Motore servo: definizione principio di funzionamento e applicazioni

Motore servo: definizione, principio di funzionamento e applicazioni

Punti chiave da apprendere:

Definizione del motore servo: Un motore servo è definito come un motore elettrico che fornisce un controllo preciso della posizione angolare o lineare, della velocità e della coppia utilizzando un sistema a circuito chiuso di feedback.

Sistemi di controllo: Il motore servo utilizza sistemi di controllo avanzati come PID e logica fuzzy per regolare il movimento in base ai segnali di ingresso e di feedback per una performance ottimale.

Tipi di motori: Esistono diversi tipi, inclusi i motori servo a corrente alternata (CA) e continua (CC), con sottotipi come sincroni, asincroni, con spazzole e senza spazzole, ciascuno adattato per specifiche applicazioni.

Meccanismo di feedback: L'uso efficace di sensori come potenziometri e encoder aiuta nel monitoraggio e negli aggiustamenti precisi delle posizioni, velocità o coppie dei motori.

Panoramica sulle applicazioni: I motori servo sono fondamentali in campi ad alta precisione come la robotica, le macchine CNC e la manifattura automatizzata, per la loro capacità di gestire movimenti e compiti complessi.

Un motore servo è definito come un motore elettrico che permette un controllo preciso della posizione angolare o lineare, della velocità e della coppia. È costituito da un motore appropriato accoppiato a un sensore per il feedback della posizione e da un controller che regola il movimento del motore in base a un punto di riferimento desiderato.

I motori servo sono essenziali in settori come la robotica, le macchine CNC e la manifattura automatizzata, grazie alla loro precisione, risposta rapida e movimento fluido.

In questo articolo, spiegheremo la teoria di base dei motori servo, come funzionano, come vengono controllati e quali sono alcune delle loro applicazioni comuni.

Cos'è un motore servo?

Introduzione al motore servo: Un motore servo è un motore elettrico che regola la sua posizione, velocità o coppia in risposta agli input del controller.

Il termine servo deriva dalla parola latina servus, che significa servo o schiavo. Questo riflette l'utilizzo storico dei motori servo come unità ausiliarie che assistono il sistema di trazione principale.

Tuttavia, i moderni motori servo sono in grado di fornire prestazioni elevate e precisione come unità principali in varie applicazioni.

Un motore servo è composto da tre componenti principali:

Un motore: può essere un motore a corrente continua (CC) o a corrente alternata (CA) a seconda della fonte di alimentazione e dei requisiti dell'applicazione. Il motore fornisce la potenza meccanica per ruotare o muovere l'albero di uscita.

Un sensore: può essere un potenziometro, un encoder, un resolver o un altro dispositivo che misura la posizione, la velocità o la coppia dell'albero di uscita e invia segnali di feedback al controller.

Un controller: può essere un circuito analogico o digitale che confronta i segnali di feedback dal sensore con i segnali di setpoint desiderati da una fonte esterna (come un computer o un joystick) e genera segnali di controllo per regolare la tensione o la corrente del motore di conseguenza.

Il controller utilizza un sistema a circuito chiuso di feedback, regolando il movimento del motore per allinearlosi strettamente con il setpoint desiderato, mantenendo una precisione rigorosa.

Il controller può anche implementare vari algoritmi di controllo, come il controllo proporzionale-integrale-derivativo (PID), il controllo a logica fuzzy, il controllo adattivo, ecc., per ottimizzare le prestazioni del motore servo.

Come funziona un motore servo?

Il principio di funzionamento di base di un motore servo prevede che il controller riceva due tipi di segnali di ingresso:

Un segnale di setpoint: è un segnale analogico o digitale che rappresenta la posizione, la velocità o la coppia desiderate dell'albero di uscita.

Un segnale di feedback: è un segnale analogico o digitale che rappresenta la posizione, la velocità o la coppia effettive dell'albero di uscita misurate dal sensore.

Il controller confronta questi due segnali e calcola un segnale di errore che rappresenta la differenza tra di essi.

Il segnale di errore viene poi elaborato da un algoritmo di controllo (come il PID) che genera un segnale di controllo che determina quanta tensione o corrente dovrebbe essere applicata al motore.

Il segnale di controllo viene inviato a un amplificatore di potenza (come un H-bridge) che lo converte in un livello di tensione o corrente appropriato per pilotare il motore.

Il motore quindi ruota o si muove in base al segnale di controllo, modificando la sua posizione, velocità o coppia, e invia un nuovo segnale di feedback al controller.

Il processo si ripete fino a quando il segnale di errore diventa zero o trascurabile, indicando che l'albero di uscita ha raggiunto il setpoint desiderato.

Tipi di motori servo

I motori servo possono essere classificati in diversi tipi in base alla fonte di alimentazione, alla costruzione, al meccanismo di feedback e all'applicazione.

Motori servo CA

I motori servo CA sono motori elettrici che operano con corrente alternata (CA). Hanno uno statore che genera un campo magnetico rotante e un rotore che segue il campo.

I motori servo CA, alimentati con corrente alternata, presentano uno statore che crea un campo magnetico rotante, con un rotore che si sincronizza con questo campo per un'operazione efficiente.

I motori servo CA possono essere ulteriormente suddivisi in due tipi: sincroni e asincroni.

I motori servo CA sincroni hanno un rotore a magnete permanente che ruota alla stessa velocità del campo dello statore. Sono più efficienti, precisi e reattivi dei motori asincroni, ma richiedono un controller più complesso e un sensore di posizione.

I motori servo CA asincroni hanno un rotore avvolto che induce una corrente e un campo magnetico che rimane indietro rispetto al campo dello statore. Sono più semplici, economici e robusti dei motori sincroni, ma hanno un'efficienza, precisione e velocità inferiori.

I motori servo CA sono adatti per applicazioni ad alta potenza che richiedono alta velocità, coppia e affidabilità. Sono comunemente utilizzati in macchine industriali, robotica, macchine CNC, ecc.

Motori servo CC

I motori servo CC sono motori elettrici che operano con corrente continua (CC). Hanno uno statore a magnete permanente che genera un campo magnetico fisso e un rotore avvolto che ruota quando viene applicata una corrente.

I motori servo CC possono essere ulteriormente suddivisi in due tipi: con spazzole e senza spazzole.

I motori servo CC con spazzole hanno un commutatore e spazzole che cambiano la direzione della corrente nelle avvolgimenti del rotore. Sono semplici, economici e facili da controllare, ma hanno un'efficienza, durata e velocità inferiori a causa dell'attrito e dell'usura delle spazzole.

I motori servo CC senza spazzole hanno un controller elettronico che cambia la direzione della corrente nelle avvolgimenti dello statore. Sono più efficienti, duraturi e veloci dei motori con spazzole, ma richiedono un controller più sofisticato e un sensore di posizione.

I motori servo CC sono adatti per applicazioni a bassa potenza che richiedono alta precisione, reattività e movimento fluido. Sono comunemente utilizzati in progetti di hobby, automobiline giocattolo, lettori CD/DVD, ecc.

Motori servo lineari

I motori servo lineari sono motori elettrici che producono un movimento lineare invece di un movimento rotatorio. Hanno una parte fissa chiamata forcer o primario che contiene bobine o magneti, e una parte mobile chiamata platen o secondario che contiene magneti o nuclei di ferro.

I motori servo lineari possono essere ulteriormente suddivisi in due tipi: con nucleo di ferro e senza nucleo di ferro.

I motori servo lineari con nucleo di ferro hanno nuclei di ferro nella platen che interagiscono con il campo magnetico del forcer. Hanno una densità di forza, rigidità e precisione elevate, ma anche una forza di cogging, peso e generazione di calore elevati.

I motori servo lineari senza nucleo di ferro non hanno nuclei di ferro nella platen, solo magneti. Hanno una forza di cogging, peso e generazione di calore bassi, ma anche una densità di forza, rigidità e precisione basse.

I motori servo lineari sono adatti per applicazioni che richiedono alta velocità, accelerazione e precisione su lunghe distanze. Sono comunemente utilizzati nella fabbricazione semiconduttori, metrologia, taglio laser, ecc.

Come controllare un motore servo?

Il controllo di un motore servo dipende dal tipo di motore, dal meccanismo di feedback e dai requisiti dell'applicazione.

In generale, esistono due tipi di segnali di controllo che possono essere utilizzati per controllare un motore servo: analogici e digitali.

I segnali di controllo analogici sono segnali di tensione o corrente continui che variano proporzionalmente al setpoint desiderato. Sono tipicamente utilizzati per sistemi servo semplici o a basso costo che non richiedono alta precisione o risoluzione. Ad esempio, un potenziometro può essere utilizzato per generare un segnale di controllo analogico per un motore servo da hobby.

I segnali di controllo digitali sono impulsi o bit discreti che rappresentano il setpoint desiderato in forma codificata. Sono tipicamente utilizzati per sistemi servo complessi o ad alte prestazioni che richiedono alta precisione, risoluzione o comunicazione. Ad esempio, un segnale di modulazione di larghezza d'impulso (PWM) può essere utilizzato per generare un segnale di controllo digitale per un motore servo CC senza spazzole.

Il controller di un motore servo può essere un dispositivo esterno o un circuito integrato all'interno del motore. Il controller riceve i segnali di controllo da una fonte esterna (come un computer o un joystick) e i segnali di feedback dal sensore, e genera i segnali di controllo appropriati per pilotare il motore.

Il controller può anche implementare vari algoritmi di controllo per ottimizzare le prestazioni del motore servo. Alcuni degli algoritmi di controllo comuni sono:

Controllo proporzionale-integrale-derivativo (PID): è un algoritmo di controllo basato su feedback che regola il segnale di controllo in base ai termini proporzionale, integrale e derivativo del segnale di errore. È ampiamente utilizzato per sistemi servo che richiedono una risposta rapida e precisa.

Controllo a logica fuzzy: è un algoritmo di controllo basato su regole che regola il segnale di controllo in base a insiemi sfocati e variabili linguistiche. È utile per sistemi servo che affrontano incertezza o non linearità.

Controllo adattivo: è un algoritmo di controllo a autotuning che regola i parametri di controllo in base alle condizioni mutevoli del sistema servo. È benefico per sistemi servo che affrontano disturbi o variazioni.

Applicazioni dei motori servo

I motori servo hanno un ampio range di applicazioni in vari campi e industrie. Alcune delle applicazioni comuni sono:

Robotica: i motori servo sono utilizzati per fornire un movimento e una forza precisi per braccia robotiche, gambe, articolazioni, pinze, ecc. Consentono ai robot di eseguire compiti come il picking, il placing, la saldatura, l'assemblaggio, ecc.

Macchinari CNC: i motori servo sono utilizzati per guidare gli assi delle macchine CNC come torni, fresatrici, router, ecc. Consentono alle macchine CNC di eseguire operazioni di lavorazione accurate e complesse come taglio, trapanatura, incisione, ecc.

Manifattura automatizzata: i motori servo sono utilizzati per controllare il movimento e la posizione di vari componenti e dispositivi nei sistemi di manifattura automatizzata, come nastri trasportatori, alimentatori, caricatori, scaricatori, ecc. Consentono ai sistemi di manifattura automatizzata di ottenere alta produttività e qualità.

Attrezzature mediche: i motori servo sono utilizzati per far funzionare vari dispositivi e strumenti medici come robot chirurgici, scanner, pompe, ventilatori, ecc. Consentono alle attrezzature mediche di eseguire operazioni e trattamenti precisi e sicuri.

Conclusione

In questo articolo, abbiamo imparato la definizione, il principio di funzionamento, i tipi, il controllo e le applicazioni dei motori servo.

Abbiamo visto che i motori servo sono motori elettrici che permettono un controllo preciso della posizione angolare o lineare, della velocità e della coppia. Sono composti da un motore, un sensore e un controller che formano un sistema a circuito chiuso di feedback.

Abbiamo anche visto che i motori servo possono essere classificati in diversi tipi in base alla fonte di alimentazione, alla costruzione, al meccanismo di feedback e all'applicazione. Alcuni dei tipi comuni sono i motori servo CA, i motori servo CC e i motori servo lineari.

Abbiamo anche visto che i motori servo possono essere controllati da segnali analogici o digitali che rappresentano il setpoint desiderato. Il controller può anche implementare vari algoritmi di controllo per ottimizzare le prestazioni del motore servo.

Abbiamo anche visto che i motori servo hanno un ampio range di applicazioni in vari campi e industrie, come la robotica, i macchinari CNC, la manifattura automatizzata, le attrezzature mediche, ecc.

Speriamo che questo articolo sia stato informativo e utile per voi. Se avete domande o commenti, non esitate a condividerli con noi. Grazie per aver letto!