Servomotori: Määritelmä toimintaperiaate ja sovellukset
Servomotori: Määritelmä, toimintaperiaate ja sovellukset
Tärkeät oppimispisteet:
Servomotorin määritelmä: Servomotori on sähkömoottori, joka tarjoaa tarkkaa kontrollia kulmasekoituksen tai lineaariseen sijaintiin, nopeuteen ja vääntömomenttiin palautuskyvyn avulla.
Ohjausjärjestelmät: Servomotori käyttää edistyneitä ohjausjärjestelmiä, kuten PID-ohjausta ja sumea logiikkaa, liikkeen säätämiseen syötteiden ja palautussignaalien perusteella optimaalisen suorituksen saavuttamiseksi.
Motortyypit: Eri tyyppejä ovat AC- ja DC-servomotorit, joilla on alatyyppeinä synkroniset, asynkroniset, siivetyt ja siivettömät servomotorit, jotka on räätälöidy erityisille sovelluksille.
Palautusmekanismi: Potentiaometrien ja enkooderien kaltaisten anturien tehokas käyttö auttaa täsmällisessä seurannassa ja moottorien sijainnin, nopeuden tai vääntömomentin säädöissä.
Sovellusten ymmärtäminen: Servomotorit ovat olennaisia korkean tarkkuuden aloilla, kuten robotiikassa, CNC-moottoreissa ja automatisoidussa valmistuksessa, niiden kykyjen vuoksi hallita monimutkaisia liikkeitä ja tehtäviä.
Servomotori on sähkömoottori, joka mahdollistaa kulmasekoituksen tai lineaarisen sijainnin, nopeuden ja vääntömomentin tarkan kontrollin. Se koostuu sopivasta moottorista, joka on kytketty sijainnin palautuskykyyn ja ohjaimelle, joka säätää moottorin liikettä halutun asetuksen mukaan.
Servomotorit ovat välttämättömiä aloilla, kuten robotiikassa, CNC-moottoreissa ja automatisoidussa valmistuksessa, niiden tarkkuuden, nopean reagoinnin ja sujuvan liikkeen vuoksi.
Tässä artikkelissa selitetään servomotorien perusteoria, niiden toimintaperiaate, niiden ohjaus ja niiden yleisiä sovelluksia.
Mikä on servomotori?
Servomotorin esittely: Servomotori on sähkömoottori, joka säätää sijaintia, nopeutta tai vääntömomenttia ohjaimen syötteiden mukaan.
Termi servomotori tulee latinalaisesta sanasta servus, joka tarkoittaa palvelija tai orja. Tämä heijastaa servomotorien historiallista käyttöä apumoottoreina, jotka tukevat päämoottorisysteemiä.
Nykyiset servomotorit kykenevät kuitenkin tarjoamaan korkeaa suorituskykyä ja tarkkuutta eri sovelluksissa päämoottoreina.
Servomotori koostuu kolmesta pääkomponentista:
Moottori: Tämä voi olla joko DC-moottori tai AC-moottori riippuen voimanlähteestä ja sovelluksen vaatimuksista. Moottori tarjoaa mekaanisen voiman pyöräyttää tai liikuttaa ulostuloakselia.
Anturi: Tämä voi olla potentiaometri, enkooderi, resoluuttori tai muu laite, joka mitataan ulostuloakselin sijaintia, nopeutta tai vääntömomenttia ja lähettää palautussignaaleja ohjaimelle.
Ohjain: Tämä voi olla analoginen tai digitaalinen piiri, joka vertailee anturilta saatuja palautussignaaleja halutun asetuksen signaaleihin ulkoisesta lähteestä (kuten tietokoneelta tai joystickiltä) ja luo ohjaussignaaleja, jotka säädettävät moottorin jännitteitä tai virtaa sen mukaan.
Ohjain käyttää suljettua palautuskykyä, säätäen moottorin liikettä tiiviisti vastaamaan haluttuun asettumiseen, ylläpitäen tiukan tarkkuuden.
Ohjain voi myös toteuttaa erilaisia ohjausalgoritmeja, kuten verrannollinen-integraali-derivointi (PID)-ohjaus, sumea logiikka, adaptiivinen ohjaus jne., optimoimaan servomotorin suorituskykyä.
Miten servomotori toimii?
Servomotorin perustavanlaatuinen toimintaperiaate sisältää ohjaimen, joka vastaanottaa kaksi signaalityyppiä:
Asetusarvosignaali: Tämä on analoginen tai digitaalinen signaali, joka edustaa haluttua ulostuloakselin sijaintia, nopeutta tai vääntömomenttia.
Palautussignaali: Tämä on analoginen tai digitaalinen signaali, joka edustaa anturin mittaaman ulostuloakselin todellista sijaintia, nopeutta tai vääntömomenttia.
Ohjain vertailee näitä kahta signaalia ja laskee virhesignaalin, joka edustaa niiden välisen erotuksen.
Virhesignaali käsitellään ohjausalgoritmilla (kuten PID), joka luo ohjaussignaalin, joka määrittelee, kuinka paljon jännitettä tai virtaa pitäisi kohdistaa moottoriin.
Ohjaussignaali lähetetään vahvistimeen (kuten H-siltaan), joka muuntaa sen sopivaksi jännite- tai virtatasoksi moottorin ajamiseksi.
Moottori pyörii tai liikkuu ohjaussignaalin mukaan ja muuttaa sijaintia, nopeutta tai vääntömomenttiaan, ja lähettää uuden palautussignaalin ohjaimelle.
Prosessi toistetaan, kunnes virhesignaali nollaantuu tai on merkityksetön, mikä viittaa siihen, että ulostuloakseli on saavuttanut halutun asetuksen.
Servomotorien tyypit
Servomotorit voidaan luokitella eri tyypeiksi niiden voimanlähteen, rakenteen, palautusmekanismin ja sovelluksen perusteella.
AC-servomotorit
AC-servomotorit ovat sähkömoottoreita, jotka toimivat vaihtovirtajännitteellä (AC). Neillä on stator, joka luo pyörimä magnetikenttä, ja rotor, joka seuraa kenttää.
AC-servomotorit, jotka toimivat vaihtovirralla, sisältävät statorin, joka luo pyörimä magnetikenttä, ja rotorin, joka synkronoituu tähän kenttään tehokkaasti.
AC-servomotorit voidaan jakaa kahdeksi tyypiksi: synkronisiin ja asynkronisiin.
Synkroniset AC-servomotorit ovat pysyvämagneettirottoreja, jotka pyörivät samalla nopeudella kuin statorin kenttä. Ne ovat tehokkaampia, tarkempia ja herkkämpiä kuin asynkroniset motorit, mutta ne vaativat monimutkaisemman ohjaimen ja sijaintianturin.
Asynkroniset AC-servomotorit ovat kierron rottoreja, jotka induktiovirran ja magnetikentän, joka jää statorin kentän taakse. Ne ovat yksinkertaisempia, halvempia ja kestävämpiä kuin synkroniset motorit, mutta niillä on alhaisempi tehokkuus, tarkkuus ja nopeus.
AC-servomotorit ovat sopivia korkean tehon sovelluksille, jotka vaativat korkeaa nopeutta, vääntömomenttia ja luotettavuutta. Niitä käytetään yleisesti teollisuuskoneissa, robotiikassa, CNC-koneissa jne.
DC-servomotorit
DC-servomotorit ovat sähkömoottoreita, jotka toimivat suoravirtajännitteellä (DC). Neillä on pysyvämagneettistator, joka luo vakion magnetikenttä, ja kierron rotor, joka pyörii, kun virta on sovellettu.
DC-servomotorit voidaan jakaa kahdeksi tyypiksi: siivetyiksi ja siivöttömiksi.
Siivetyt DC-servomotorit ovat kommutaattoria ja siivejä, jotka vaihtavat virtasuunnan rotorkierroksissa. Ne ovat yksinkertaisia, edullisia ja helppoja ohjata, mutta niillä on alhaisempi tehokkuus, elinkaari ja nopeus siiven kitkavuuden ja kulun vuoksi.
Siivöttömät DC-servomotorit ovat sähköisiä ohjaimia, jotka vaihtavat virtasuunnan statorin kierroksissa. Ne ovat tehokkaampia, kestävämpiä ja nopeampia kuin siivetyt motorit, mutta ne vaativat monimutkaisemman ohjaimen ja sijaintianturin.
DC-servomotorit ovat sopivia alhaisen tehon sovelluksille, jotka vaativat korkeaa tarkkuutta, herkkyyttä ja sujuvaa liikettä. Niitä käytetään yleisesti harrastushankkeissa, lelusaunoissa, CD/DVD-soittimissa jne.
Lineaariset servomotorit
Lineaariset servomotorit ovat sähkömoottoreita, jotka tuottavat lineaarista liikettä eivätkä pyörimäliikettä. Neillä on paikallinen osa, jota kutsutaan forceriksi tai ensimmäiseksi, joka sisältää spiraaleja tai magneetteja, ja liikkuvaa osaa, jota kutsutaan plateniksi tai toiseksi, joka sisältää magneetteja tai rautaytimiä.
Lineaariset servomotorit voidaan jakaa kahdeksi tyypiksi: rautaytimeksi ja rautayttömiin.
Rautaytimeiset lineaariset servomotorit sisältävät rautaytimiä platessa, jotka vaikuttavat forcerin magnetikenttään. Niillä on korkea voimatiheys, jäykkyys ja tarkkuus, mutta myös korkea kiskova voima, paino ja lämpögeneraatio.
Rautayttömät lineaariset servomotorit eivät sisällä rautaytimiä platessa, vain magneetteja. Niillä on matala kiskova voima, paino ja lämpögeneraatio, mutta myös matala voimatiheys, jäykkyys ja tarkkuus.
Lineaariset servomotorit ovat sopivia sovelluksille, jotka vaativat korkeaa nopeutta, kiihtyvyyttä ja tarkkuutta pitkien etäisyyden yli. Niitä käytetään yleisesti puolijohtimateriaalien valmistuksessa, mittausmenetelmissä, laserleikkaus jne.
Miten ohjata servomotoria?
Servomotorin ohjaus riippuu moottorityypistä, palautusmekanismista ja sovelluksen vaatimuksista.
Yleensä on kaksi ohjaussignaalityyppiä, joita voidaan käyttää servomotorin ohjaamiseen: analoginen ja digitaalinen.
Analogiset ohjaussignaalit ovat jatkuvia jännite- tai virtasignaaleja, jotka vaihtelevat verrannollisesti haluttuun asettumiseen. Niitä käytetään yleisesti yksinkertaisiin tai edullisiin servojärjestelmiin, jotka eivät vaadi korkeaa tarkkuutta tai resoluutiota. Esimerkiksi potentiaometria voidaan käyttää analogisen ohjaussignaalin luomiseen harrastusservomotorille.
Digitaaliset ohjaussignaalit ovat diskreettejä pulssia tai bittejä, jotka edustavat haluttua asettumista koodatulla tavalla. Niitä käytetään yleisesti monimutkaisiin tai korkean suorituskyvyn servojärjestelmiin, jotka vaativat korkeaa tarkkuutta, resoluutiota tai kommunikaatiota. Esimerkiksi pulssileveyshajonta (PWM)-signaali voidaan käyttää digitaalisen ohjaussignaalin luomiseen siivöttömälle DC-servomotorille.
Servomotorin ohjain voi olla joko ulkoinen laite tai integroitu piiri moottorissa. Ohjain vastaanottaa ohjaussignaalit ulkoisesta lähteestä (kuten tietokoneelta tai joystickiltä) ja palautussignaalit anturilta ja luo sopivat ohjaussignaalit moottorin ajamiseksi.
Ohjain voi myös toteuttaa erilaisia ohjausalgoritmeja servomotorin suorituskyvyn optimoimiseksi. Joitakin yleisiä ohjausalgoritmeja ovat:
Verrannollinen-integraali-derivointi (PID)-ohjaus: Tämä on palautuskykyperustainen ohjausalgoritmi, joka säätää ohjaussignaalia virhesignaalin verrannollisen, integraalisen ja derivoinnin termeihin. Sitä käytetään laajasti servojärjestelmiin, jotka vaativat nopeaa ja tarkkaa vastausta.
Sumea logiikka-ohjaus: Tämä on säännöspohjainen ohjausalgoritmi, joka säätää ohjaussignaalia sumeiden joukkojen ja kieliopillisten muuttujien perusteella. Se on hyödyllinen servojärjestelmille, jotka käsittelevät epävarmuutta tai epälineaarisuutta.
Adaptiivinen ohjaus: Tämä on itse säästyvä ohjausalgoritmi, joka säätää ohjausparametreja servojärjestelmän muuttuvien olosuhteiden mukaan. Se on hyödyllinen servojärjestelmille, jotka kohtaavat häiriöitä tai vaihteluja.
Servomotorien sovellukset
Servomotorit ovat laajasti käytössä eri aloilla ja teollisuudenaloilla. Joitakin yleisiä sovelluksia ovat:
Robotiikka: Servomotorit käytetään robottikäsivarren, -jalat, -nivelen, -kynnyksen jne. tarkkaan liikkeeseen ja voimaan. Ne mahdollistavat robottien tehtävien, kuten poiminnan, asettamisen, hitaamisen, kokoonpanon jne. suorittamisen.
CNC-koneet: Servomotorit käytetään CNC-koneiden akselien, kuten tornekoneiden, fraasimailleja, reipureiden jne. ajamiseen. Ne mahdollistavat CNC-koneiden tarkkoja ja monimutkaisia koneistustoimintoja, kuten leikkaamisen, poraamisen, gravuurauksen jne.
Automatisoidut valmistusjärjestelmät: Servomotorit käytetään automatisoiduissa valmistusjärjestelmissä eri komponenttien ja laitteiden liikkeen ja sijainnin ohjaamiseen, kuten kuljetuslaitteissa, syöttölaitteissa, ladattavissa, purkattavissa jne. Ne mahdollistavat automatisoiduille valmistusjärjestelmille korkeaa tuottavuutta ja laatua.
Lääketieteelliset laitteet: Servomotorit käytetään erilaisten lääketieteellisten laitteiden ja instrumenttien, kuten kirurgirobotien, skannerien, pumpujen, hengityskoneiden jne. toimintaan. Ne mahdollistavat lääketieteellisten laitteiden tarkkoja ja turvallisia toimintoja ja hoitoja.
Yhteenveto
Tässä artikkelissa olemme oppineet servomotorien määritelmästä, toimintaperiaatteesta, tyypeistä, ohjauksesta ja sovelluksista.
Olemme näkeneet, että servomotorit ovat sähkömoottoreita, jotka mahdollistavat kulmasekoituksen tai lineaarisen sijainnin, nopeuden ja vääntömomentin tarkan kontrollin. Ne koostuvat moottorista, anturista ja ohjaimesta, jotka muodostavat suljetun palautuskyvyn järjestelmän.
Olemme myös näkeneet, että servomotorit voidaan luokitella eri tyypeiksi niiden voimanlähteen, rakenteen, palautusmekanismin ja sovelluksen perusteella. Joitakin yleisiä tyyppejä ovat AC-servomotorit, DC-servomotorit ja lineaariset servomotorit.
Olemme myös näkeneet, että servomotorit voidaan ohjata joko analogisilla tai digitaalis
