Sloučený motor: Definice, princip fungování a aplikace

Servomotor: Definice, princip fungování a aplikace

Klíčové poznatky:

Definice servomotoru: Servomotor je definován jako elektrický motor, který umožňuje přesnou kontrolu úhlového nebo lineárního polohování, rychlosti a momentu pomocí systému zpětné vazby.

Řídící systémy: Servomotor využívá pokročilé řídící systémy, jako jsou PID a fuzzy logika, pro přizpůsobení pohybu podle vstupních a zpětných signálů k dosažení optimálního výkonu.

Typy motorů: Různé typy zahrnují AC a DC servomotory, s podtypy, jako jsou synchronní, asynchronní, štětinové a beztřecí, každý přizpůsobený specifickým aplikacím.

Mechanismus zpětné vazby: Efektivní použití čid, jako jsou potenciometry a enkodery, pomáhá přesnému sledování a nastavování polohy, rychlosti nebo momentu motoru.

Pohled na aplikace: Servomotory jsou klíčové v oblastech vyžadujících vysokou přesnost, jako jsou robotika, CNC stroje a automatizovaná výroba, díky své schopnosti zvládat složité pohyby a úkoly.

Servomotor je definován jako elektrický motor, který umožňuje přesnou kontrolu úhlového nebo lineárního polohování, rychlosti a momentu. Skládá se z vhodného motoru spojeného s čidem pro zpětnou vazbu o poloze a řadiče, který reguluje pohyb motoru podle požadované stanovené hodnoty.

Servomotory jsou nezbytné v odvětvích, jako je robotika, CNC stroje a automatizovaná výroba, díky své přesnosti, rychlé reakci a hladkému pohybu.

V tomto článku vysvětlíme základní teorii servomotorů, jak fungují, jak jsou řízeny a jaké jsou některé z jejich běžných aplikací.

Co je servomotor?

Úvod do servomotoru: Servomotor je elektrický motor, který upravuje svou polohu, rychlost nebo moment v reakci na vstupy řadiče.

Termín servomotor pochází z latinského slova servus, což znamená sluha nebo otrok. To odráží historické použití servomotorů jako pomocných pohonů, které podporují hlavní pohonný systém.

Moderní servomotory však jsou schopny poskytnout vysoký výkon a přesnost jako hlavní pohony v různých aplikacích.

Servomotor se skládá ze tří hlavních komponent:

Motor: Může jít o DC motor nebo AC motor, podle zdroje energie a požadavků aplikace. Motor poskytuje mechanickou sílu pro otáčení nebo pohyb výstupního hřídele.

Cidlo: Může to být potenciometr, enkoder, resolver nebo jiné zařízení, které měří polohu, rychlost nebo moment výstupního hřídele a posílá zpětné signály do řadiče.

Řadič: Může jít o analogový nebo digitální obvod, který porovnává zpětné signály z cidel s požadovanými referenčními signály z externího zdroje (např. počítače nebo joystick) a generuje řídící signály pro upravení napětí nebo proudu motoru.

Řadič používá uzavřený systém zpětné vazby, upravuje pohyb motoru tak, aby co nejvíce odpovídal požadované referenční hodnotě, a udržuje přesnou přesnost.

Řadič může implementovat různé řídící algoritmy, jako je proporcionalní-integrální-derivativní (PID) řízení, fuzzy logika, adaptivní řízení atd., k optimalizaci výkonu servomotoru.

Jak funguje servomotor?

Základní princip fungování servomotoru zahrnuje přijetí dvou typů vstupních signálů řadičem:

Referenční signál: Toto je analogový nebo digitální signál, který reprezentuje požadovanou polohu, rychlost nebo moment výstupního hřídele.

Zpětný signál: Toto je analogový nebo digitální signál, který reprezentuje skutečnou polohu, rychlost nebo moment výstupního hřídele změřeného čidlem.

Řadič tyto dva signály porovná a vypočítá chybový signál, který reprezentuje rozdíl mezi nimi.

Chybový signál je pak zpracován řídícím algoritmem (např. PID), který generuje řídící signál, který určuje, kolik napětí nebo proudu by mělo být aplikováno na motor.

Řídící signál je odeslán do zesilovače (např. H-most), který ho převede na vhodnou úroveň napětí nebo proudu pro pohon motoru.

Motor se pak otáčí nebo pohybuje podle řídícího signálu, mění svou polohu, rychlost nebo moment a odesílá nový zpětný signál do řadiče.

Proces se opakuje, dokud chybový signál nezačne být nulový nebo zanedbatelný, což naznačuje, že výstupní hřídel dosáhl požadované referenční hodnoty.

Typy servomotorů

Servomotory lze rozdělit do různých typů podle zdroje energie, konstrukce, mechanismu zpětné vazby a aplikace.

AC servomotory

AC servomotory jsou elektrické motory, které pracují s střídavým proudem (AC). Mají stator, který generuje rotující magnetické pole, a rotor, který následuje toto pole.

AC servomotory, poháněné střídavým proudem, mají stator, který vytváří rotující magnetické pole, a rotor, který se s tímto polem synchronizuje pro efektivní provoz.

AC servomotory lze dále rozdělit do dvou typů: synchronní a asynchronní.

Synchronní AC servomotory mají permanentní magnetický rotor, který se otáčí stejnou rychlostí jako statorové pole. Jsou efektivnější, přesnější a citlivější než asynchronní motory, ale vyžadují složitější řadič a polohové čidlo.

Asynchronní AC servomotory mají navíjený rotor, který indukuje proud a magnetické pole, které zpožděně následuje statorové pole. Jsou jednodušší, levnější a odolnější než synchronní motory, ale mají nižší efektivitu, přesnost a rychlost.

AC servomotory jsou vhodné pro vysokovýkonné aplikace, které vyžadují vysokou rychlost, moment a spolehlivost. Běžně se používají v průmyslových strojích, robotice, CNC strojích atd.

DC servomotory

DC servomotory jsou elektrické motory, které pracují s proudem jednosměrným (DC). Mají stator s permanentním magnety, který generuje pevné magnetické pole, a navíjený rotor, který se otáčí, když je na něj aplikován proud.

DC servomotory lze dále rozdělit do dvou typů: štětinové a beztřecí.

Štětinové DC servomotory mají komutátor a štětiny, které přepínají směr proudu v navíjených rotoře. Jsou jednoduché, levné a snadno ovladatelné, ale mají nižší efektivitu, životnost a rychlost kvůli tření a opotřebení štětin.

Beztřecí DC servomotory mají elektronický řadič, který přepíná směr proudu v navíjených statoru. Jsou efektivnější, trvanlivější a rychlejší než štětinové motory, ale vyžadují sofistikovanější řadič a polohové čidlo.

DC servomotory jsou vhodné pro nízkovýkonné aplikace, které vyžadují vysokou přesnost, reakční schopnost a hladký pohyb. Běžně se používají v hobby projektech, dětských autíčkách, CD/DVD přehrávačích atd.

Lineární servomotory

Lineární servomotory jsou elektrické motory, které produkují lineární pohyb místo otáčivého. Mají stacionární část, nazývanou forcer nebo primární, která obsahuje cívek nebo magnety, a pohyblivou část, nazývanou platen nebo sekundární, která obsahuje magnety nebo železné jádro.

Lineární servomotory lze dále rozdělit do dvou typů: s železem a bez železa.

Lineární servomotory s železem mají v platen železné jádro, které interaguje s magnetickým polem forceru. Mají vysokou sílu, tuhost a přesnost, ale také vysokou cogging sílu, hmotnost a tepelné vyzařování.

Lineární servomotory bez železa nemají v platen železné jádro, pouze magnety. Mají nízkou cogging sílu, hmotnost a tepelné vyzařování, ale také nízkou sílu, tuhost a přesnost.

Lineární servomotory jsou vhodné pro aplikace, které vyžadují vysokou rychlost, akceleraci a přesnost na dlouhé vzdálenosti. Běžně se používají v výrobě polovodičů, metrologii, laserovém řezu atd.

Jak ovládat servomotor?

Řízení servomotoru závisí na typu motoru, mechanismu zpětné vazby a požadavcích aplikace.

Obecně existují dva typy řídících signálů, které lze použít k řízení servomotoru: analogové a digitální.

Analogové řídící signály jsou spojité signály napětí nebo proudu, které se mění proporcionálně k požadované referenční hodnotě. Obvykle se používají pro jednoduché nebo levné servosystémy, které nevyžadují vysokou přesnost nebo rozlišení. Například potenciometr lze použít k generování analogového řídícího signálu pro hobby servomotor.

Digitální řídící signály jsou diskrétní pulzy nebo bity, které reprezentují požadovanou referenční hodnotu v kódované formě. Obvykle se používají pro složité nebo vysokovýkonné servosystémy, které vyžadují vysokou přesnost, rozlišení nebo komunikaci. Například signál šířky pulzu (PWM) lze použít k generování digitálního řídícího signálu pro beztřecí DC servomotor.

Řadič servomotoru může být buď externí zařízení, nebo integrovaný obvod v motoru. Řadič přijímá řídící signály z externího zdroje (např. počítače nebo joystick) a zpětné signály z cidel a generuje vhodné řídící signály pro pohon motoru.

Řadič může také implementovat různé řídící algoritmy k optimalizaci výkonu servomotoru. Některé z běžných řídících algoritmů jsou:

Proporcionalní-integrální-derivativní (PID) řízení: Jde o zpětně vazební řídící algoritmus, který upravuje řídící signál podle proporcionalní, integrační a derivace chybového signálu. Je široce používán pro servosystémy, které vyžadují rychlou a přesnou reakci.

Fuzzy logika: Jde o pravidelový řídící algoritmus, který upravuje řídící signál podle fuzzy množin a lingvistických proměnných. Je užitečný pro servosystémy, které se zabývají neurčitostí nebo nelinearitami.

Adaptivní řízení: Jde o samočinně ladící řídící algoritmus, který upravuje parametry řízení podle měnících se podmínek servosystému. Je prospěšný pro servosystémy, které čelí rušivým faktorům nebo variacím.

Aplikace servomotorů

Servomotory mají široké spektrum aplikací v různých oblastech a odvětvích. Některé z běžných aplikací jsou:

Robotika: Servomotory se používají k poskytnutí přesného pohybu a síly pro robotické paže, nohy, klouby, chytáče atd. Umožňují robotům provádět úkoly, jako jsou sběr, umístění, svařování, montáž atd.

CNC stroje: Servomotory se používají k pohonu os CNC strojů, jako jsou soustruhové stroje, frézovací stroje, routery atd. Umožňují CNC strojům provádět přesné a složité obráběcí operace, jako jsou řezání, vrtání, gravírování atd.

Automatizovaná výroba: Servomotory se používají k řízení pohybu a polohy různých komponent a zařízení v automatizovaných výrobních systémech, jako jsou dopravníky, podávací zařízení, natahovače, vytažovače atd. Umožňují automatizovaným výrobním systémům dosahovat vysoké produktivity a kvality.

Lékařské vybavení: Servomotory se používají k ovládání různých lékařských zařízení a přístrojů, jako jsou chirurgické roboty, skenerovací přístroje, čerpadla, ventilátory atd. Umožňují lékařskému vybavení provádět přesné a bezpečné operace a léčby.

Závěr

V tomto článku jsme se naučili o definici, principu fungování, typech, řízení a aplikacích servomotorů.

Uviděli jsme, že servomotory jsou elektrické motory, které umožňují přesnou kontrolu úhlového nebo lineárního polohování, rychlosti a momentu. Skládají se z motoru, cidel a řadiče, které tvoří uzavřený systém zpětné vazby.

Také jsme viděli, že servomotory lze rozdělit do různých typů podle zdroje energie, konstrukce, mechanismu zpětné vazby a aplikace. Některé z běžných typů jsou AC servomotory, DC servomotory a lineární servomotory.

Také jsme viděli, že servomotory lze ovládat buď analog