Czy silnik serwo zawsze jest niezbędny? Porównanie technologii silników krokowych, BLDC i serwo pod kątem sterowania, wydajności i kosztów

Charakterystyka i różnice technologiczne

Silniki krokowe – precyzja bez nadmiarowej technologii

Ich praca opiera się na otwartej pętli sterowania i wykonywaniu ruchów krokowych o stałym kącie. Zalety silników krokowych obejmują:

• prostą budowę oraz niższe koszty wdrożenia,
• dobrą precyzję pozycjonowania bez konieczności stosowania sprzężenia zwrotnego,
• wysoką dostępność momentu przy niskich prędkościach.

Silniki krokowe stają się szczególnie efektywne w aplikacjach, gdzie obciążenia są stabilne, a precyzja ruchu mieści się w akceptowalnych granicach. Trzeba przy tym pamiętać, że w przypadku utraty kroków pod wpływem przeciążenia, brak zamkniętej pętli może prowadzić do błędów pozycjonowania.

Warto jednak zauważyć, że na rynku dostępne są silniki krokowe z enkoderami, które działają w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego. Dzięki temu możliwa jest kontrola pozycji oraz eliminacja problemu utraty kroków, co znacząco zwiększa precyzję i niezawodność pracy napędu. Silniki te stanowią doskonałą alternatywę dla serwo w aplikacjach, które wymagają lepszego monitorowania pozycji i stabilności działania. Takie właśnie rozwiązania ma w swojej ofercie firma igus. Jej produkty wyróżniają się wysoką niezawodnością i doskonałą kompatybilnością z systemami liniowymi drylin.

Przykłady zastosowań silników krokowych obejmują druk 3D, systemy dozowania oraz automatyczne przenośniki. W takich aplikacjach duża precyzja i powtarzalność są ważne, ale nie wymagają dynamiki i sprawności charakterystycznych dla silników serwo.

 

Fot. 1. drylin E – silniki firmy igus są bezobsługowe i trwałe, dostępne w różnych rozmiarach z opcją ze złączem metrycznym, hamulcem i enkoderem
(źródło: igus Gmbh)

Silniki BLDC – wysoka sprawność w rozsądnej cenie

Bezszczotkowe silniki prądu stałego (BLDC) od firmy igus stanowią kompromis pomiędzy silnikami serwo a krokowymi.

Charakteryzują się:

• mniejszym zużyciem energii i dłuższą żywotnością dzięki eliminacji szczotek;
• lepszym stosunkiem mocy do masy;
• możliwością pracy z zamkniętą lub otwartą pętlą w zależności od aplikacji,
• cichą pracą.

Silniki BLDC współpracują z nowoczesnymi sterownikami, które umożliwiają precyzyjne sterowanie prędkością i momentem obrotowym, co czyni je idealnym wyborem do aplikacji wymagających wydajności przy umiarkowanych kosztach.

Zastosowanie enkoderów w silnikach BLDC umożliwia zaawansowane sterowanie ruchem, łącząc wysoką dynamikę z precyzją. Co więcej, ich cena w połączeniu z długą żywotnością sprawia, że są konkurencyjną alternatywą dla serwonapędów w takich branżach, jak np.:

• automatyka przemysłowa – precyzyjne przenoszenie i pozycjonowanie elementów;
• robotyka i mechatronika – napęd ramion robotów, chwytaków czy wózków jezdnych;
• druk 3D – kontrola ruchu osi w drukarkach 3D dla lepszej jakości druku
• branża spożywcza – w połączeniu z systemami liniowymi drylin tworzą tam higieniczne, bezsmarowe rozwiązania.

Silniki serwo – szybkość i precyzja za odpowiednią cenę

Silniki serwo to napędy z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego (feedback), które bazują na enkoderach lub resolverach w celu monitorowania pozycji, prędkości i momentu obrotowego. Dzięki temu system serwo jest w stanie:

• utrzymywać precyzyjną kontrolę ruchu przy zmiennych obciążeniach;
• generować wysoki moment przy niskich prędkościach;
• dynamicznie zmieniać parametry pracy, co jest kluczowe np. w robotyce lub maszynach CNC.

Jednak wadą serwonapędów jest ich wysoki koszt oraz skomplikowane sterowanie, które wymaga odpowiedniego programowania i komunikacji z systemami PLC.

 

Fot. 2. drylin E – silnik krokowy z enkoderem (źródło: igus Gmbh)

Sposoby sterowania i komunikacja z PLC

Wybór odpowiedniego sterownika ma kluczowe znaczenie dla wydajności napędu. W przypadku igus dostępne są sterowniki D1, które oferują wsparcie dla silników krokowych oraz BLDC. Dzięki wszechstronnemu oprogramowaniu oraz interfejsom komunikacyjnym sterowniki D1 umożliwiają:

• sterowanie prędkością, momentem i pozycją;
• komunikację z systemami PLC za pomocą standardowych protokołów przemysłowych, takich jak Modbus TCP, CANopen czy Profibus;
• programowanie ruchu z użyciem intuicyjnych narzędzi, co znacznie skraca czas integracji i wdrożenia.

Dodatkowo silniki krokowe z zamkniętą pętlą (tzw. hybrydowe), w połączeniu z odpowiednim sterownikiem, są w stanie skutecznie wyeliminować problem utraty kroków, oferując kontrolę pozycji zbliżoną do silników serwo.

 

Fot. 3. drylin E – silniki ST w różnych rozmiarach (źródło: igus Gmbh)

Porównanie momentów i wydajności

• Silniki krokowe utrzymują wysoki moment przy małych prędkościach, ale wraz ze wzrostem prędkości moment spada. W aplikacjach statycznych lub o stałym obciążeniu stanowią doskonałą alternatywę dla serwo.
• Silniki BLDC oferują płynne przejście pomiędzy wysoką prędkością a momentem obrotowym. W wielu aplikacjach ich wydajność dorównuje serwom przy znacznie niższych kosztach.
• Silniki serwo zapewniają dynamiczną regulację momentu w szerokim zakresie prędkości. Są idealne do aplikacji wymagających szybkiej reakcji i zmiany obciążenia.

 

Fot. 4. drylin E – silniki BLDC z czujnikiem Halla i enkoderem, czyli ekonomiczna alternatywa dla serwosilników (źródło: igus Gmbh)

Dlaczego warto wybrać silniki od igus?

Wybór odpowiedniego napędu zależy od specyfiki aplikacji. Silniki serwo pozostają niezastąpione w systemach o najwyższych wymaganiach dynamicznych i precyzyjnych. Jednak nowoczesne silniki krokowe oraz BLDC w połączeniu z zaawansowanymi sterownikami, takimi jak igus D1, stanowią efektywną i tańszą alternatywę w wielu zastosowaniach przemysłowych. Odpowiednia analiza potrzeb i dostępnych technologii pozwala optymalizować koszty bez kompromisu w zakresie wydajności.

igus
www.igus.pl