Servomotor: Definisjon arbeidsprinsipp og anvendelser

Servomotor: Definisjon, arbeidsprinsipp og anvendelser

Kjernekompetanse:

Definisjon av servomotor: En servomotor er definert som en elektrisk motor som gir nøyaktig kontroll over vinkel- eller lineær posisjon, hastighet og dreiemoment ved bruk av et tilbakemeldingssystem.

Kontrollsystemer: Servomotoren bruker avanserte kontrollsystemer som PID og fuzzy logikk for å justere bevegelsen i henhold til inndata og tilbakemeldingssignaler for optimal ytelse.

Typer motorer: Forskjellige typer inkluderer AC- og DC-servomotorer, med underkategorier som synkron, asynkron, børstet og børstefri, hver laget for spesifikke anvendelser.

Tilbakemeldingssystem: Effektiv bruk av sensorer som potensiometer og koder hjelper med nøyaktig overvåking og justering av motorposisjoner, hastigheter eller dreiemoment.

Innsikt i anvendelser: Servomotorer er viktige i felt med høy nøyaktighet som robotteknologi, CNC-maskiner og automatisert produksjon på grunn av deres evne til å håndtere komplekse bevegelser og oppgaver.

En servomotor er definert som en elektrisk motor som tillater nøyaktig kontroll over vinkel- eller lineær posisjon, hastighet og dreiemoment. Den består av en passende motor koblet til en sensor for posisjonstilbakemelding og en kontroller som regulerer motorens bevegelse i henhold til en ønsket settpunkt.

Servomotorer er essensielle i industriene som robotteknologi, CNC-maskiner og automatisert produksjon på grunn av deres nøyaktighet, rask respons og flytende bevegelse.

I denne artikkelen vil vi forklare den grunnleggende teorien om servomotorer, hvordan de fungerer, hvordan de styres, og hva noen av de vanligste anvendelsene er.

Hva er en servomotor?

Introduksjon til servomotor: En servomotor er en elektrisk motor som justerer sin posisjon, hastighet eller dreiemoment i respons til kontrollerinndata.

Terminen servo kommer fra det latinske ordet servus, som betyr tjener eller slave. Dette reflekterer den historiske bruken av servomotorer som hjelpedrev som støtter hoveddrevsystemet.

Men moderne servomotorer er i stand til å gi høy ytelse og nøyaktighet som hoveddrev i ulike anvendelser.

En servomotor består av tre hovedkomponenter:

En motor: Dette kan være enten en DC-motor eller en AC-motor avhengig av strømkilden og kravene til anvendelsen. Motoren gir mekanisk effekt for å rotere eller bevege utgangsaksen.

En sensor: Dette kan være enten et potensiometer, en kode, en resolver eller en annen enhet som måler posisjon, hastighet eller dreiemoment av utgangsaksen og sender tilbakemeldingssignaler til kontrolleren.

En kontroller: Dette kan være enten et analogt eller et digitalt sirkuit som sammenligner tilbakemeldingssignalene fra sensoren med de ønskede settpunktsignalene fra en ekstern kilde (som en datamaskin eller en joystick) og genererer kontrollsignal for å justere motorens spenning eller strøm i henhold til dette.

Kontrolleren bruker et lukket tilbakemeldingssystem, og justerer motorens bevegelse for å passe tett med det ønskede settpunktet, og opprettholder streng nøyaktighet.

Kontrolleren kan også implementere ulike kontrollalgoritmer, som proporsjonal-integral-derivativ (PID)-kontroll, fuzzy logikkkontroll, adaptiv kontroll osv., for å optimere servomotorens ytelse.

Hvordan fungerer en servomotor?

Det grunnleggende arbeidsprinsippet for en servomotor innebærer at kontrolleren mottar to typer inndata-signaler:

Et settpunktsignal: Dette er et analogt eller digitalsignal som representerer den ønskede posisjonen, hastigheten eller dreiemomentet av utgangsaksen.

Et tilbakemeldingssignal: Dette er et analogt eller digitalsignal som representerer den faktiske posisjonen, hastigheten eller dreiemomentet av utgangsaksen målt av sensoren.

Kontrolleren sammenligner disse to signalene og beregner et feilsignal som representerer forskjellen mellom dem.

Feilsignalet blir deretter behandlet av en kontrollalgoritme (som PID) som genererer et kontrollsignal som bestemmer hvor mye spenning eller strøm som skal brukes til motoren.

Kontrollsignalet sendes til en strømforsyningforsterker (som en H-brygge) som konverterer det til en passende spennings- eller strømnivå for å drive motoren.

Motoren roterer eller beveger seg i henhold til kontrollsignalet og endrer sin posisjon, hastighet eller dreiemoment, og sender et nytt tilbakemeldingssignal til kontrolleren.

Prosessens gjentas til feilsignalet blir null eller ubetydelig, noe som indikerer at utgangsaksen har nådd det ønskede settpunktet.

Typer servomotorer

Servomotorer kan klassifiseres i ulike typer basert på strømkilde, konstruksjon, tilbakemeldingssystem og anvendelse.

AC-servomotorer

AC-servomotorer er elektriske motorer som fungerer med alternerende strøm (AC). De har en statork som genererer en roterende magnetfelt og en rotor som følger feltet.

AC-servomotorer, drevet av alternerende strøm, har en statork som skaper et roterende magnetfelt, med en rotor som synkroniserer seg med dette feltet for effektiv drift.

AC-servomotorer kan videre deles inn i to typer: synkron og asynkron.

Synkron AC-servomotorer har en permanentmagnetrotor som roterer med samme hastighet som statorkfeltet. De er mer effektive, nøyaktige og responspromte enn asynkrone motorer, men de krever en mer kompleks kontroller og en posisjonssensor.

Asynkrone AC-servomotorer har en vindet rotor som inducerer en strøm og et magnetfelt som forsinkes bak statorkfeltet. De er enklere, billigere og mer robuste enn synkrone motorer, men de har lavere effektivitet, nøyaktighet og hastighet.

AC-servomotorer er egnet for høyeffektanvendelser som krever høy hastighet, dreiemoment og pålitelighet. De brukes ofte i industrielle maskiner, robotteknologi, CNC-maskiner osv.

DC-servomotorer

DC-servomotorer er elektriske motorer som fungerer med direkte strøm (DC). De har en permanentmagnetstatork som genererer et fast magnetfelt og en vindet rotor som roterer når en strøm er påført.

DC-servomotorer kan videre deles inn i to typer: børstet og børstefri.

Børstede DC-servomotorer har en kommutator og børster som skifter strømretningen i rotorspirene. De er enkle, billige og lett å styre, men de har lavere effektivitet, levetid og hastighet på grunn av friksjon og slitasje av børstene.

Børstefrie DC-servomotorer har en elektronisk kontroller som skifter strømretningen i statorkspirene. De er mer effektive, holdbare og raske enn børstede motorer, men de krever en mer sofistikert kontroller og en posisjonssensor.

DC-servomotorer er egnet for laveffektanvendelser som krever høy nøyaktighet, responsivitet og jevn bevegelse. De brukes ofte i hobbyprosjekter, lekekjøretøy, CD/DVD-spillere osv.

Lineære servomotorer

Lineære servomotorer er elektriske motorer som produserer lineær bevegelse i stedet for roterende bevegelse. De har en stasjonær del kalt forcer eller primær som inneholder spoler eller magneter, og en bevegelig del kalt platen eller sekundær som inneholder magneter eller jernkjerner.

Lineære servomotorer kan videre deles inn i to typer: jernkjernede og jernfrie.

Jernkjernede lineære servomotorer har jernkjerner i platen som interagerer med magnetfeltet fra forcer. De har høy krafttetthet, stifhet og nøyaktighet, men de har også høy koggingkraft, vekt og varmegenerasjon.

Jernfrie lineære servomotorer har ingen jernkjerner i platen, bare magneter. De har lav koggingkraft, vekt og varmegenerasjon, men de har også lav krafttetthet, stifhet og nøyaktighet.

Lineære servomotorer er egnet for anvendelser som krever høy hastighet, akselerasjon og nøyaktighet over lange avstander. De brukes ofte i halvlederproduksjon, metrolologi, laserskiving osv.

Hvordan styre en servomotor?

Styringen av en servomotor avhenger av typen motor, tilbakemeldingssystemet og kravene til anvendelsen.

Generelt er det to typer kontrollsignaler som kan brukes til å styre en servomotor: analoge og digitale.

Analoge kontrollsignaler er kontinuerlige spennings- eller strømsignaler som varierer proporsjonalt med det ønskede settpunktet. De brukes typisk for enkle eller lavkostnads-servosystemer som ikke krever høy nøyaktighet eller oppløsning. For eksempel kan et potensiometer brukes til å generere et analogt kontrollsignal for en hobby-servomotor.

Digitale kontrollsignaler er diskrete puls- eller bitsignaler som representerer det ønskede settpunktet i en kodet form. De brukes typisk for komplekse eller høytydende servosystemer som krever høy nøyaktighet, oppløsning eller kommunikasjon. For eksempel kan et pulselengdeberegnet modulasjonssignal (PWM) brukes til å generere et digitalt kontrollsignal for en børstefri DC-servomotor.

Kontrolleren til en servomotor kan være enten en ekstern enhet eller et integrert sirkuit i motoren. Kontrolleren mottar kontrollsignalene fra en ekstern kilde (som en datamaskin eller en joystick), og tilbakemeldingssignalene fra sensoren, og genererer de passende kontrollsignalene for å drive motoren.

Kontrolleren kan også implementere ulike kontrollalgoritmer for å optimere servomotorens ytelse. Noen av de vanlige kontrollalgoritmene er:

Proporsjonal-integral-derivativ (PID)-kontroll: Dette er en tilbakemeldingsbasert kontrollalgoritme som justerer kontrollsignalene basert på proporsjonale, integrerte og deriverte termer av feilsignalet. Den brukes vidt for servosystemer som krever rask og nøyaktig respons.

Fuzzy logikkkontroll: Dette er en regelbasert kontrollalgoritme som justerer kontrollsignalene basert på fuzzy-sett og lingvistiske variabler. Den er nyttig for servosystemer som behandler usikkerhet eller ikkelineæriteter.

Adaptiv kontroll: Dette er en selvjusterende kontrollalgoritme som justerer kontrollparametrene basert på endrede forhold i servosystemet. Den er nyttig for servosystemer som møter forstyrrelser eller variasjoner.

Anvendelser av servomotorer

Servomotorer har en bred rekke anvendelser i ulike felt og industrier. Noen av de vanlige anvendelsene er:

Robotteknologi: Servomotorer brukes for å gi nøyaktig bevegelse og kraft for robotarme, ben, led, greiper osv. De muliggjør at roboter utfører oppgaver som plukking, plassering, sveising, montering osv.

CNC-maskiner: Servomotorer brukes for å drive akser i CNC-maskiner som torn, fræser, ruter osv. De muliggjør at CNC-maskiner utfører nøyaktige og komplekse bearbeidningsoperasjoner som skjæring, boring, gravering osv.

Automatisert produksjon: Servomotorer brukes for å kontrollere bevegelsen og posisjonen av ulike komponenter og enheter i automatiserte produksjonssystemer, som transportbånder, fordere, lastere, lossere osv. De muliggjør at automatiserte produksjonssystemer oppnår høy produktivitet og kvalitet.

Medisinsk utstyr: Servomotorer brukes for å drifte ulike medisinske enheter og instrumenter som kirurgiske roboter, skanner, pumper, ventilatorer osv. De muliggjør at medisinsk utstyr utfører nøyaktige og sikre operasjoner og behandlinger.

Konklusjon

I denne artikkelen har vi lært om definisjon, arbeidsprinsipp, typer, styring og anvendelser av servomotorer.

Vi har sett at servomotorer er elektriske motorer som tillater nøyaktig kontroll over vinkel- eller lineær posisjon, hastighet og dreiemoment. De består av en motor, en sensor og en kontroller som danner et lukket tilbakemeldingssystem.

Vi har også sett at servomotorer kan klassifiseres i ulike typer basert på strømkilde, konstruksjon, tilbakemeldingssystem og anvendelse. Noen av de vanlige typene er AC-servomotorer, DC-servomotorer og lineære servomotorer.

Vi har også sett at servomotorer kan styres av enten analoge eller digitale signaler som representerer det ønskede settpunktet. Kontrolleren kan også implementere ulike kontrollalgoritmer for å optimere servomotorens ytelse.

Vi har også sett at servomotorer har en bred rekke anvendelser i ulike felt og industrier, som robotteknologi, CNC-maskiner, automatisert produksjon, medisinsk utstyr osv.

Vi håper at denne artikkelen har vært informativ og nyttig for deg. Hvis du har noen spørsmål eller kommentarer, er du velkommen til å dele dem med oss. Takk for at du leste!