Silnik serwomechanizmu: Definicja zasady działania i zastosowania

Serwomechanizm: Definicja, zasada działania i zastosowania

Kluczowe nauki:

Definicja serwomechanizmu: Serwomechanizm to silnik elektryczny, który zapewnia precyzyjną kontrolę kątowej lub liniowej pozycji, prędkości i momentu obrotowego za pomocą systemu pętli sprzężenia zwrotnego.

Systemy sterowania: Serwomechanizm wykorzystuje zaawansowane systemy sterowania, takie jak PID i logika rozmyta, aby dostosować ruch zgodnie z sygnałami wejściowymi i sprzężenia zwrotnego dla optymalnej wydajności.

Typy silników: Istnieją różne typy, w tym silniki przemiennoprądowe i stałowprądowe, z podtypami, takimi jak synchroniczne, asynchroniczne, z łopatką i bez łopatki, każdy dostosowany do konkretnych zastosowań.

Mechanizm sprzężenia zwrotnego: Efektywne wykorzystanie czujników, takich jak potencjometry i enkodery, pomaga w precyzyjnym monitorowaniu i dostosowywaniu pozycji, prędkości lub momentu obrotowego silnika.

Wgląd w zastosowania: Serwomechanizmy są kluczowe w wysokoprecyzyjnych dziedzinach, takich jak robotyka, maszyny CNC i automatyzacja produkcji, dzięki możliwościom obsługi skomplikowanych ruchów i zadań.

Serwomechanizm definiuje się jako silnik elektryczny, który umożliwia precyzyjną kontrolę kątowej lub liniowej pozycji, prędkości i momentu obrotowego. Składa się on z odpowiedniego silnika połączonego z czujnikiem do sprzężenia zwrotnego pozycji i kontrolerem, który reguluje ruch silnika zgodnie z pożądanym punktem ustawienia.

Serwomechanizmy są niezbędne w branżach, takich jak robotyka, maszyny CNC i automatyzacja produkcji, ze względu na ich precyzję, szybkie reagowanie i płynny ruch.

W tym artykule wyjaśnimy podstawową teorię serwomechanizmów, jak działają, jak są sterowane oraz jakie są ich typowe zastosowania.

Co to jest serwomechanizm?

Wprowadzenie do serwomechanizmu: Serwomechanizm to silnik elektryczny, który dostosowuje swoją pozycję, prędkość lub moment obrotowy w odpowiedzi na sygnały sterujące.

Termin serwo pochodzi od łacińskiego słowa servus, co oznacza służącego lub niewolnika. To odzwierciedla historyczne zastosowanie serwomechanizmów jako napędów pomocniczych wspomagających główny system napędowy.

Jednak współczesne serwomechanizmy są zdolne do zapewnienia wysokiej wydajności i precyzji jako główne napędy w różnych zastosowaniach.

Serwomechanizm składa się z trzech głównych komponentów:

Silnik: Może to być zarówno silnik stałowprądowy, jak i przemiennoprądowy, w zależności od źródła zasilania i wymagań aplikacji. Silnik zapewnia moc mechaniczną do obrotu lub poruszania wału wyjściowego.

Czujnik: Może to być potencjometr, enkoder, rezolver lub inny urządzenie, które mierzy pozycję, prędkość lub moment obrotowy wału wyjściowego i wysyła sygnały sprzężenia zwrotnego do kontrolera.

Kontroler: Może to być układ analogowy lub cyfrowy, który porównuje sygnały sprzężenia zwrotnego z czujnika z pożądanymi sygnałami punktu ustawienia z zewnętrznego źródła (takiego jak komputer lub dżojstyk) i generuje sygnały sterujące, aby dostosować napięcie lub prąd silnika odpowiednio.

Kontroler wykorzystuje zamkniętą pętlę sprzężenia zwrotnego, dostosowując ruch silnika, aby dokładnie odpowiadał pożądanemu punktowi ustawienia, utrzymując ścisłą dokładność.

Kontroler może również zaimplementować różne algorytmy sterowania, takie jak sterowanie proporcjonalno-całkowo-różniczkowe (PID), sterowanie rozmyte, sterowanie adaptacyjne itp., aby zoptymalizować wydajność serwomechanizmu.

Jak działa serwomechanizm?

Podstawowa zasada działania serwomechanizmu polega na tym, że kontroler odbiera dwa rodzaje sygnałów wejściowych:

Sygnał punktu ustawienia: Jest to sygnał analogowy lub cyfrowy, który reprezentuje pożądaną pozycję, prędkość lub moment obrotowy wału wyjściowego.

Sygnał sprzężenia zwrotnego: Jest to sygnał analogowy lub cyfrowy, który reprezentuje rzeczywistą pozycję, prędkość lub moment obrotowy wału wyjściowego zmierzony przez czujnik.

Kontroler porównuje te dwa sygnały i oblicza sygnał błędu, który reprezentuje różnicę między nimi.

Sygnał błędu jest następnie przetwarzany przez algorytm sterujący (taki jak PID), który generuje sygnał sterujący, określający, ile napięcia lub prądu powinno być zastosowane do silnika.

Sygnał sterujący jest wysyłany do wzmacniacza mocy (takiego jak most H), który przekształca go w odpowiedni poziom napięcia lub prądu do napędzania silnika.

Silnik następnie obraca się lub porusza zgodnie z sygnałem sterującym i zmienia swoją pozycję, prędkość lub moment obrotowy, a następnie wysyła nowy sygnał sprzężenia zwrotnego do kontrolera.

Proces powtarza się, dopóki sygnał błędu nie stanie się zerowy lub zaniedbywalny, co oznacza, że wał wyjściowy osiągnął pożądany punkt ustawienia.

Typy serwomechanizmów

Serwomechanizmy można podzielić na różne typy w zależności od źródła zasilania, konstrukcji, mechanizmu sprzężenia zwrotnego i zastosowania.

Serwomechanizmy przemiennoprądowe

Serwomechanizmy przemiennoprądowe to silniki elektryczne, które działają na prąd przemienny (AC). Mają one stator, który generuje obracające się pole magnetyczne, oraz rotor, który podąża za polem.

Serwomechanizmy przemiennoprądowe, zasilane prądem przemiennym, mają stator, który tworzy obracające się pole magnetyczne, a rotor, który synchronizuje się z tym polem dla efektywnego działania.

Serwomechanizmy przemiennoprądowe można dalej podzielić na dwa typy: synchroniczne i asynchroniczne.

Synchroniczne serwomechanizmy przemiennoprądowe mają permanentny magnes rotoru, który obraca się z tą samą prędkością co pole statora. Są one bardziej wydajne, precyzyjne i reakcyjne niż asynchroniczne, ale wymagają bardziej skomplikowanego kontrolera i czujnika pozycji.

Asynchroniczne serwomechanizmy przemiennoprądowe mają zawijany rotor, który indukuje prąd i pole magnetyczne, które opóźnia się w stosunku do pola statora. Są prostsze, tańsze i bardziej wytrzymałe niż synchroniczne, ale mają niższą wydajność, dokładność i prędkość.

Serwomechanizmy przemiennoprądowe są odpowiednie dla zastosowań o wysokiej mocy, które wymagają dużej prędkości, momentu obrotowego i niezawodności. Są powszechnie używane w maszynach przemysłowych, robotyce, maszynach CNC itp.

Serwomechanizmy stałowprądowe

Serwomechanizmy stałowprądowe to silniki elektryczne, które działają na prąd stały (DC). Mają one permanentny magnes statora, który generuje stałe pole magnetyczne, oraz zawijany rotor, który obraca się, gdy zastosowany jest prąd.

Serwomechanizmy stałowprądowe można dalej podzielić na dwa typy: z łopatką i bez łopatki.

Serwomechanizmy stałowprądowe z łopatką mają komutator i szczotki, które przełączają kierunek prądu w nawinięciach rotora. Są proste, tanie i łatwe w sterowaniu, ale mają niższą wydajność, żywotność i prędkość ze względu na tarcie i zużycie szczotek.

Serwomechanizmy stałowprądowe bez łopatki mają elektroniczny kontroler, który przełącza kierunek prądu w nawinięciach statora. Są bardziej wydajne, trwałe i szybkie niż silniki z łopatką, ale wymagają bardziej zaawansowanego kontrolera i czujnika pozycji.

Serwomechanizmy stałowprądowe są odpowiednie dla zastosowań o niskiej mocy, które wymagają wysokiej precyzji, reakcyjności i płynnego ruchu. Są powszechnie używane w hobby, modelach samochodów, odtwarzaczach CD/DVD itp.

Liniowe serwomechanizmy

Liniowe serwomechanizmy to silniki elektryczne, które produkują ruch liniowy zamiast obrotowy. Mają nieruchomą część zwaną forcerem lub pierwotnym, która zawiera cewki lub magnesy, oraz poruszającą się część zwaną placenem lub wtórnym, która zawiera magnesy lub rdzenie żelazne.

Liniowe serwomechanizmy można dalej podzielić na dwa typy: z rdzeniem żelaznym i bez rdzenia żelaznego.

Liniowe serwomechanizmy z rdzeniem żelaznym mają rdzenie żelazne w placenie, które interaktywnie działają z polem magnetycznym forceru. Mają wysoką gęstość siły, sztywność i dokładność, ale także wysoką siłę cogging, ciężar i generację ciepła.

Liniowe serwomechanizmy bez rdzenia żelaznego nie mają rdzeni żelaznych w placenie, tylko magnesy. Mają niską siłę cogging, ciężar i generację ciepła, ale także niską gęstość siły, sztywność i dokładność.

Liniowe serwomechanizmy są odpowiednie dla zastosowań, które wymagają wysokiej prędkości, przyspieszenia i precyzji na długich dystansach. Są powszechnie używane w produkcji półprzewodników, metrologii, cięciu laserowym itp.

Jak sterować serwomechanizmem?

Sterowanie serwomechanizmem zależy od typu silnika, mechanizmu sprzężenia zwrotnego i wymagań zastosowania.

Ogólnie rzecz biorąc, istnieją dwa rodzaje sygnałów sterujących, które można wykorzystać do sterowania serwomechanizmem: analogowe i cyfrowe.

Analogowe sygnały sterujące to ciągłe sygnały napięcia lub prądu, które zmieniają się proporcjonalnie do pożądanego punktu ustawienia. Są one zwykle używane w prostych lub tanich systemach serwomechanicznych, które nie wymagają wysokiej dokładności lub rozdzielczości. Na przykład, potencjometr może być użyty do generowania analogowego sygnału sterującego dla serwomechanizmu hobby.

Cyfrowe sygnały sterujące to dyskretne impulsy lub bity, które reprezentują pożądany punkt ustawienia w zakodowanej formie. Są one zwykle używane w skomplikowanych lub wysokowydajnych systemach serwomechanicznych, które wymagają wysokiej dokładności, rozdzielczości lub komunikacji. Na przykład, sygnał modulacji szerokości impulsu (PWM) może być użyty do generowania cyfrowego sygnału sterującego dla serwomechanizmu stałowprądowego bez łopatki.

Kontroler serwomechanizmu może być zewnętrznym urządzeniem lub układem scalonym wewnątrz silnika. Kontroler odbiera sygnały sterujące z zewnętrznego źródła (takiego jak komputer lub dżojstyk) i sygnały sprzężenia zwrotnego z czujnika, a następnie generuje odpowiednie sygnały sterujące do napędzania silnika.

Kontroler może również zaimplementować różne algorytmy sterowania, aby zoptymalizować wydajność serwomechanizmu. Niektóre z powszechnych algorytmów sterowania to:

Sterowanie proporcjonalno-całkowo-różniczkowe (PID): Jest to algorytm sterowania oparty na sprzężeniu zwrotnym, który dostosowuje sygnał sterujący na podstawie proporcjonalnych, całkowych i różniczkowych składników sygnału błędu. Jest szeroko stosowany w systemach serwomechanicznych, które wymagają szybkiej i dokładnej reakcji.

Sterowanie rozmyte: Jest to algorytm sterowania oparty na regułach, który dostosowuje sygnał sterujący na podstawie zbiorów rozmytych i zmiennych lingwistycznych. Jest przydatny w systemach serwomechanicznych, które mają do czynienia z niepewnością lub nieliniowością.

Sterowanie adaptacyjne: Jest to algorytm sterowania samonastawianego, który dostosowuje parametry sterowania w zależności od zmieniających się warunków systemu serwomechanicznego. Jest korzystny dla systemów serwomechanicznych, które stykają się z zakłóceniami lub zmiennościami.

Zastosowania serwomechanizmów

Serwomechanizmy mają szeroki zakres zastosowań w różnych dziedzinach i branżach. Niektóre z powszechnych zastosowań to:

Robotyka: Serwomechanizmy są wykorzystywane do zapewnienia precyzyjnego ruchu i siły dla ramion, nóg, stawów, chwytarek itp. Pozwalają robotom wykonywać zadania, takie jak podnoszenie, umieszczanie, spawanie, montaż itp.

Maszyny CNC: Serwomechanizmy są wykorzystywane do napędzania osi maszyn CNC, takich jak tokarki, frezarki, routery itp. Pozwalają maszynom CNC wykonywać dokładne i skomplikowane operacje mechaniczne, takie jak cięcie, wiercenie, grawerowanie itp.

Automatyzacja produkcji: Serwomechanizmy są wykorzystywane do kontroli ruchu i pozycji różnych komponentów i urządzeń w systemach automatyzacji produkcji, takich jak taśmy transportowe, podajniki, załadowniki, wyładowniki itp. Pozwalają systemom automatyzacji produkcji osiągać wysoką produktywność i jakość.

Sprzęt medyczny: Serwomechanizmy są wykorzystywane do obsługi różnych urządzeń i instrumentów medycznych, takich jak roboty chirurgiczne, skanery, pompki, wentylatory itp. Pozwalają sprzętom medycznym wykonywać precyzyjne i bezpieczne operacje i leczenia.

Podsumowanie

W tym artykule dowiedzieliśmy się o definicji, zasadzie działania, typach, sterowaniu i zastosowaniach serwomechanizmów.

Stwierdziliśmy, że serwomechanizmy to silniki elektryczne, które umożliwiają precyzyjną kontrolę kątowej lub liniowej pozycji, prędkości i momentu obrotowego. Składa się on z silnika, czujnika i kontrolera, tworząc zamkniętą pętlę sprzężenia zwrotnego.

Stwierdziliśmy również, że serwomechanizmy można podzielić na różne typy w zależności od źródła zasilania, konstrukcji, mechanizmu sprzężenia zwrotnego i zastosowania. Niektóre z powszechnych typów to serwomechanizmy przemiennoprądowe, stałowprądowe i liniowe.

Stwierdziliśmy również, że serwomechanizmy mogą być sterowane przez analogowe lub cyfrowe sygnały, które reprezentują pożądany punkt ustawienia. Kontroler może również zaimplementować różne algorytmy sterowania, aby zoptymalizować wydajność serwomechanizmu.

Stwierdziliśmy również, że serwomechanizmy mają szeroki zakres zastosowań w różnych dziedzinach i branżach, takich jak robotyka, maszyny CNC, automatyzacja produkcji, sprzęt medyczny itp.

Mamy nadzieję, że ten artykuł był informatywny i pomocny. Jeśli masz jakieś pyt