Szervomotor: Definíció működési elv és alkalmazások

Szervomotor: Definíció, működési elv és alkalmazások

Főbb tanulságok:

Szervomotor definíciója: A szervomotor egy olyan elektromos motor, amely pontos irányítást biztosít a szög- vagy vonalirányú pozíció, sebesség és nyomaték esetén visszacsatolási rendszerrel.

Irányító rendszerek: A szervomotor olyan fejlett irányító rendszereket használ, mint a PID és a fuzzy logika, hogy a bemeneti és visszacsatolási jel alapján optimalizálja a mozgást.

Motor típusai: Különböző típusok közé tartoznak az AC és DC szervomotorok, amelyeknek résztípusai a szinkron, aszinkron, keverőkkel és keverőnélküli motorok, mindegyik specifikus alkalmazásokra van kialakítva.

Visszacsatolási mechanizmus: A potenciometerek és enkóderök hatékony felhasználása segít a motor pozíciójának, sebességének vagy nyomatékának pontos figyelésében és beállításában.

Alkalmazások áttekintése: A szervomotorok létfontosságúak a magas pontosságú területeken, mint például a robotika, a CNC gépek és az automatizált gyártás, ahol képesek összetett mozgásokat és feladatokat kezelni.

A szervomotor egy olyan elektromos motor, amely lehetővé teszi a szög- vagy vonalirányú pozíció, sebesség és nyomaték pontos irányítását. Egy alkalmas motort kötünk egy pozíció-visszacsatolási szenzorhoz, valamint egy irányítóhoz, amely a motor mozgását egy kívánt beállított érték szerint szabályozza.

A szervomotorok létfontosságúak a robotika, a CNC gépek és az automatizált gyártás iparágai számára a pontosságuk, gyors reagálásuk és sima mozgásuk miatt.

Ebben a cikkben a szervomotorok alapvető elméletét, működési elvüket, irányításuk módját és néhány gyakori alkalmazásukat fogjuk megismertetni.

Mi a szervomotor?

Szervomotor bevezetés: A szervomotor egy elektromos motor, amely a vezérlő bemeneteire adott válaszként állítja be pozícióját, sebességét vagy nyomatékát.

A szervo szó a latin servus, azaz szolgáló vagy rabszolga szóból ered. Ez tükrözi a szervomotorok történeti használatát, mint segéd meghajtók, amelyek segítik a fő meghajtót.

Azonban a modern szervomotorok képesek magas teljesítményt és pontosságot nyújtani, mint fő meghajtók különböző alkalmazásokban.

A szervomotor három fő komponensből áll:

Motor: Ez lehet DC vagy AC motor, attól függően, hogy milyen energiaforrásból és alkalmazásból van szükség. A motor biztosítja a kimeneti tengely forgatásához vagy mozgatásához szükséges mechanikai energiát.

Szenzor: Ez lehet potenciometer, enkóder, resolver vagy más eszköz, ami méri a kimeneti tengely pozícióját, sebességét vagy nyomatékát, és visszacsatolási jeleket küld a vezérlőnek.

Vezérlő: Ez lehet analóg vagy digitális áramkör, amely összehasonlítja a szenzorból származó visszacsatolási jeleket a kívánt beállított érték jelével (pl. számítógép vagy joytick) és generál vezérlőjeleket, hogy a motor feszültségét vagy áramát hozza megfelelőre.

A vezérlő zárt hurok visszacsatolási rendszert használ, a motor mozgását a kívánt beállított értékhez igazítva, így fenntartva a szigorú pontosságot.

A vezérlő különböző irányítási algoritmusokat is alkalmazhat, mint például a PID-irányítás, a fuzzy logika, az adaptív irányítás stb., a szervomotor teljesítményének optimalizálása érdekében.

Működési elv a szervomotor

A szervomotor alapvető működési elve, hogy a vezérlő két típusú bemeneti jelet kap:

Beállított érték jel: Ez analóg vagy digitális jel, amely a kimeneti tengely kívánt pozícióját, sebességét vagy nyomatékát jelöli.

Visszacsatolási jel: Ez analóg vagy digitális jel, amely a szenzor által mérve a kimeneti tengely valós pozícióját, sebességét vagy nyomatékát jelöli.

A vezérlő összehasonlítja ezeket a két jelet, és kiszámítja a hibajelét, amely a két jel közötti különbséget jelenti.

A hibajel azután egy irányítási algoritmus (mint a PID) által feldolgozódik, ami generál egy vezérlőjelet, amely meghatározza, hogy mennyi feszültség vagy áram legyen alkalmazva a motorra.

A vezérlőjel egy erősítő (pl. H-híd) által megfelelő feszültség- vagy áramerősségre konvertálódik, amely a motort meghajtja.

A motor ekkor a vezérlőjel alapján forog vagy mozog, változtatja a pozícióját, sebességét vagy nyomatékát, és új visszacsatolási jelet küld a vezérlőnek.

A folyamat addig ismétlődik, amíg a hibajel nullává vagy elhanyagolhatóvá nem válik, ami azt jelzi, hogy a kimeneti tengely elérte a kívánt beállított értéket.

Szervomotorok típusai

A szervomotorok különböző típusokba oszthatók az energiaforrásuk, építésük, visszacsatolási mechanizmusuk és alkalmazásuk alapján.

AC szervomotorok

Az AC szervomotorok olyan elektromos motorok, amelyek váltakozó árammal (AC) működnek. Van nála egy statork, ami egy forgó mágneses mezőt generál, és egy rotor, ami a mezővel szinkronban forog.

Az AC szervomotorok, amelyek váltakozó árammal (AC) működnek, statort tartalmaznak, ami egy forgó mágneses mezőt generál, és egy rotort, ami ezzel a mezővel szinkronban forog.

Az AC szervomotorok további két típusra oszthatók: szinkron és aszinkron.

A szinkron AC szervomotorok permanent mágneses rotort tartalmaznak, ami ugyanolyan sebességgel forog, mint a statork mező. Ők hatékonyabbak, pontosabbak és reagálóbbak, mint az aszinkron motorok, de komplexebb vezérlőt és pozíciószenzort igényelnek.

Az aszinkron AC szervomotorok csavart rotort tartalmaznak, ami indukál egy áramot és mágneses mezőt, ami késleltetve követi a statork mezőt. Ők egyszerűbbek, olcsóbbak és erősebbek, mint a szinkron motorok, de alacsonyabb hatékonyság, pontosság és sebességgel rendelkeznek.

Az AC szervomotorok alkalmasak nagy teljesítményű alkalmazásokra, ahol magas sebesség, nyomaték és megbízhatóság szükséges. Gyakran használják őket ipari gépekben, robotban, CNC gépekben stb.

DC szervomotorok

A DC szervomotorok olyan elektromos motorok, amelyek egyirányú árammal (DC) működnek. Van nála egy permanent mágneses statork, ami egy fix mágneses mezőt generál, és egy csavaros rotort, ami, amikor áramot alkalmaznak, forog.

A DC szervomotorok további két típusra oszthatók: keverőkkel és keverőnélküli motorok.

A keverőkkel ellátott DC szervomotorok kommutátort és keverőket tartalmaznak, amik áramirányt váltanak a rotor csavarain. Ők egyszerűek, olcsóak és könnyen ellenőrizhetők, de alacsonyabb hatékonyság, élettartam és sebességük van a keverők súrlódása és használata miatt.

A keverőnélküli DC szervomotorok elektronikus vezérlőt tartalmaznak, amely áramirányt vált a statork csavarain. Ők hatékonyabbak, tartósabbak és gyorsabbak, mint a keverőkkel ellátott motorok, de komplexebb vezérlőt és pozíciószenzort igényelnek.

A DC szervomotorok alkalmasak alacsony teljesítményű alkalmazásokra, ahol magas pontosság, reagálóképesség és sima mozgás szükséges. Gyakran használják őket hobbi projektekben, játékautókban, CD/DVD lejátszókban stb.

Lineáris szervomotorok

A lineáris szervomotorok olyan elektromos motorok, amelyek lineáris mozgást termelnek, nem forgó mozgást. Van nála egy álló rész, amit forcer vagy elsődlegesnek neveznek, amely csavarokat vagy mágneseket tartalmaz, és egy mozgó rész, amit platen vagy másodlagosnak neveznek, amely mágneseket vagy vasmagvakat tartalmaz.

A lineáris szervomotorok további két típusra oszthatók: vasmagos és vasmentes.

A vasmagos lineáris szervomotorok vasmagvakat tartalmaznak a platenn, amelyek interakcióba lépnek a forcer mágneses mezőjével. Ők magas erőszorral, merevséggel és pontossággal rendelkeznek, de magas cogging erővel, tömeggel és hőtermeléssel is.

A vasmentes lineáris szervomotorok nem tartalmaznak vasmagvakat a platenn, csak mágneseket. Ők alacsony cogging erővel, tömeggel és hőtermeléssel rendelkeznek, de alacsony erőszorral, merevséggel és pontossággal is.

A lineáris szervomotorok alkalmasak alkalmazásokra, ahol magas sebesség, gyorsítás és pontosság szükséges hosszú távon. Gyakran használják őket szemiconductor gyártásban, metrologiában, lézer vágásban stb.

Hogyan irányítható a szervomotor?

A szervomotor irányítása függ a motor típusától, a visszacsatolási mechanizmustól és az alkalmazás követelményeitől.

Általában két típusú vezérlőjel használható a szervomotor irányításához: analóg és digitális.

Az analóg vezérlőjelek folyamatos feszültség- vagy áramjelek, amelyek arányosan változnak a kívánt beállított értékkel. Általában egyszerű vagy olcsó szervorendszerek esetén használják, amik nem igényelnek magas pontosságot vagy felbontást. Például, egy potenciometer analóg vezérlőjelet generálhat egy hobby szervomotorhoz.

A digitális vezérlőjelek diszkrét impulzusok vagy bitjelek, amelyek a kívánt beállított értéket kódolt formában jelentik. Általában összetett vagy magas teljesítményű szervorendszerek esetén használják, amik magas pontosságot, felbontást vagy kommunikációt igényelnek. Például, egy pulzusszélesség-modulált (PWM) jel digitális vezérlőjelet generálhat egy keverőnélküli DC szervomotorhoz.

A szervomotor vezérlője lehet egy külső eszköz, vagy integrált áramkör a motorban. A vezérlő a vezérlőjeleket egy külső forrásból (pl. számítógépből vagy joytickből), valamint a visszacsatolási jeleket a szenzorból veszi át, és megfelelő vezérlőjeleket generál a motor meghajtásához.

A vezérlő különböző irányítási algoritmusokat is alkalmazhat a szervomotor teljesítményének optimalizálása érdekében. Néhány gyakori irányítási algoritmus:

Proportional-integral-derivative (PID) irányítás: Ez egy visszacsatolási alapú irányítási algoritmus, amely a vezérlőjelet a hibajel arányos, integrált és derivált tagjainak alapján állítja be. Széles körben használják a gyors és pontos válaszra szükség van a szervorendszerben.

Fuzzy logika irányítás: Ez egy szabályalapú irányítási algoritmus, amely a vezérlőjelet fuzzy halmazok és nyelvi változók alapján állítja be. Hasznos a szervorendszerben, amelyekkel foglalkozik a bizonytalanság vagy a nemlineáris viselkedés.

Adaptív irányítás: Ez egy sajátbeállító irányítási algoritmus, amely a vezérlő paramétereit a szervorendszer változó feltételeinek alapján állítja be. Jó a szervorendszerben, amelynek zavaró tényezőkkel vagy változókkal kell szembenéznie.

Szervomotorok alkalmazásai

A szervomotorok széles skálán használhatók különböző területeken és iparágakban. Néhány gyakori alkalmazás:

Robotika: A szervomotorokat használják a robotkarok, lábak, csuklók, fogók stb. precíz mozgásához és erőt nyújtásához. Lehetővé teszik a robotok számára, hogy feladatokat végezzenek, mint például a felvétel, a helyezés, a hímzés, a szerelés stb.

CNC gépek: A szervomotorokat használják a CNC gépek tengelyeinek meghajtásához, mint például a tornák, freszek, frészesgépek stb. Lehetővé teszik a CNC gépek számára, hogy pontos és összetett feldolgozási műveleteket végezzenek, mint például a vágás, a fúrás, a gravírozás stb.

Automatizált gyártás: A szervomotorokat használják az automatizált gyártási rendszerek különböző komponenseinek és eszközeinek mozgásának és pozíciójának ellenőrzésére, mint például a teherátszó berendezések, a hordozók, a betöltő- és kiviteli berendezések stb. Lehetővé teszik az automatizált gyártási rendszerek számára, hogy magas termelékenységet és minőséget érjenek el.

Orvosi eszközök: A szervomotorokat használják különböző orvosi eszközök és készülékek működtetésére, mint például a sebészeti robotok, a szkennerek, a pompák, a légzókészülékek stb. Lehetővé teszik, hogy az orvosi eszközök precíz és biztonságos műveleteket és kezeléseket végezzenek.

Összefoglalás

Ebben a cikkben megtanultuk a szervomotorok definícióját, működési elvét, típusait, irányítását és alkalmazásait.