Servomotor: Definition Arbetssätt och Tillämpningar

Servomotor: Definition, Funktionsprincip och Användningsområden

Viktiga lärdomar:

Definition av Servomotor: En servomotor definieras som en elektrisk motor som ger exakt kontroll över vinkelläge eller linjärt läge, hastighet och moment genom användning av ett återkopplingslådssystem.

Kontrollsystem: Servomotorn använder avancerade kontrollsystem som PID- och fuzzylogik för att anpassa rörelsen enligt indata och återkopplingsignaler för optimal prestanda.

Typer av Motorer: Olika typer inkluderar AC- och DC-servomotorer, med underkategorier som synkrona, asynkrona, borstade och borstatlösa, varje typ specialiserad för specifika tillämpningar.

Återkopplingsmekanism: Effektiv användning av sensorer som potentiometer och encoder hjälper till att exakt övervaka och justera motorpositioner, hastigheter eller moment.

Insikt i Tillämpningar: Servomotorer är avgörande i högprecisionens områden som robotteknik, CNC-maskiner och automatiserad tillverkning för deras förmåga att hantera komplexa rörelser och uppgifter.

En servomotor definieras som en elektrisk motor som möjliggör exakt kontroll över vinkelläge eller linjärt läge, hastighet och moment. Den består av en lämplig motor kopplad till en sensor för positionsåterkoppling och en reglerare som styr motorns rörelse enligt önskat referensvärde.

Servomotorer är nödvändiga i branscher som robotteknik, CNC-maskiner och automatiserad tillverkning på grund av deras precision, snabb respons och flytande rörelse.

I denna artikel kommer vi att förklara den grundläggande teorin bakom servomotorer, hur de fungerar, hur de styrs och vilka några av deras vanliga tillämpningar är.

Vad är en Servomotor?

Introduktion till Servomotor: En servomotor är en elektrisk motor som justerar sitt läge, hastighet eller moment i svar på indatasignalerna från regleraren.

Terminen servus kommer från det latinska ordet "servus", vilket betyder tjänare eller slav. Detta återspeglar den historiska användningen av servomotorer som hjälpdrivmedel som stödjer huvudantriebet.

Men moderna servomotorer kan erbjuda hög prestanda och precision som huvudantrieb i olika tillämpningar.

En servomotor består av tre huvudkomponenter:

En motor: Detta kan vara antingen en DC-motor eller en AC-motor beroende på strömkällan och kraven för tillämpningen. Motorn ger den mekaniska kraften för att rotera eller flytta utgångsväxeln.

En sensor: Detta kan vara antingen en potentiometer, en encoder, en resolver eller en annan enhet som mäter position, hastighet eller moment för utgångsväxeln och skickar återkopplingsignaler till regleraren.

En reglerare: Detta kan vara antingen en analog eller digital krets som jämför återkopplingsignalerna från sensorn med önskade referenssignalerna från en extern källa (som en dator eller en joystick) och genererar styrsignalerna för att justera motorns spänning eller ström enligt detta.

Regleraren använder ett slutet återkopplingslådssystem, justerar motorns rörelse för att hålla sig nära det önskade referensvärdet, vilket bibehåller strikt noggrannhet.

Regleraren kan också implementera olika styrningsalgoritmer, såsom proportional-integral-derivativ (PID)-styrning, fuzzylogikstyrning, adaptiv styrning, etc., för att optimera prestandan hos servomotorn.

Hur fungerar en Servomotor?

Den grundläggande funktionsprincipen för en servomotor innefattar att regleraren tar emot två typer av indatasignaler:

Ett referensvärde: Detta är en analog eller digital signal som representerar det önskade läget, hastigheten eller momentet för utgångsväxeln.

En återkopplingsignal: Detta är en analog eller digital signal som representerar det faktiska läget, hastigheten eller momentet för utgångsväxeln mätt av sensorn.

Regleraren jämför dessa två signaler och beräknar en felsignal som representerar skillnaden mellan dem.

Felsignalen bearbetas sedan av en styrningsalgoritm (såsom PID) som genererar en styrsignal som bestämmer hur mycket spänning eller ström som ska appliceras på motorn.

Styrsignalen skickas till en effektförstärkare (som en H-brygga) som konverterar den till en lämplig spännings- eller strömnivå för att driva motorn.

Motorn roterar eller flyttar sig enligt styrsignalen och ändrar sitt läge, hastighet eller moment, och skickar en ny återkopplingsignal till regleraren.

Processen upprepas tills felsignalen blir noll eller försumbar, vilket indikerar att utgångsväxeln har nått det önskade referensvärdet.

Typer av Servomotorer

Servomotorer kan indelas i olika typer beroende på deras strömkälla, konstruktion, återkopplingsmekanism och tillämpning.

AC-Servomotorer

AC-servomotorer är elektriska motorer som drivs av växelström (AC). De har en statör som genererar ett roterande magnetfält och en rotor som följer fältet.

AC-servomotorer, drivna av växelström, har en statör som skapar ett roterande magnetfält, med en rotor som synkroniserar med detta fält för effektiv drift.

AC-servomotorer kan vidare delas in i två typer: synkrona och asynkrona.

Synkrona AC-servomotorer har en permanentmagnetrotor som roterar med samma hastighet som statörfältet. De är mer effektiva, precisa och responsiva än asynkrona motorer, men de kräver en mer komplex reglerare och en positionsensor.

Asynkrona AC-servomotorer har en virad rotor som inducerar en ström och ett magnetfält som ligger efter statörfältet. De är enklare, billigare och mer robusta än synkrona motorer, men de har lägre effektivitet, noggrannhet och hastighet.

AC-servomotorer är lämpliga för högeffektapplikationer som kräver hög hastighet, moment och tillförlitlighet. De används ofta i industriella maskiner, robotteknik, CNC-maskiner, etc.

DC-Servomotorer

DC-servomotorer är elektriska motorer som drivs av likström (DC). De har en permanentmagnetstatör som genererar ett fast magnetfält och en virad rotor som roterar när en ström appliceras.

DC-servomotorer kan vidare delas in i två typer: borstade och borstatlösa.

Borstade DC-servomotorer har en kommutator och borstar som byter strömsriktningen i rotorvindningarna. De är enkla, billiga och lätt att styra, men de har lägre effektivitet, livslängd och hastighet p.g.a. friktion och nötning av borstarna.

Borstatlösa DC-servomotorer har en elektronisk reglerare som byter strömsriktningen i statörvindningarna. De är mer effektiva, beständiga och snabba än borstade motorer, men de kräver en mer sofistikerad reglerare och en positionsensor.

DC-servomotorer är lämpliga för lågeffektapplikationer som kräver hög precision, responsivitet och smidig rörelse. De används ofta i hobbyprojekt, leksaksbilar, CD/DVD-spelare, etc.

Linjära Servomotorer

Linjära servomotorer är elektriska motorer som producerar linjär rörelse istället för rotationsrörelse. De har en stationär del kallad forcer eller primär som innehåller spolar eller magneter, och en rörlig del kallad platten eller sekundär som innehåller magneter eller järnkärnor.

Linjära servomotorer kan vidare delas in i två typer: med järnkärna och utan järnkärna.

Linjära servomotorer med järnkärna har järnkärnor i platten som interagerar med det magnetiska fältet från forcern. De har hög krafftäthet, styvhetsgrad och noggrannhet, men de har också hög koggingkraft, vikt och värmebildning.

Linjära servomotorer utan järnkärna har inga järnkärnor i platten, bara magneter. De har låg koggingkraft, vikt och värmebildning, men de har också låg krafftäthet, styvhetsgrad och noggrannhet.

Linjära servomotorer är lämpliga för applikationer som kräver hög hastighet, acceleration och precision över långa avstånd. De används ofta i halvledartillverkning, metrologi, laserskärning, etc.

Hur styr man en Servomotor?

Styrningen av en servomotor beror på motortypen, återkopplingsmekanismen och kraven för tillämpningen.

Generellt finns det två typer av styrsignaler som kan användas för att styra en servomotor: analoga och digitala.

Analoga styrsignaler är kontinuerliga spännings- eller strömsignaler som varierar proportionellt till det önskade referensvärdet. De används vanligtvis för enkla eller lågkostnadsservosystem som inte kräver hög noggrannhet eller upplösning. Till exempel kan en potentiometer användas för att generera en analog styrsignal för en hobby-servomotor.

Digitala styrsignaler är diskreta pulser eller bitar som representerar det önskade referensvärdet i kodad form. De används vanligtvis för komplexa eller högpresterande servosystem som kräver hög noggrannhet, upplösning eller kommunikation. Till exempel kan en pulsviddmodulerad (PWM) signal användas för att generera en digital styrsignal för en borstatlös DC-servomotor.

Regleraren för en servomotor kan vara antingen en extern enhet eller en integrerad krets inuti motorn. Regleraren tar emot styrsignalerna från en extern källa (som en dator eller en joystick), och återkopplingsignalerna från sensorn och genererar de lämpliga styrsignalerna för att driva motorn.

Regleraren kan också implementera olika styrningsalgoritmer för att optimera prestandan hos servomotorn. Några av de vanliga styrningsalgoritmerna är:

Proportional-integral-derivativ (PID)-styrning: Detta är en feedbackbaserad styrningsalgoritm som justerar styrsignalen baserat på de proportionala, integrala och derivativa termerna av felsignalen. Den används brett för servosystem som kräver snabb och exakt respons.

Fuzzylogikstyrning: Detta är en regelbaserad styrningsalgoritm som justerar styrsignalen baserat på fuzzy-set och lingvistiska variabler. Den är användbar för servosystem som hanterar osäkerhet eller icke-linjäritet.

Adaptiv styrning: Detta är en själjusterande styrningsalgoritm som justerar styrparametrarna baserat på de föränderliga förhållandena i servosystemet. Den är gynnsam för servosystem som står inför störningar eller variationer.

Tillämpningar av Servomotorer

Servomotorer har ett brett spektrum av tillämpningar inom olika områden och industrier. Några av de vanliga tillämpningarna är:

Robotteknik: Servomotorer används för att ge exakt rörelse och kraft för robotarmar, ben, leder, gripare, etc. De möjliggör för robotar att utföra uppgifter som plock, placering, svetsning, montering, etc.

CNC-maskiner: Servomotorer används för att driva axlarna på CNC-maskiner som torn, fräsar, routers, etc. De möjliggör för CNC-maskiner att utföra exakta och komplexa maskinbearbetningsoperationer som skärning, borrning, gravering, etc.

Automatiserad tillverkning: Servomotorer används för att styra rörelse och position för olika komponenter och enheter i automatiserade tillverkningsystem, såsom transportband, matningsenheter, lastnings- och lossningsenheter, etc. De möjliggör för automatiserade tillverkningsystem att uppnå hög produktivitet och kvalitet.

Medicinsk utrustning: Servomotorer används för att driva olika medicinska enheter och instrument som kirurgiska robotar, skanner, pumpar, ventilatorer, etc. De möjliggör för medicinsk utrustning att utföra exakta och säkra operationer och behandlingar.

Slutsats

I denna artikel har vi lärt oss om definitionen, funktionsprincipen, typerna, styrningen och tillämpningarna av servomotorer.

Vi har sett att servomotorer är elektriska motorer som möjliggör exakt kontroll över vinkelläge eller linjärt läge, hastighet och moment. De består av en motor, en sensor och en reglerare som bildar ett slutet återkopplingslådssystem.

Vi har också sett att servomotorer kan indelas i olika typer beroende på deras strömkälla, konstruktion, återkopplingsmekanism och tillämpning. Några av de vanliga typerna är AC-servomotorer, DC-servomotorer och linjära servomotorer.

Vi har också sett att servomotorer kan styras av antingen analoga eller digitala signaler som representerar det önskade referensvärdet. Regleraren kan också implementera olika styrningsalgoritmer för att optimera prestandan hos servomotorn.

Vi har också sett att servomotorer har ett brett spektrum av tillämpningar inom olika områden och industrier, såsom robotteknik, CNC-maskiner, automatiserad tillverkning, medicinsk utrustning, etc.

Vi hoppas att denna artikel har varit informativ och till hjälp för er. Om du har några frågor eller kommentarer, tveka inte att dela dem med oss. Tack för att du läste!