Servomotors: Definīcija Darbības princips un lietojums

Servomotors: Definīcija, darbības princips un lietojums

Galvenie mācību punkti:

Servomotora definīcija: Servomotors ir elektromotors, kas nodrošina precīzu leņķa vai lineārās pozīcijas, ātruma un momenta kontrolēšanu, izmantojot atgriezenisko saiti.

Kontroles sistēmas: Servomotors izmanto pašreizējās kontroles sistēmas, piemēram, PID un neprecīzo loģiku, lai pielāgotu kustību atbilstoši ievades un atgriezeniskās saites signāliem, lai nodrošinātu optimālo veiktspēju.

Motora veidi: Dažādi servomotori ietver MA un MK servomotorus, ar apakšveidiem, piemēram, sinhronie, asinhronie, ar karstumkoku un bezkarstumkoku, kuri katrs ir pielāgots konkrētām lietojumu jomām.

Atgriezeniskās saites mehānisms: Efektīva sensoru, piemēram, potenciometru un enkoderu, izmantošana palīdz precīzi uzraudzīt un pielāgot motoru pozīcijas, ātrumus vai momentus.

Lietojumu pārskats: Servomotori ir būtiski augstā precizitātes jomās, piemēram, robotikā, CNC mašīnās un automatizētajā ražošanā, to spējas apstrādāt sarežģītas kustības un uzdevumus dēļ.

Servomotors ir definēts kā elektromotors, kas ļauj precīzi kontrolēt leņķa vai lineārās pozīcijas, ātrumu un momentu. Tas sastāv no piemērotā motora, kas savienots ar sensoru pozīcijas atgriezeniskajai saitei, un regulatoru, kas regulē motoru kustību atbilstoši vēlamajam setpoint.

Servomotori ir būtiski nozaru, piemēram, robotikā, CNC mašīnās un automatizētajā ražošanā, tāpat kā precizitāte, ātra reaģēšana un vieglā kustība.

Šajā rakstā mēs paskaidrosim servomotoru pamatteoriju, kā tie strādā, kā tie tiek kontrolēti un kādas ir dažas to biežāk sastopamās lietojumu jomas.

Kas ir servomotors?

Servomotora ievads: Servomotors ir elektromotors, kas pielāgo savu pozīciju, ātrumu vai momentu atbilstoši regulatora ievades signāliem.

Vārds "servo" nāk no latīņu vārda "servus", kas nozīmē "kungs" vai "slavens". Tas atspoguļo servomotoru vēsturisko lietojumu kā palīgdreivēji, kas palīdz galvenajai dreivējam.

Tomēr modernie servomotori spēj nodrošināt augstu veiktspēju un precizitāti kā galvenie dreivēji dažādos lietojumos.

Servomotors sastāv no trim galvenajiem komponentiem:

Motors: Tas var būt gan MA motors, gan MK motors, atkarībā no enerģijas avota un lietojuma prasībām. Motors nodrošina mehānisko spēku, lai rotācijai vai izvietojumam pievienotos izvades ķermenis.

Sensors: Tas var būt gan potenciometers, gan enkoders, gan rezolvers, vai cits ierīce, kas mēra izvades ķermeņa pozīciju, ātrumu vai momentu un nosūta atgriezeniskās saites signālus regulatoram.

Regulators: Tas var būt gan analoģisks, gan digitāls shēma, kas salīdzina atgriezeniskās saites signālus no sensora ar vēlamo setpoint signālu no ārēja avota (piemēram, datora vai džostika) un ģenerē kontroles signālus, lai pielāgotu motoru spriegumu vai strāvu atbilstoši.

Regulators izmanto slēgtu atgriezenisko saiti, pielāgojot motoru kustību, lai tā būtu cieši saskaņota ar vēlamo setpoint, uzturējot stingru precizitāti.

Regulators var arī īstenot dažādas kontroles algoritmus, piemēram, proporcionālais-integrālais-derivatīvais (PID) kontroles, neprecīza loģikas kontroles, adaptīvo kontroles, utt., lai optimizētu servomotoru veiktspēju.

Kā strādā servomotors?

Servomotora pamatdarbības princips ietver divus regulatora ievades signālu veidus:

Setpoint signāls: Tas ir analoģisks vai digitāls signāls, kas attēlo vēlamo izvades ķermeņa pozīciju, ātrumu vai momentu.

Atgriezeniskās saites signāls: Tas ir analoģisks vai digitāls signāls, kas attēlo faktisko izvades ķermeņa pozīciju, ātrumu vai momentu, ko mēra sensors.

Regulators salīdzina šos divus signālus un aprēķina kļūdas signālu, kas attēlo starp to atšķirību.

Kļūdas signāls tiek apstrādāts kontroles algoritmu (piemēram, PID) dēļ, kas ģenerē kontroles signālu, kas nosaka, cik spriegums vai strāva jāpieliek motoram.

Kontroles signāls tiek nosūtīts enerģijas pastiprinātājam (piemēram, H-mosts), kas to pārveido par atbilstošu sprieguma vai strāvas līmeni, lai palaistu motoru.

Motors pēc tam rotē vai kustas atbilstoši kontroles signālam, maina savu pozīciju, ātrumu vai momentu un nosūta jaunu atgriezeniskās saites signālu regulatoram.

Procesa atkārtošanās turpinās, līdz kļūdas signāls kļūst nulle vai nepielicis, norādot, ka izvades ķermenis ir sasniedzis vēlamo setpoint.

Servomotoru veidi

Servomotori var tikt sadalīti dažādos veidos atkarībā no to enerģijas avota, konstrukcijas, atgriezeniskās saites mehānisma un lietojuma.

MA servomotori

MA servomotori ir elektromotori, kas darbojas ar maiņstrāvu (MA). Viņiem ir stators, kas ģenerē rotējošu magnētisko lauku, un rotoris, kas sekos šim laukam.

MA servomotori, kas darbojas ar maiņstrāvu, ietver statoru, kas izveido rotējošu magnētisko lauku, un rotoru, kas sinchronizējas ar šo lauku efektīvai darbībai.

MA servomotori var tikt sadalīti divos veidos: sinhronie un asinhronie.

Sinhronie MA servomotori ietver pastāvīgo magnētu rotoru, kas rotē ar tādu pašu ātrumu kā statora lauks. Tie ir efektīvāki, precīzāki un reaģējošāki nekā asinhronie motori, bet tiem ir nepieciešams sarežģītāks regulators un pozīcijas sensors.

Asinhronie MA servomotori ietver apvilktu rotoru, kas inducē strāvu un magnētisko lauku, kas aizpaliek aiz statora lauka. Tie ir vienkāršāki, lētāki un izturīgāki nekā sinhronie motori, bet to efektivitāte, precizitāte un ātrums ir zemāks.

MA servomotori ir piemēroti augstas jaudas lietojumiem, kas prasa augstu ātrumu, momentu un uzticamību. Tiem bieži izmanto rūpnieciskās mašīnas, robotikā, CNC mašīnās, utt.

MK servomotori

MK servomotori ir elektromotori, kas darbojas ar direct current (MK). Viņiem ir pastāvīgo magnētu stators, kas ģenerē fiksētu magnētisko lauku, un apvilktu rotoru, kas rotē, kad tiek piemērots strāva.

MK servomotori var tikt sadalīti divos veidos: ar karstumkoku un bezkarstumkoku.

Ar karstumkoku MK servomotori ietver komutātoru un karstumkoku, kas maina strāvas virzienus rotoru vilcienos. Tie ir vienkārši, lēti un viegli kontrolējami, bet to efektivitāte, ilgums un ātrums ir zemāks dēļ karstumkoka trīciena un sēriekā.

Bezkarstumkoku MK servomotori ietver elektronisko regulatoru, kas maina strāvas virzienus statoru vilcienos. Tie ir efektīvāki, ilgstošāki un ātrāki nekā ar karstumkoku motori, bet tiem ir nepieciešams sarežģītāks regulators un pozīcijas sensors.

MK servomotori ir piemēroti zemas jaudas lietojumiem, kas prasa augstu precizitāti, reaģēšanas spēju un vieglu kustību. Tiem bieži izmanto hobija projekti, rotaļlietu automobiļi, CD/DVD gājēji, utt.

Lineārie servomotori

Lineārie servomotori ir elektromotori, kas izveido lineāro kustību, nevis rotācijas kustību. Viņiem ir stacionārs elements, ko sauc par forceri vai primāru, kas satur vilcienus vai magnētus, un kustīgs elements, ko sauc par plateni vai sekundāru, kas satur magnētus vai dzelzs kodolu.

Lineārie servomotori var tikt sadalīti divos veidos: ar dzelzs kodolu un bez dzelzs kodola.

Ar dzelzs kodolu lineārie servomotori ietver dzelzs kodolus platenī, kas interejerē ar forcera magnētisko lauku. Tiem ir augsts spēka blīvums, stigums un precizitāte, bet tiem ir arī augsts cogging moments, svars un siltums radīšana.

Bez dzelzs kodola lineārie servomotori nav dzelzs kodolu platenī, tikai magnēti. Tiem ir zems cogging moments, svars un siltums radīšana, bet tiem ir arī zems spēka blīvums, stigums un precizitāte.

Lineārie servomotori ir piemēroti lietojumiem, kas prasa augstu ātrumu, paātrinājumu un precizitāti garām attālumiem. Tiem bieži izmanto poluprovadītāju ražošanā, metrologijā, lazeru griešanā, utt.

Kā kontrolēt servomotoru?

Servomotoru kontrolēšana atkarīga no motora veida, atgriezeniskās saites mehānisma un lietojuma prasībām.

Vispārīgi runājot, ir divi kontroles signālu veidi, ko var izmantot, lai kontrolētu servomotoru: analoģiski un digitāli.

Analoģiskie kontroles signāli ir nepārtrauktie sprieguma vai strāvas signāli, kas samērā mainās atbilstoši vēlamajam setpoint. Tiem parasti izmanto vienkāršus vai zemu cena servosistēmas, kas nesaprasta augstu precizitāti vai skaidrību. Piemēram, potenciometrs var tikt izmantots, lai ģenerētu analoģisko kontroles signālu hobija servomotoram.

Digitālie kontroles signāli ir diskreti impulsi vai biti, kas attēlo vēlamajam setpoint kodētā formā. Tiem parasti izmanto sarežģītas vai augstas veiktspējas servosistēmas, kas prasa augstu precizitāti, skaidrību vai saziņu. Piemēram, impulsplatuma modulācijas (PWM) signāls var tikt izmantots, lai ģenerētu digitālo kontroles signālu bezkarstumkoku MK servomotoram.

Servomotoru regulators var būt gan ārējs ierīce, gan integrēts šķīdums motorā. Regulators saņem kontroles signālus no ārēja avota (piemēram, datora vai džostika) un atgriezeniskās saites signālus no sensora un ģenerē atbilstošus kontroles signālus, lai palaistu motoru.

Regulators var arī īstenot dažādas kontroles algoritmus, lai optimizētu servomotoru veiktspēju. Daži no biežāk sastopamajiem kontroles algoritmiem ir:

Proporcionālais-integrālais-derivatīvais (PID) kontroles: Tas ir atgriezeniskās saites balstīts kontroles algoritms, kas pielāgo kontroles signālu atbilstoši kļūdas signāla proporcionālajiem, integrālajiem un derivatīvajiem terminiem. Tas plaši izmanto servosistēmām, kas prasa ātru un precīzu atbildi.

Neprecīza loģikas kontroles: Tas ir noteikumu balstīts kontroles algoritms, kas pielāgo kontroles signālu atbilstoši neprecīzajiem kopumiem un valodiskajiem mainīgajiem. Tas ir noderīgs servosistēmām, kas strādā ar nezināmību vai nelinearitātēm.

Adaptīvā kontrole: Tas ir sevi pielāgojošs kontroles algoritms, kas pielāgo kontroles parametrus atbilstoši servosistēmas mainīgajām apstākļiem. Tas ir noderīgs servosistēmām, kas saskaras ar traucējumiem vai variācijām.

Servomotoru lietojumi

Servomotori ir plašsaziņas mijiedarbības jomās un nozarēs. Daži no biežāk sastopamajiem lietojumiem ir:

Robotikā: Servomotori tiek izmantoti, lai nodrošinātu precīzu kustību un spēku robotu rokām, kājām, sakārtām, gripperiem, utt. Tie ļauj robotiem veikt uzdevumus, piemēram, uzņemšanu, novietošanu, smeltīšanu, montāžu, utt.

CNC mašīnās: Servomotori tiek izmantoti, lai palaistu CNC mašīnu ass, piemēram, torni, frēzes, ruteri, utt. Tie ļauj CNC mašīnām veikt precīzas un sarežģītas mehāniskās operācijas, piemēram, griešanu, virzdēšanu, gravēšanu, utt.

Automatizētajā ražošanā: Servomotori tiek izmantoti, lai kontrolētu dažādu komponentu un ierīču kustību un pozīciju automatizētajā ražošanā, piemēram, transportētājos, pārvalkojumos, ielādēšanas, izlādēšanas, utt. Tie ļauj automatizētajām ražošanas sistēmām sasniegt augstu produktivitāti un kvalitāti.

Medicīnas ierīcēs: Servomotori tiek izmantoti, lai darbinātu dažādas medicīnas ierīces un instrumentus, piemēram, hirurgiskos robotus, scannerus, pumpas, ventilātorus, utt. Tie ļauj medicīnas ierīcēm veikt precīzas un drošas operācijas un ārstēšanas.

Secinājums

Šajā rakstā mēs esam iemācījušies par servomotoru definīciju, darbības principu, veidiem, kontrolēšanu un lietojumu.

Mēs esam redzējuši, ka servomotori ir elektromotori, kas ļauj precīzi kontrolēt leņķa vai lineārās pozīcijas, ātrumu un momentu. Tiem ir motors, sensors un regulators, kas veido slēgtu atgriezenisko saiti.