Silnik serwo czy krokowy – jak wybrać najlepszy?

Przytłaczająca większość zastosowań w ruchu liniowym (z wyjątkiem typów napędzanych pneumatycznie) wykorzystuje silnik krokowy lub silnik serwo, aby zapewnić moment obrotowy mechanizmowi napędowemu w maszynach CNC, którym jest zazwyczaj śruba kulowa lub listwa zębata z kołem zębatym. I w przeciwieństwie do innych elementów związanych z ruchem liniowym, przy wyborze silnika zwykle jest jasna odpowiedź na pytanie: „Z której technologii powinienem korzystać?” Jest tak, ponieważ serwosilniki i silniki krokowe są zaprojektowane dla bardzo różnych charakterystyk wydajności. Określenie, który silnik ma być użyty dla danej aplikacji, wymaga zrozumienia tych różnic i zrównoważenia ich z innymi czynnikami, takimi jak koszt i złożoność.

Zastosowania ruchu liniowego są zwykle napędzane przez silnik serwo lub silnik krokowy.

Podstawowym założeniem serwosilnika jest to, że pracuje on w układzie zamkniętej pętli, co oznacza, że enkoder lub urządzenie sprzężenia zwrotnego wysyła sygnały do sterownika wskazujące rzeczywistą pozycję silnika. Informacje te są porównywane z zadaną pozycją, a sterownik wysyła sygnały naprawcze do silnika w celu zminimalizowania błędu. Rezultatem jest bardzo duża dokładność pozycjonowania i niezawodne pozycjonowanie, niż można osiągnąć w przypadku silników krokowych. Jednak systemy z zamkniętą pętlą wymagają dostrajania parametrów sterowania i są bardziej czasochłonne w konfiguracji. Dodatkowe elementy wymagane do sprzężenia zwrotnego i większa złożoność sprawiają, że są one droższe niż krokówki.

Silnik krokowy, w który wyposażony jest między innymi ploter frezujący, pracuje w układzie z otwartą pętlą, bez mechanizmu sprzężenia zwrotnego, który potwierdza, że silnik rzeczywiście osiągnął zadane położenie. Jednak osiągnięcie dokładnej pozycji jest ogólnie łatwiejsze dla silników krokowych, ponieważ poruszają się one w dyskretnych krokach – z maksymalnie 500 krokami na obrót, co oznacza, że każdy krok jest równy 0,75 stopnia obrotu silnika. Gdy silniki krokowe działają w granicach swoich ograniczeń konstrukcyjnych, nie „gubią” kroków, co zapewnia im bardzo dobrą dokładność pozycjonowania w aplikacjach z przewidywalnymi wymaganiami dotyczącymi momentu obrotowego i prędkości.

Prędkość działania obu silników w maszynach CNC

Ogólna zasada jest taka, że silniki krokowe najlepiej nadają się do zastosowań, które pracują z prędkością 1000 obr / min i niższą. Wynika to z faktu, że przy wyższych prędkościach moment obrotowy silnika krokowego gwałtownie spada. Serwosilniki mogą pracować z szerokim zakresem prędkości i zwykle są lepszym wyborem dla aplikacji o dużej prędkości.

Podczas postoju silniki krokowe mogą wykorzystywać swój ustalony moment obrotowy do utrzymywania obciążenia na miejscu, bez zasilania silnika. Silniki serwo są również w stanie utrzymać obciążenie podczas postoju, ale w tym celu wymagają zasilania silnika. Ponadto w stanie spoczynku silnik serwo nigdy nie jest całkowicie nieruchomy, ponieważ sterownik stale odczytuje sprzężenie zwrotne z enkodera i wydaje polecenia przesuwania w celu kompensacji błędów pozycji. (Zjawisko to jest czasami określane jako „polowanie” na pozycję).

Jak więc wygląda moment obrotowy maszyny CNC?

Jak wspomniano wcześniej, silnik krokowy gwałtownie traci zdolność momentu obrotowego wraz ze wzrostem prędkości, przy czym moment obrotowy zwykle spada z prędkością powyżej 1000 obr / min. Jednak przy niższych prędkościach silniki krokowe mają doskonałą zdolność do wytwarzania momentu obrotowego dla danego rozmiaru silnika. Ważne jest jednak, aby nigdy nie przekraczać znamionowego momentu obrotowego silnika krokowego (co może ograniczać jego zdolność do przyspieszania), ponieważ może to doprowadzić do utraty kroków lub spowodować zgaśnięcie silnika.

Serwosilniki są lepszą technologią do zastosowań, w których wymagany jest dobry moment obrotowy przy dużych prędkościach. Serwa są również w stanie utrzymać dany moment obrotowy, nawet przy zmianie prędkości silnika. Mają zarówno szczytowy moment obrotowy (Tpk), jak i ciągły moment obrotowy (Tc). Zauważ, że ciągły moment obrotowy silnika serwo (niebieski) nie spada tak dramatycznie, jak silnik krokowy (zielony) wraz ze wzrostem prędkości. W przeciwieństwie do serwosilników, które pobierają tylko prąd potrzebny do osiągnięcia pożądanego ruchu, silniki krokowe pobierają prąd w sposób ciągły, niezależnie od obciążenia i prędkości. Powoduje to wyższe wytwarzanie ciepła, co może być czynnikiem negatywnym w niektórych zastosowaniach.

stepper motor
Źródło zdjęcia: Kollmorgen

Zasadniczo serwosilniki są lepszym wyborem dla aplikacji wymagających precyzyjnego i dokładnego pozycjonowania, dużych prędkości i / lub zdolności do wytrzymywania zmieniających się obciążeń (szczególnie tych, które mogą wymagać wyższego niż znamionowy moment obrotowy silnika). W aplikacjach, które nie wymagają sprzężenia zwrotnego położenia i działają wyłącznie w granicach konstrukcyjnych silnika, silniki krokowe zapewniają prostsze, bardziej ekonomiczne rozwiązanie.

W Mizera Automation używamy wyłącznie silników serwo dlatego, że maszyny przez nas produkowane poruszają się z bardzo wysokimi prędkościami i dużą dynamiką co jest w stanie zapewnić jedynie silnik serwo. Dodatkowo w przypadku ploterów bramy maszyny muszą być ciężkie, co pozwala na eliminowanie drgań podczas obróbki. Natomiast w przypadku maszyn tnących stal belka musi być dynamiczna, co pozwala na bardzo szybkie zmiany pozycji z dużą prędkością cięcia. Dlatego naszym wyborem są silniki servo.