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:

1. Гибридные двигатели – наиболее часто используемые во фрезерных станках с числовым программным управлением.
2. Двигатели с постоянными магнитами.
3. 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:

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.