В чём разница между двигателями постоянного тока, сервоприводами и шаговыми двигателями?
Нужен мотор для вашего проекта, но не уверены, какой тип выбрать? Мы предлагаем несколько различных видов, поэтому, надеемся, этот обзор различий между двигателями постоянного тока (DC), сервоприводами и шаговыми двигателями поможет вам определиться!
Двигатели постоянного тока (DC)
Двигатели постоянного тока (Direct Current, DC) — это двухпроводные (питание и земля) моторы непрерывного вращения. Когда вы подаёте питание, DC-мотор начинает вращаться и продолжает вращаться, пока питание не будет снято. Большинство DC-моторов работают на высоких оборотах (обороты в минуту, RPM), примерами являются вентиляторы охлаждения компьютеров или колёса радиоуправляемых автомобилей!
Скорость DC-моторов управляется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ, PWM) — техники быстрого пульсирующего включения и выключения питания. Процент времени, затраченного на цикл включения/выключения, определяет скорость мотора, например: если питание циклически переключается на 50% (половина включено, половина выключено), то мотор будет вращаться с половинной скоростью от 100% (полностью включено). Каждый импульс настолько быстрый, что мотор выглядит непрерывно вращающимся без рывков!
Сервоприводы (Servo)
Сервоприводы, как правило, представляют собой сборку из четырёх компонентов: DC-мотора, набора шестерён, схемы управления и датчика положения (обычно потенциометра).
Положение сервоприводов можно контролировать более точно, чем у стандартных DC-моторов, и они обычно имеют три провода (питание, земля и управление). Питание на сервоприводы подаётся постоянно, а схема управления сервопривода регулирует потребляемый ток для привода мотора. Сервоприводы предназначены для более специфических задач, где положение должно быть определено точно, например: управление рулём на лодке или перемещение роботизированной руки или ноги робота в определённом диапазоне.
Сервоприводы не вращаются свободно, как стандартный DC-мотор. Вместо этого угол поворота ограничен 180 градусами (или около того) вперёд и назад. Сервоприводы получают управляющий сигнал, который представляет выходное положение, и подают питание на DC-мотор до тех пор, пока вал не повернётся в правильное положение, определяемое датчиком положения.
ШИМ используется для управляющего сигнала сервоприводов. Однако, в отличие от DC-моторов, именно длительность положительного импульса определяет положение, а не скорость вала серво. Нейтральное значение импульса, зависящее от серво (обычно около 1,5 мс), удерживает вал серво в центральном положении. Увеличение этого значения импульса заставит серво поворачиваться по часовой стрелке, а более короткий импульс повернёт вал против часовой стрелки. Управляющий импульс серво обычно повторяется каждые 20 миллисекунд, по сути указывая серво, куда двигаться, даже если это означает оставаться в том же положении.
Когда серво получает команду на перемещение, он переместится в указанное положение и будет удерживать это положение, даже если внешняя сила давит на него. Серво будет сопротивляться перемещению из этого положения, а максимальная сила сопротивления, которую серво может оказать, определяется характеристикой крутящего момента этого серво.
Шаговые двигатели (Stepper)
Шаговый двигатель — это, по сути, сервопривод, который использует другой метод приведения в движение. Там, где сервопривод использует DC-мотор непрерывного вращения и встроенную схему управления, шаговые двигатели используют множество зубчатых электромагнитов, расположенных вокруг центральной шестерни, для определения положения.
Шаговые двигатели требуют внешней схемы управления или микроконтроллера (например, Raspberry Pi или Arduino) для индивидуального возбуждения каждого электромагнита и вращения вала мотора. Когда электромагнит „A“ запитан, он притягивает зубья шестерни и выравнивает их, слегка смещённые относительно следующего электромагнита „B“. Когда „A“ выключается, а „B“ включается, шестерня слегка поворачивается для выравнивания с „B“, и так далее по кругу, с каждым электромагнитом вокруг шестерни, который поочерёдно включается и выключается для создания вращения. Каждый поворот от одного электромагнита к следующему называется «шагом», и таким образом мотор может поворачиваться на точные заранее определённые углы шага через полный оборот 360 градусов.
Шаговые двигатели доступны в двух вариантах: униполярные и биполярные. Биполярные моторы — это самый мощный тип шагового двигателя, и обычно имеют четыре или восемь выводов. У них внутри два набора электромагнитных катушек, и шаговое движение достигается изменением направления тока в этих катушках. Униполярные моторы, отличающиеся наличием 5, 6 или даже 8 проводов, также имеют две катушки, но каждая из них имеет центральный отвод. Униполярные моторы могут выполнять шаги без необходимости реверсирования направления тока в катушках, что упрощает электронику. Однако, поскольку центральный отвод используется для возбуждения только половины каждой катушки за раз, они обычно имеют меньший крутящий момент, чем биполярные.
Конструкция шагового двигателя обеспечивает постоянный удерживающий крутящий момент без необходимости подачи питания на мотор, и, при условии, что мотор используется в пределах своих характеристик, ошибки позиционирования не возникают, поскольку шаговые двигатели имеют физически предопределённые позиции.
Итоги
Это довольно сжатый обзор сложной и в некоторой степени спорной области (особенно в отношении плюсов и минусов шаговых двигателей против сервоприводов!), но, надеемся, он поможет вам сделать более осознанный выбор для ваших моторных нужд!
Двигатели постоянного тока (DC)
Быстрые моторы непрерывного вращения — используются для всего, что должно вращаться с высокими оборотами, например: колёса автомобилей, вентиляторы и т.д.
Сервоприводы (Servo)
Быстрое, высокомоментное, точное вращение в ограниченном диапазоне углов — как правило, высокопроизводительная альтернатива шаговым двигателям, но более сложная настройка с подбором ШИМ. Подходят для роботизированных рук/ног или управления рулём и т.д.
Шаговые двигатели (Stepper)
Медленное, точное вращение, простая настройка и управление — преимущество перед сервоприводами в позиционном контроле. Там, где сервоприводы требуют механизма обратной связи и вспомогательных схем для управления позиционированием, шаговый двигатель обеспечивает позиционный контроль благодаря своей природе вращения дробными приращениями. Подходят для 3D-принтеров и аналогичных устройств, где положение является основополагающим.