратную связь, и которыми можно управлять через цепь контроллера путём увеличения и уменьшения тока. Шаговые имеют меньшую мощность и скорость, и значительно дешевле серводвигателей.

Как правило, шаговый электродвигатель – это электромеханическое устройство, которое преобразует сигналы управления в угловое перемещение его ротора с качественной фиксацией в заданном положении. Сегодня современные шаговые двигатели (ШД), по сути, являются синхронными двигателями, не имеющими пусковую обмотку на роторе, что соответственно объясняется частотным пуском самого ШД. Последовательная активация обмоток двигателя порождает дискретные угловые перемещения (т. е. – шаги) ротора. Отличительная особенность этих двигателей – это возможность без датчика обратной связи осуществлять позиционирование по положению.

Шаговый двигатель относится к классу так называемых «бесколлекторных» двигателей постоянного тока. Такие двигатели как непосредственно и любые другие бесколлекторные электрические машины, имеют достаточно высокую надежность и весьма внушительный срок службы, что в свою очередь позволяет применять их в самых разных индустриальных сферах. Если сравнивать обычные электродвигатели постоянного тока с шаговыми двигателями, то последние требуют более сложных схем управления, выполняющие абсолютно все коммутации обмоток.

Сегодня существуют три основных типа/вида шаговых двигателей

Гибридные двигатели – наиболее часто используемые во фрезерных станках с числовым программным управлением.
Двигатели с постоянными магнитами.
Двигатели, имеющие переменное магнитное сопротивление.

Гибридные шаговые двигатели

Считается, что гибридные двигатели совмещают в себе наилучшие черты ШД с переменным магнитным сопротивлением, а также двигателей с постоянными магнитами. У гибридного двигателя ротор имеет зубцы, которые расположены в осевом направлении. Шаговые гибридные двигатели обеспечивают более меньшую величину шага, большую скорость и больший момент, чем двигатели других типов/видов. Обычно, число шагов для гибридных двигателей может составлять от 100 до 400 (при этом угол шага 3.6 – 0.9о).

Строение шаговых двигателей

Шаговый электрический двигатель состоит из статора, где расположены обмотки возбуждения (т. е. катушки электромагнитов) и соответственно ротора с постоянными магнитами (также используются роторы с переменным магнитным сопротивлением – но реже). ШД с магнитным ротором позволяют обеспечивать фиксацию ротора при обесточенных обмотках и получать больший крутящий момент. Именно благодаря этому, шаговые двигатели достаточно часто применяются в станках с ЧПУ.

Достаточно высокая температура, которая создана в катушках, способна легко рассеяться через массу самого двигателя, таким образом, шаговые электродвигатели от нагрева менее подвержены повреждениям.

Принципы работы шагового двигателя

Как правило, в соответствии с тем, какие именно катушки статора выключены или включены, ротор будет вращаться, чтобы так сказать «подстроиться» к магнитному полю. Например, если представить ШД с двумя катушками в статоре, а в качестве ротора постоянный магнит, то когда соответствующие катушки статора достаточно возбуждены, постоянно намагниченный ротор обязательно повернется, чтобы с магнитным полем статора «выстроиться» в линию. Ротор останется в данном положении, если поле соответственно не вращается.

Когда к этой катушке не будет поступать энергия, а будет направлена непосредственно к следующей катушке, то ротор снова повернется, чтобы подстроиться к полю новоиспеченной позиции. При этом абсолютно каждый поворот обязательно соответствует углу шага, который в свою очередь может измениться от 180о до доли градуса (т. е. до 60о). Затем, в то время когда вторая катушка выключена, включается следующая. Это заставит повернуться ротор на следующий шаг, причем в том же направлении. Данный процесс продолжается до тех пор, пока одна катушка включается, а соответственно другая выключается.

Последовательность шести шагов возвратит ротор в то же состояние, какое было в самом начале последовательности. Теперь если представить, что при завершении первого шага, вместо включения одной катушки и выключения второй – обе катушки были бы включены. В таком случае, ротор повернется только лишь на 30о (т. е. всего на половину от 60о), чтобы выровняться в направлении наименьшего сопротивления. Таким образом, если первая катушка включена, в то время когда вторая выключена, ротор должен повернуться еще на 30о. Называется это действием полушага, что непосредственно включает последовательность восьми движений.

Во время противоположной последовательности выключений/включений, ротор будет совершать обороты в противоположном направлении. В промышленности наиболее применим именно шаговый мотор, который продвигается на угол от 1.8о и до 7.5,о при полном шаге. Для того чтобы размер шагов уменьшить, число полюсов необходимо увеличить. Однако при этом есть физический предел, сколько непосредственно полюсов могут использоваться.

Чтобы снизить дискретность перемещения ротора ШД применяется, как правило – микрошаговый режим. Непосредственно сам микрошаг реализуется при автономном управлении током обмоток шагового двигателя. Управляя соотношением токов находящихся в обмотках, ротор можно зафиксировать между шагами в промежуточном положении. Таким образом, можно увеличить плавность вращения ротора, а также достичь высокой точности позиционирования. Кроме того, в микрошаговом режиме разрешающую способность можно получить в 51200 шаг/об, что положительно отразиться на работе оборудования в целом.

Механическая характеристика шагового двигателя

Очень важной особенностью ШД является, конечно же, их механическая характеристика.

Управление шаговым приводом

Управление шаговым двигателем в самом общем виде сводится к задаче отработать обусловленное число шагов в потребном направлении и с необходимой скоростью.

На блок управления шагового двигателя (т. е. драйвер) подаются определенные сигналы «сделать шаг» - «задать направление». Эти сигналы представляют собой ничто иное как – импульсы 5В.

Данные импульсы можно получить непосредственно от компьютера, к примеру, от LPT-порта, от специализированного контроллера управления шаговыми приводами или же задавать сигналы независимо от генератора 5В или источника питания.

Как правило, работой ШД управляет электронная схема, а его питание выполняется от источника постоянного тока. ШД используют для управления частотой вращения, чтобы не применять дорой контур обратной связи. Данный привод применяется в приводе исключительно с разомкнутой цепью.

Серводвигатели

Серводвигатель – это непосредственно двигатель с обратной связью, которой можно управлять, чтобы или достичь требуемой скорости (следовательно, крутящего момента) или же получить необходимый угол поворота. Именно для этой цели устройство обратной связи посылает определенные сигналы в цепь контроллера серводвигателя, сообщая о скорости и соответственно угловом положении. Если в результате наиболее высоких нагрузок скорость окажется гораздо, ниже требуемой величины, то ток будет увеличиваться покуда скорость не достигнет потребной величины. Когда сигнал скорости показывает, что она больше, чем необходимо, то ток соответственно, уменьшается. Если же по положению применена обратная связь, то сигнал о нем используется, чтобы остановить двигатель в тот момент, когда непосредственно ротор приблизится к необходимому угловому положению.

Для этого могут использоваться разные типы/виды датчиков, включая кодирующие устройства, например, такие как: потенциометры, тахометры и резольверы. Если применяется датчик положения типа кодирующего устройства или потенциометра, его сигнал вполне может быть дифференцирован для того, чтобы выработать определенный сигнал о скорости.

На сегодняшний день сервоприводы используются в высокопроизводительном оборудовании, к примеру, в таких производственных отраслях как: изготовление различных стройматериалов, напитков, упаковки, в полиграфии и подъемно-транспортной технике. Также в последнее время наблюдается тенденция к умножению доли сервоприводов в пищевой промышленности и деревообработке.

Решающим фактором использования сервоприводов является не только высокая их динамика, но и возможность получить высокостабильное или точное управление, широкий диапазон регулирования скорости, малые габариты и вес, а также помехоустойчивость.

Принципы работы серводвигателя

Серводвигатели функционируют вместе с устройствами, которые называются преобразователи (приводы или драйвера серводвигателей). Данные преобразователи меняют напряжение на обмотке возбуждения (или на якоре) сервомотора в зависимости от непосредственной величины напряжения на входе самого двигателя. Вся эта система, как правило, управляется стойкой ЧПУ (СNC). Далее схематично представлена система с сервомотором. Непосредственно под «усилителем» понимается драйвер серводвигателя.

К примеру, в программе, которая заложена в стойке ЧПУ, присутствует особая команда «на расстояние в 10 мм - переместиться по оси Y». На вход драйвера сервомотора со стойки ЧПУ подается определенное напряжение. Серводвигатель начинает вращать ходовой винт, соединенный с энкодером и порталом станка (т. е. перемещаемая часть со шпинделем). При вращении ходового винта энкодер вырабатывает определенные импульсы, которые подсчитывает стойка.

Математическое обеспечение стойки ЧПУ, как правило, устроено таким образом, что стойка «располагает сведениями», что: расстоянию в 10 мм соответствует, к примеру, 10 000 импульсов от энкодера. Следовательно, пока стойка станка не примет эти 10 000 импульсов, то на вход драйвера будет передаваться напряжение задания, то есть будет вырабатываться – рассогласование. Когда портал станка пройдет заданные 10 мм, стойка станка свои 10000 импульсов получает в полном объеме, поэтому напряжение на входе драйвера серводвигателя станет равным (0) «нулю», двигатель остановится, и станок отлично отработает строго 10 мм (причем при абсолютном отсутствии люфтов).

Если под каким-либо воздействием произойдет смещение портала станка – энкодер сразу выдаст импульсы. Данные импульсы будут сосчитаны стойкой, а затем она выдаст напряжение рассогласования непосредственно на драйвер, который повернет якорь двигателя на очень малый угол, чтобы рассогласование равнялось нулю. Таким образом, портал станка отлично удерживается возле заданной ему точки с достаточно высокой точностью.

Также нужно заметить, что далеко не каждый двигатель может поворачиваться на очень малые углы, обеспечивать нужный крутящий момент, динамику разгона и т. д. Это основная причина из-за чего сервоприводы относятся к дорогостоящим устройствам.

Синхронные серводвигатели

Синхронные серводвигатели – трехфазные синхронные электродвигатели с датчиком положения ротора, (т. е. AC-двигатели) и возбуждением от постоянных магнитов. Основным их достоинством является достаточно низкий момент инерции ротора по отношению к крутящему моменту, что в свою очередь позволяет реализовать высокое быстродействие. Всего лишь за десятки миллисекунд достигается разгон на номинальную частоту вращения и реверс с полной скоростью в пределах 1-го оборота вала двигателя.

Как правило, основная область применения данных двигателей является приводы подач станков, а также технологические установки с временным циклом менее 1 секунды (к примеру, быстродействующие позиционные системы самодействующих складов, производство упаковки).

Для сервоприводов характерны такие показатели как

управление по моменту, по скорости или по позиции;
статическая точность поддержания скорости непосредственно по валу двигателя не более чем 0,01%;
диапазон регулирования скорости более чем в 1:1000;
точность поддержания позиции по валу двигателя менее ± 10;
компактные размеры и низкий вес:

1 - разъем для подключений;
2 - статор с обмоткой;
3 - датчик скорости и положения;
4 - ротор с магнитами;
5 - электромагнитный тормоз.

отсутствие и бесконтактность узлов, требующих обслуживания;
достаточно высокое быстродействие;
значительная перегрузочная способность по моменту (т. е. кратность предельного момента кратковременно может превысить 3);
практически неограниченный диапазон (1:10 000 и более) для регулирования частоты вращения;
показатели кпд вентильных двигателей, как правило, превышают 90%, при изменении мощности нагрузки двигателя, при колебаниях напряжения питающей электросети меняются очень несущественно, в отличие от асинхронных электродвигателей, где максимальный кпд не превышает и 86%, а также, напрямую зависит от изменений нагрузки;
достаточно низкий перегрев вентильного электродвигателя, потому как на роторе двигателя отсутствует обмотка, что существенно увеличивает его срок службы, работающего в режиме учащенных перегрузок;
довольно-таки большая плотность момента на одну единицу массы электродвигателя.

Шаговые двигатели или серводвигатели: выбор двигателей для фрезерно-гравировального станка

Прежде всего, нужно сравнить два вида этих моторов по некоторым параметрам:


Срок службы и обслуживания	Шаговые двигатели – бесщеточные, поэтому единственными изнашиваемыми деталями в конструкции являются подшипники (изначально очень надежная конструкция). Это позволяет считать их двигателями высокой надежности и не требующих обслуживания долгий срок.		Дешевые модели сервоприводов коллекторного типа (со щетками) менее надежны, чем шаговые двигатели и требуют замены щеток примерно через 5000 часов непрерывной работы. Большинство современных бесколлекторных сервоприводов от известных японских производителей отличаются высокой надежностью (близкой к надежности шаговых двигателей).
	Порча подшипников происходит очень редко. Может сгореть обмотка статора. Дешевле купить новый двигатель.		Ремонтопригодны только самые дорогие модели. Проще двигатель сразу менять.
Точность перемещений	При хорошей механике точность не ниже +/- 0.01 мм		У высококачественных сервоприводов точность не ниже +/- 0.002 мкм. Такая точность достижима в случае использования сервоприводов контурного управления (точно обрабатывающих заданную траекторию). Нельзя использовать сервопривода для позиционного управления, так как они иногда дают погрешность значительно превышающую, погрешность в шаговых двигателях!
Скорость перемещения, мощность	В гравировально-фрезерных станках используя шаговые двигатели можно добиться скорости 20 – 25 метров в минуту. При увеличении скорости шаговые двигатели сильно теряют в крутящем моменте.		С использованием сервоприводов в станках с ЧПУ возможно достижение скоростей до 60 м/мин и более.
Скорость разгона	до 120 об/мин за секунду		до 1000 об/мин за 0,2 секунды
Эффект потери шагов при повышении скорости и нагрузки	На скоростях выше номинальных и повышенных нагрузках начинает проявляться эффект потери шагов (смотрите выше график возможной нагрузки от скорости вращения двигателя – механическую характеристику). Потеря шагов возможна также в случае каких либо внешних воздействий: ударов, вибраций, резонансов и т.п. Современные системы управления шаговыми двигателями позволяют избавиться от этого общего недостатка шаговых двигателей.		Так как сервосистема – это система с обратной связью: в сервомоторе имеется датчик положения, по которому (в случае несоответствия) делается коррекция - то эффекта потери шагов в ней нет.
Принудительная остановка (столкновение с препятствием)	Принудительная остановка шагового двигателя не вызывает у него никаких повреждений		В случае принудительной остановки серводвигателя, драйвер мотора должен правильно среагировать на данную остановку. В противном случае по обратной связи подается сигнал на доработку не пройденного расстояния, повышается ток на обмотках, двигатель может перегреться и сгореть!
Ценовой критерий		Шаговые двигатели значительно дешевле серводвигателей, особенно шаговые двигатели китайского производства.	Чисто конструктивно (датчик положение, более сложный, чем у шагового двигателя, драйвер) серводвигатели дороже шаговых. К тому же, я не встречал в своей практике дешевых китайских серводвигателей.

Шаговый двигатель и сервопривод абсолютно не являются конкурентами, так как каждый занимает исключительно свою предопределенную нишу.

Сравнение работы простого Серво и Шагового двигателей

Для понимания различия между обычным шаговым и серво двигателем давайте рассмотрим работу системы именно с шаговым мотором, на котором непосредственно стоит энкодер (шаговый серводвигатель).

Контроллер выдал команду на какое-то количество шагов – повернуть вал. В обычном шаговом двигателе контроллер не в курсе, насколько конкретно шагов повернулся вал (т. к. у него отсутствует обратная связь). Просто он «считает», что вал повернулся правильно. А ведь бывает, что двигатель не смог повернуть вал или силы не хватило или по другой какой-либо причине. Хотя при этом контроллер четко отсчитал импульсы. Это и есть так называемый пропуск шагов в шаговом двигателе.

В серводвигателе же подобная проблема полностью отсутствует. Контроллер дал команду вал повернуть настолько-то импульсов и ожидает покуда с энкодера придет сигнал, который подтвердит, что вал повернулся на необходимое число импульсов. При этом если с энкодера поступил, хотя бы на 1 импульс меньше, контроллер все равно будет продолжать подавать команду, пока с энкодера не поступит последний импульс, который выровняет соотношение истинного и заданного количества импульсов. Либо же по истечении заданного периода времени, контроллер выдаст специальный сигнал «Ошибка перемещения».

В сервоприводе удержание осуществляется исключительно за счет тока, протекающего непосредственно через обмотку двигателя. При этом в момент удержания половины периода ток поступает в одном направлении, а вторую половину оставшегося времени в ином направлении. Именно за счет этого происходит удержание якоря. В это время по импульсам с энкодера подходит проверка, якорь на месте (на выходе нет ни одного импульса) или же сдвинулся (на выходе энкодера, как правило, появится импульс, вернее код).

Преимущества шагового двигателя

Шаговые двигатели существенно дешевле, нежели серводвигатели.
- Простота конструкции, а значит и простота ремонта.
- Простота системы управления (подходят практически все программы написанные для CNC станков).

Преимущества серводвигателя

Бесшумность и плавность работы в некоторых случаях делают сервоприводы единственным возможным вариантом для работы.
- Надежность и безотказность: возможность применения в ответственных устройствах.
- Высокая точность и скорость перемещений доступны также и на низких скоростях.- Способность двигателя может выбираться пользователем непосредственно от того какую конкретно задачу необходимо выполнить.

Выводы

Ограничением в использовании шаговых двигателей являются мощность и соответственно скорость, однако по практике, их применение целиком оправданно в недорогих станках имеющих систему ЧПУ, предназначенных для обработки дерева, ДСП, МДФ, пластиков, легких металлов и прочих материалов средней скорости, необходимости производителей станков с ЧПУ по точности и по скорости. Если по каким-либо причинам такие параметры не устраивают, то, как правило, используют сервоприводы. Но стоит заметить, что при этом резко и, причем значительно поднимается стоимость конструкции в целом.

Если смотреть с другой стороны, то достичь реальной экономии времени обработки и даже при скоростных сервоприводах, можно за счет экономии на переходах и соответственно оптимизации путей обработки. В остальное же время, скорость весьма ограничена – режимами резки. Между деталью и приводом есть еще и фреза о чем часто забывают.

Достоинства сервопривода таковы, что использовать их можно было бы постоянно, когда только возможно, конечно если бы не два существенных недостатка: цена самого комплекта (т. е. блок управления + сервомотор) и сложность настройки, которая временами делает применение сервопривода совершенно – необоснованным.

В каких случаях необходимы сервоприводы

При скоростных раскроях материала «листового» (скорость перемещения инструмента более чем 25 метров в минуту). Следовательно, в таком случае целесообразно приобретать именно «раскроечный» станок с достаточно мощным шпинделем (до 5 кВт) и с цангой под большой инструмент, с вакуумным столом, с системой удаления стружки и, конечно же, с сервоприводами.
При производстве матриц и форм с претензионной точностью изготовления. В данном случае больше всего подходит фрезерный обрабатывающий центр, который можно заказать у компании INTERLASER.

В остальных же случаях наиболее чаще приобретают машины именно с шаговыми двигателями – просто это наиболее практичнее.

Новости

Внимание! Новинка! Высокоточный лазерный станок CCD IL-6090 SGC (с камерой), оснащенный усовершенствованной системой оптического распознавания объектов. Благодаря современному программному обеспечению и высококачественным комплектующим, станок способен самостоятельно распознавать и сканировать необходимые объекты из множества представленных, после чего вырезать их в заданных границах по необходимым параметрам.

Добрый день! Компания INTERLASER, сообщает Вам о огромном поступлении линз, зеркал для лазерного оборудованияЦены самые низкие на линзы и зеркала:Линзы для лазерных станков ZnSe (США):диаметр 20, фокус 2 (50.8 мм) - 3 304 рубдиаметр 20, фокус 5 (12.7 мм) - 3 304 рубдиаметр 25, фокус 2.5 (63.5 мм) - 7 350 руб Линзы для лазеров ZnSe (Китай):диаметр 20, фокус 2 (50.8 мм) - 2 450 рубдиаметр 20, фокус 5 (127 мм) - 2 450 рубдиаметр 25, фокус 2.5 (63.5 мм) - 4 900 руб Зеркала:диаметр 20 мм, толщина 2/3 мм - 840 рубдиаметр 25 мм, толщина 2/3 мм - 980 рубдиаметр 30...