Серво мотор: дефиниция, принцип на действие и приложения

Серво мотор: Дефиниция, принцип на действие и приложения

Основни усвоявания:

Дефиниция на серво мотора: Серво мотор е дефиниран като електрически мотор, който предоставя точен контрол върху ъгловата или линейната позиция, скоростта и момента чрез система с обратна връзка.

Управляващи системи: Серво моторът използва напредничави управляващи системи като PID и нечетка логика, за да коригира движението в съответствие с входящите и обратни сигнали за оптимално изпълнение.

Типове мотори: Различните типове включват AC и DC серво мотори, с подтипове като синхронни, асинхронни, с щетки и без щетки, всеки от които е предназначен за специфични приложения.

Механизъм за обратна връзка: Ефективното използване на сензори като потенциометри и кодери помага за точен мониторинг и корекции на позициите, скоростите или моментите на мотора.

Видимост на приложенията: Серво моторите са важни в области с висока прецизност като роботика, CNC машини и автоматизирано производство, заради способността им да обработват сложни движения и задачи.

Серво моторът е дефиниран като електрически мотор, който позволява точен контрол върху ъгловата или линейната позиция, скоростта и момента. Той се състои от подходящ мотор, свързан с сензор за обратна връзка по позиция, и контролер, който регулира движението на мотора в съответствие с желаната референтна точка.

Серво моторите са основни в индустрии като роботика, CNC машини и автоматизирано производство поради техния прецизен, бърз отговор и плавно движение.

В тази статия ще обясним основната теория на серво моторите, как работят, как се управляват и някои от най-общи приложенията им.

Какво е серво мотор?

Въведение в серво мотора: Серво моторът е електрически мотор, който регулира позицията, скоростта или момента си в отговор на входящи сигнали от контролера.

Терминът серво произлиза от латинската дума servus, означаваща слуга или роб. Това отразява историческото използване на серво моторите като допълнителни приводи, които помагат на основната приводна система.

Но съвременните серво мотори са способни да предоставят високо изпълнение и прецизност като основни приводи в различни приложения.

Серво моторът се състои от три основни компонента:

Мотор: Това може да бъде DC мотор или AC мотор, в зависимост от източника на енергия и изискванията на приложението. Моторът предоставя механичната мощ, за да завърти или движи изходния вал.

Сензор: Това може да бъде потенциометър, кодер, резолвер или друго устройство, което измерва позицията, скоростта или момента на изходния вал и изпраща сигнали за обратна връзка към контролера.

Контролер: Това може да бъде аналогово или цифрово устройство, което сравнява сигналите за обратна връзка от сензора с желаните референтни сигнали от външен източник (като компютър или джойстик) и генерира управляващи сигнали, за да коригира напрежението или токът на мотора според това.

Контролерът използва затворена система с обратна връзка, коригирайки движението на мотора, за да се придържа строго към желаната референтна точка, поддържайки строга точност.

Контролерът може също да реализира различни алгоритми за управление, като пропорционално-интегрално-диференциално (PID) управление, нечетка логика, адаптивно управление и т.н., за да оптимизира изпълнението на серво мотора.

Как работи серво мотор?

Основният принцип на действие на серво мотор включва контролера, който получава два типа входящи сигнали:

Сигнал за референтна точка: Това е аналогов или цифров сигнал, представляващ желаната позиция, скорост или момент на изходния вал.

Сигнал за обратна връзка: Това е аналогов или цифров сигнал, представляващ действителната позиция, скорост или момент на изходния вал, измерена от сензора.

Контролерът сравнява тези два сигнала и изчислява сигнал за грешка, който представя разликата между тях.

Сигналът за грешка после се обработва от алгоритъм за управление (като PID), който генерира управляващ сигнал, който определя колко напрежение или ток трябва да се приложи към мотора.

Управляващият сигнал се изпраща към усилвател на мощност (като H-мост), който го преобразува в подходящо напрежение или ниво на тока за управление на мотора.

Моторът после се завърта или движи в съответствие с управляващия сигнал, изменяйки позицията, скоростта или момента си, и изпраща нов сигнал за обратна връзка към контролера.

Процесът се повтаря, докато сигналът за грешка стане нула или пренебрежим, показвайки, че изходният вал е достигнал желаната референтна точка.

Типове серво мотори

Серво моторите могат да бъдат класифицирани на различни типове в зависимост от източника на енергия, конструкцията, механизма за обратна връзка и приложението.

AC серво мотори

AC серво моторите са електрически мотори, които работят на чередувашко напрежение (AC). Те имат статор, който генерира въртящо магнитно поле, и ротор, който следва полето.

AC серво моторите, питащи се с чередувашко напрежение, разполагат със статор, който създава въртящо магнитно поле, и ротор, който се синхронизира с това поле за ефективна работа.

AC серво моторите могат да бъдат разделени на два типа: синхронни и асинхронни.

Синхронните AC серво мотори имат постоянен магнитен ротор, който се върти със същата скорост като полето на статора. Те са по-ефективни, прецизни и реактивни от асинхронните мотори, но изискват по-сложен контролер и сензор за позиция.

Асинхронните AC серво мотори имат намотан ротор, който индуцира ток и магнитно поле, което закъснява след полето на статора. Те са по-прости, евтини и издръжливи от синхронните мотори, но имат по-ниска ефективност, точност и скорост.

AC серво моторите са подходящи за приложения с висока мощност, които изискват висока скорост, момент и надеждност. Те се използват широко в промишлените машини, роботика, CNC машини и т.н.

DC серво мотори

DC серво моторите са електрически мотори, които работят на постоянното напрежение (DC). Те имат постоянен магнитен статор, който генерира фиксирано магнитно поле, и намотан ротор, който се върти, когато се приложи ток.

DC серво моторите могат да бъдат разделени на два типа: с щетки и без щетки.

DC серво моторите с щетки имат комутатор и щетки, които превключват посоката на тока в намотките на ротора. Те са прости, евтини и лесни за управление, но имат по-ниска ефективност, продължителност на живот и скорост поради триене и износване на щетките.

DC серво моторите без щетки имат електронен контролер, който превключва посоката на тока в намотките на статора. Те са по-ефективни, издръжливи и бързи от моторите с щетки, но изискват по-сложен контролер и сензор за позиция.

DC серво моторите са подходящи за приложения с ниска мощност, които изискват висока прецизност, реактивност и плавно движение. Те се използват широко в хобийни проекти, играчки автомобили, CD/DVD плейъри и т.н.

Линейни серво мотори

Линейните серво мотори са електрически мотори, които произвеждат линейно движение вместо въртящо. Те имат неподвижна част, наречена форсер или первична, която съдържа намотки или магнити, и движеща се част, наречена платен или вторична, която съдържа магнити или железни ядра.

Линейните серво мотори могат да бъдат разделени на два типа: с железно ядро и без железно ядро.

Линейните серво мотори с железно ядро имат железни ядра в платена, които взаимодействат с магнитното поле на форсера. Те имат висока плътност на сила, жесткост и точност, но също така висока сила на когинг, тегло и генериране на топлина.

Линейните серво мотори без железно ядро нямат железни ядра в платена, само магнити. Те имат ниска сила на когинг, тегло и генериране на топлина, но също така ниска плътност на сила, жесткост и точност.

Линейните серво мотори са подходящи за приложения, които изискват висока скорост, ускорение и прецизност на дълги разстояния. Те се използват широко в производството на полупроводници, метрология, лазерно рязане и т.н.

Как да се управлява серво мотор?

Управлението на серво мотор зависи от типа на мотора, механизма за обратна връзка и изискванията на приложението.

Общо взето, има два типа управляващи сигнали, които могат да се използват за управление на серво мотор: аналогови и цифрови.

Аналоговите управляващи сигнали са непрекъснати сигнали за напрежение или ток, които варират пропорционално на желаната референтна точка. Те се използват обикновено за прости или евтини серво системи, които не изискват висока точност или разрешителна способност. Например, потенциометър може да се използва за генериране на аналогов управляващ сигнал за хобийен серво мотор.

Цифровите управляващи сигнали са дискретни импулси или битове, които представляват желаната референтна точка в кодирана форма. Те се използват обикновено за сложни или високоперформансни серво системи, които изискват висока точност, разрешителна способност или комуникация. Например, сигнал за широчина на импулса (PWM) може да се използва за генериране на цифров управляващ сигнал за безщетков DC серво мотор.

Контролерът на серво мотор може да бъде или външно устройство, или интегрирана схема в мотора. Контролерът приема управляващите сигнали от външен източник (като компютър или джойстик) и сигнали за обратна връзка от сензора и генерира подходящите управляващи сигнали за управление на мотора.

Контролерът може също да реализира различни алгоритми за управление, за да оптимизира изпълнението на серво мотора. Някои от общи алгоритми за управление са:

Пропорционално-интегрално-диференциално (PID) управление: Това е алгоритъм за управление, базиран на обратна връзка, който коригира управляващия сигнал въз основа на пропорционалната, интегралната и диференциалната части на сигнала за грешка. Той се използва широко за серво системи, които изискват бърз и точен отговор.

Управление с нечетка логика: Това е алгоритъм за управление, базиран на правила, който коригира управляващия сигнал въз основа на нечетки множества и лингвистични променливи. Той е полезен за серво системи, които се справят с несигурност или нелинейности.

Адаптивно управление: Това е самонастройващ алгоритъм за управление, който коригира параметрите за управление въз основа на променящите се условия на серво системата. Той е полезен за серво системи, които се сблъскват с нарушения или вариации.

Приложения на серво моторите

Серво моторите имат широк диапазон приложения в различни области и индустрии. Някои от общите приложения са:

Роботика: Серво моторите се използват, за да предоставят прецизно движение и сила за роботски ръце, крака, колени, грабли и т.н. Те позволяват на роботите да извършват задачи като взимане, поставяне, сваряване, монтиране и т.н.

CNC машини: Серво моторите се използват, за да привеждат в движение осите на CNC машини като токарни, фрезерни, фрезерни машини и т.н. Те позволяват на CNC машините да извършват точни и сложни операции по обработка като рязане, сверляне, гравиране и т.н.

Автоматизирано производство: Серво моторите се използват, за да контролират движението и позицията на различни компоненти и устройства в автоматизирани производствени системи, като конвейери, подавачи, зареждачи, изваждачи и т.н. Те позволяват на автоматизираните производствени системи да постигат висока производителност и качество.

Медицинско оборудване: Серво моторите се използват, за да управляват различни медицински устройства и инструменти като хирургически роботи, скенери, помпи, вентилатори и т.н. Те позволяват на медицинското оборудване да извършва прецизни и безопасни операции и лечение.

Заключение

В тази статия научихме за дефиницията, принципа на действие, типовете, управлението и приложенията на серво моторите.

Установихме, че серво моторите са електрически мотори, които позволяват прецизен контрол върху ъгловата или линейната позиция, скоростта и момента. Те се състоят от мотор, сензор и контрол