Servomotor: Ορισμός, Λειτουργική Αρχή και Εφαρμογές

Σερβομηχανή: Ορισμός, Λειτουργία και Εφαρμογές

Κύρια διδάγματα:

Ορισμός της Σερβομηχανής: Η σερβομηχανή ορίζεται ως ηλεκτρική μηχανή που παρέχει ακριβή ελεγχό γωνιακής ή γραμμικής θέσης, ταχύτητας και ροπής μέσω ενός συστήματος αντανάκλασης.

Συστήματα Ελέγχου: Η σερβομηχανή χρησιμοποιεί προηγμένα συστήματα ελέγχου, όπως PID και λογική ασαφούς λογικής, για να προσαρμόζει την κίνηση σύμφωνα με τα σήματα εισόδου και αντανάκλασης για βέλτιστη απόδοση.

Τύποι Μηχανών: Διαφορετικοί τύποι περιλαμβάνουν AC και DC σερβομηχανές, με υποτύπους όπως συγχρόνες, ασυγχρόνες, με φέρεση και χωρίς φέρεση, καθένας προσαρμοσμένος για συγκεκριμένες εφαρμογές.

Μηχανισμός Αντανάκλασης: Η αποτελεσματική χρήση αισθητήρων, όπως ποτεντιόμετρα και κωδικοποιητές, βοηθά στην ακριβή παρακολούθηση και προσαρμογή των θέσεων, ταχυτήτων ή ροπών της μηχανής.

Εφαρμογές: Οι σερβομηχανές είναι κρίσιμες σε υψηλής ακρίβειας πεδία όπως η ρομποτική, η CNC μηχανολογία και η αυτοματοποιημένη παραγωγή, λόγω της δυνατότητάς τους να αντιμετωπίζουν πολύπλοκες κινήσεις και εργασίες.

Η σερβομηχανή ορίζεται ως ηλεκτρική μηχανή που επιτρέπει τον ακριβή έλεγχο της γωνιακής ή γραμμικής θέσης, ταχύτητας και ροπής. Αποτελείται από μια κατάλληλη μηχανή που συνδέεται με έναν αισθητήρα για αντανάκλαση θέσης και έναν ελεγκτή που ρυθμίζει την κίνηση της μηχανής σύμφωνα με ένα επιθυμητό σημείο αναφοράς.

Οι σερβομηχανές είναι απαραίτητες σε βιομηχανίες όπως η ρομποτική, η CNC μηχανολογία και η αυτοματοποιημένη παραγωγή λόγω της ακρίβειάς τους, της γρήγορης απόκρισής τους και της λείας κίνησης.

Σε αυτό το άρθρο, θα εξηγήσουμε τη βασική θεωρία των σερβομηχανών, πώς λειτουργούν, πώς ελέγχονται και ποιες είναι μερικές από τις κοινές εφαρμογές τους.

Τι είναι μια Σερβομηχανή;

Εισαγωγή στις Σερβομηχανές: Η σερβομηχανή είναι μια ηλεκτρική μηχανή που προσαρμόζει τη θέση, ταχύτητα ή ροπή της σε απάντηση σε σήματα εισόδου του ελεγκτή.

Η λέξη "servo" προέρχεται από τη λατινική λέξη servus, που σημαίνει δούλος ή σκλάβος. Αυτό αντικατοπτρίζει την ιστορική χρήση των σερβομηχανών ως βοηθητικών οδηγών που βοηθούν το κύριο σύστημα οδήγησης.

Ωστόσο, οι σύγχρονες σερβομηχανές είναι ικανές να παρέχουν υψηλή απόδοση και ακρίβεια ως κύριοι οδηγοί σε διάφορες εφαρμογές.

Η σερβομηχανή αποτελείται από τρία βασικά συστατικά μέρη:

Μηχανή: Αυτή μπορεί να είναι είτε μια DC μηχανή είτε μια AC μηχανή, ανάλογα με την πηγή ενέργειας και τις απαιτήσεις της εφαρμογής. Η μηχανή παρέχει τη μηχανική δύναμη για την περιστροφή ή την κίνηση του εξωτερικού στροφίου.

Αισθητήρας: Αυτός μπορεί να είναι είτε ένα ποτεντιόμετρο, είτε ένας κωδικοποιητής, είτε ένας resolver ή άλλη συσκευή που μετρά τη θέση, ταχύτητα ή ροπή του εξωτερικού στροφίου και στέλνει σήματα αντανάκλασης στον ελεγκτή.

Ελεγκτής: Αυτός μπορεί να είναι είτε ένα αναλογικό είτε ένα ψηφιακό κύκλωμα που συγκρίνει τα σήματα αντανάκλασης από τον αισθητήρα με τα επιθυμητά σημεία αναφοράς από μια εξωτερική πηγή (όπως ένα υπολογιστή ή ένα joystick) και παράγει σήματα ελέγχου για την προσαρμογή της τάσης ή της ροής της μηχανής ανάλογα.

Ο ελεγκτής χρησιμοποιεί ένα κλειστό σύστημα αντανάκλασης, προσαρμόζοντας την κίνηση της μηχανής ώστε να συμβαδίζει ακριβώς με το επιθυμητό σημείο αναφοράς, διατηρώντας αυστηρή ακρίβεια.

Ο ελεγκτής μπορεί επίσης να εφαρμόζει διάφορους αλγορίθμους ελέγχου, όπως ο ελεγκτής proportional-integral-derivative (PID), η ασαφής λογική, ο προσαρμοστικός έλεγχος, κλπ., για την βελτιστοποίηση της απόδοσης της σερβομηχανής.

Πώς Λειτουργεί μια Σερβομηχανή;

Η βασική λειτουργία μιας σερβομηχανής περιλαμβάνει τον ελεγκτή να λαμβάνει δύο τύπους σημάτων εισόδου:

Σήμα σημείου αναφοράς: Αυτό είναι ένα αναλογικό ή ψηφιακό σήμα που αντιπροσωπεύει την επιθυμητή θέση, ταχύτητα ή ροπή του εξωτερικού στροφίου.

Σήμα αντανάκλασης: Αυτό είναι ένα αναλογικό ή ψηφιακό σήμα που αντιπροσωπεύει την πραγματική θέση, ταχύτητα ή ροπή του εξωτερικού στροφίου που μετράεται από τον αισθητήρα.

Ο ελεγκτής συγκρίνει αυτά τα δύο σήματα και υπολογίζει ένα σήμα σφάλματος που αντιπροσωπεύει τη διαφορά μεταξύ τους.

Το σήμα σφάλματος επεξεργάζεται από έναν αλγόριθμο ελέγχου (όπως ο PID) που παράγει ένα σήμα ελέγχου που καθορίζει πόση τάση ή ροή πρέπει να εφαρμοστεί στη μηχανή.

Το σήμα ελέγχου στέλνεται σε έναν ενισχυτή ρύθμισης τάσης (όπως ένα H-bridge) που το μετατρέπει σε κατάλληλο επίπεδο τάσης ή ροής για την οδήγηση της μηχανής.

Η μηχανή περιστρέφεται ή κινείται σύμφωνα με το σήμα ελέγχου, αλλάζοντας τη θέση, ταχύτητα ή ροπή της, και στέλνει ένα νέο σήμα αντανάκλασης στον ελεγκτή.

Η διαδικασία επαναλαμβάνεται μέχρι το σήμα σφάλματος να γίνει μηδέν ή αμελητέο, δείχνοντας ότι το εξωτερικό στρόφιο έχει φτάσει στο επιθυμητό σημείο αναφοράς.

Τύποι Σερβομηχανών

Οι σερβομηχανές μπορούν να ταξινομηθούν σε διαφορετικούς τύπους με βάση την πηγή ενέργειας, την κατασκευή, τον μηχανισμό αντανάκλασης και την εφαρμογή.

AC Σερβομηχανές

Οι AC σερβομηχανές είναι ηλεκτρικές μηχανές που λειτουργούν με εναλλασσόμενη ροή (AC). Διαθέτουν ένα στάτηρ που παράγει ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο και έναν ρότορα που ακολουθεί το πεδίο.

Οι AC σερβομηχανές, τροφοδοτούμενες με εναλλασσόμενη ροή, διαθέτουν ένα στάτηρ που παράγει ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο, με έναν ρότορα που συγχρονίζεται με αυτό το πεδίο για αποτελεσματική λειτουργία.

Οι AC σερβομηχανές μπορούν να χωριστούν σε δύο τύπους: συγχρόνες και ασυγχρόνες.

Οι συγχρόνες AC σερβομηχανές έχουν έναν ρότορα με μόνιμο μαγνήτη που περιστρέφεται με την ίδια ταχύτητα με το πεδίο του στάτηρα. Είναι πιο αποδοτικές, ακριβείς και απόκρισης από τις ασυγχρόνες, αλλά απαιτούν ένα πιο περίπλοκο σύστημα ελέγχου και έναν αισθητήρα θέσης.

Οι ασυγχρόνες AC σερβομηχανές έχουν έναν ρότορα με ενδιαφερόμενο ροπόπορο που επεξεργάζεται ροή και ένα μαγνητικό πεδίο που χωρίζει πίσω από το πεδίο του στάτηρα. Είναι απλούστερες, φθηνότερες και πιο ανθεκτικές από τις συγχρόνες, αλλά έχουν χαμηλότερη απόδοση, ακρίβεια και ταχύτητα.

Οι AC σερβομηχανές είναι κατάλληλες για εφαρμογές υψηλής ισχύος που απαιτούν υψηλή ταχύτητα, ροπή και αξιοπιστία. Χρησιμοποιούνται συνήθως σε βιομηχανικά μηχανήματα, ρομποτική, CNC μηχανολογία, κλπ.

DC Σερβομηχανές

Οι DC σερβομηχανές είναι ηλεκτρικές μηχανές που λειτουργούν με έμμεση ροή (DC). Διαθέτουν ένα στάτηρ με μόνιμο μαγνήτη που παράγει ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο και έναν ρότορα που περιστρέφεται όταν εφαρμόζεται ροή.

Οι DC σερβομηχανές μπορούν να χωριστούν σε δύο τύπους: με φέρεση και χωρίς φέρεση.

Οι DC σερβομηχανές με φέρεση έχουν έναν commutator και φέρεση που αλλάζουν την κατεύθυνση της ροής στα πλεξίδια του ρότορα. Είναι απλές, φθηνές και εύκολος έλεγχος, αλλά έχουν χαμηλότερη απόδοση, διάρκεια ζωής και ταχύτητα λόγω της τριβής και της απόσυρσης της φέρεσης.

Οι DC σερβομηχανές χωρίς φέρεση έχουν ένα ηλεκτρονικό ελεγκτή που αλλάζει την κατεύθυνση της ροής στα πλεξίδια του στάτηρα. Είναι πιο αποδοτικές, διαρκείς και γρήγορες από τις με φέρεση, αλλά απαιτούν ένα πιο περίπλοκο σύστημα ελέγχου και έναν αισθητήρα θέσης.