มอเตอร์เซอร์โว: นิยาม หลักการทำงาน และการใช้งาน

มอเตอร์เซอร์โว: คำนิยาม หลักการการทำงาน และการใช้งาน

บทเรียนสำคัญ:

คำนิยามของมอเตอร์เซอร์โว: มอเตอร์เซอร์โวคือมอเตอร์ไฟฟ้าที่ให้การควบคุมที่แม่นยำของตำแหน่งเชิงมุมหรือเชิงเส้น ความเร็ว และแรงบิดโดยใช้ระบบป้อนกลับวงจรป้อนกลับ

ระบบควบคุม: มอเตอร์เซอร์โวใช้ระบบควบคุมขั้นสูง เช่น PID และตรรกะคลุมเครือ เพื่อปรับการเคลื่อนไหวตามสัญญาณป้อนเข้าและสัญญาณป้อนกลับเพื่อประสิทธิภาพสูงสุด

ประเภทของมอเตอร์: ประเภทต่างๆ รวมถึงมอเตอร์เซอร์โว AC และ DC ซึ่งมีชนิดย่อย เช่น ซิงโครนัส อซิงโครนัส มีแปรง และไม่มีแปรง แต่ละชนิดได้รับการออกแบบสำหรับการใช้งานเฉพาะ

กลไกป้อนกลับ: การใช้เซ็นเซอร์อย่างมีประสิทธิภาพ เช่น พอตติโอเมตรและเอนโคเดอร์ ช่วยในการตรวจสอบและปรับตำแหน่ง ความเร็ว หรือแรงบิดของมอเตอร์อย่างแม่นยำ

การใช้งาน: มอเตอร์เซอร์โวเป็นสิ่งสำคัญในสาขาที่ต้องการความแม่นยำสูง เช่น หุ่นยนต์ เครื่องจักร CNC และการผลิตอัตโนมัติ เนื่องจากความสามารถในการจัดการกับการเคลื่อนไหวและการทำงานที่ซับซ้อน

มอเตอร์เซอร์โวคือมอเตอร์ไฟฟ้าที่ให้การควบคุมที่แม่นยำของตำแหน่งเชิงมุมหรือเชิงเส้น ความเร็ว และแรงบิด มันประกอบด้วยมอเตอร์ที่เหมาะสมที่เชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์สำหรับการป้อนกลับตำแหน่ง และตัวควบคุมที่ควบคุมการเคลื่อนไหวของมอเตอร์ตามค่าที่ต้องการ

มอเตอร์เซอร์โวเป็นสิ่งจำเป็นในอุตสาหกรรมเช่น หุ่นยนต์ เครื่องจักร CNC และการผลิตอัตโนมัติ เนื่องจากความแม่นยำ การตอบสนองอย่างรวดเร็ว และการเคลื่อนไหวที่ราบรื่น

ในบทความนี้ เราจะอธิบายทฤษฎีพื้นฐานของมอเตอร์เซอร์โว วิธีการทำงาน วิธีการควบคุม และการใช้งานทั่วไปบางอย่าง

มอเตอร์เซอร์โวคืออะไร?

แนะนำมอเตอร์เซอร์โว: มอเตอร์เซอร์โวคือมอเตอร์ไฟฟ้าที่ปรับตำแหน่ง ความเร็ว หรือแรงบิดตามสัญญาณป้อนเข้าจากตัวควบคุม

คำว่าเซอร์โวมาจากภาษาละตินคำว่า "servus" หมายถึงคนรับใช้หรือทาส ซึ่งสะท้อนถึงการใช้งานมอเตอร์เซอร์โวในอดีตเป็นไดรฟ์เสริมที่ช่วยระบบไดรฟ์หลัก

อย่างไรก็ตาม มอเตอร์เซอร์โวสมัยใหม่สามารถให้ประสิทธิภาพและความแม่นยำสูงในฐานะไดรฟ์หลักในแอปพลิเคชันต่างๆ

มอเตอร์เซอร์โวประกอบด้วยสามส่วนหลัก:

มอเตอร์: อาจเป็นมอเตอร์ DC หรือ AC ขึ้นอยู่กับแหล่งกำเนิดไฟฟ้าและข้อกำหนดการใช้งาน มอเตอร์ให้พลังงานกลในการหมุนหรือเคลื่อนที่ของแกนเอาต์พุต

เซ็นเซอร์: อาจเป็นพอตติโอเมตร เอนโคเดอร์ รีโซลเวอร์ หรืออุปกรณ์อื่นที่วัดตำแหน่ง ความเร็ว หรือแรงบิดของแกนเอาต์พุตและส่งสัญญาณป้อนกลับไปยังตัวควบคุม

ตัวควบคุม: อาจเป็นวงจรอะนาล็อกหรือดิจิทัลที่เปรียบเทียบสัญญาณป้อนกลับจากเซ็นเซอร์กับสัญญาณค่าที่ต้องการจากแหล่งภายนอก (เช่น คอมพิวเตอร์หรือจอยสติก) และสร้างสัญญาณควบคุมเพื่อปรับแรงดันหรือกระแสของมอเตอร์ตามลำดับ

ตัวควบคุมใช้ระบบป้อนกลับวงจรป้อนกลับแบบป้อนกลับวงจรป้อนกลับ ปรับการเคลื่อนไหวของมอเตอร์ให้ใกล้เคียงกับค่าที่ต้องการ รักษาความแม่นยำอย่างเคร่งครัด

ตัวควบคุมยังสามารถใช้อัลกอริทึมควบคุมต่างๆ เช่น ควบคุมแบบ PID ตรรกะคลุมเครือ ควบคุมปรับตัว ฯลฯ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของมอเตอร์เซอร์โว

มอเตอร์เซอร์โวทำงานอย่างไร?

หลักการการทำงานพื้นฐานของมอเตอร์เซอร์โวเกี่ยวข้องกับตัวควบคุมที่รับสองประเภทของสัญญาณป้อนเข้า:

สัญญาณค่าที่ต้องการ: คือสัญญาณอะนาล็อกหรือดิจิทัลที่แสดงถึงตำแหน่ง ความเร็ว หรือแรงบิดที่ต้องการของแกนเอาต์พุต

สัญญาณป้อนกลับ: คือสัญญาณอะนาล็อกหรือดิจิทัลที่แสดงถึงตำแหน่ง ความเร็ว หรือแรงบิดจริงของแกนเอาต์พุตที่วัดโดยเซ็นเซอร์

ตัวควบคุมเปรียบเทียบสัญญาณทั้งสองนี้และคำนวณสัญญาณความผิดพลาดที่แสดงถึงความแตกต่างระหว่างสัญญาณทั้งสอง

สัญญาณความผิดพลาดถูกประมวลผลโดยอัลกอริทึมควบคุม (เช่น PID) ที่สร้างสัญญาณควบคุมที่กำหนดว่าควรใช้แรงดันหรือกระแสเท่าใดกับมอเตอร์

สัญญาณควบคุมถูกส่งไปยังแอมปลิฟายเออร์กำลัง (เช่น H-bridge) ที่แปลงสัญญาณให้เป็นระดับแรงดันหรือกระแสที่เหมาะสมสำหรับการขับมอเตอร์

มอเตอร์จะหมุนหรือเคลื่อนที่ตามสัญญาณควบคุมและเปลี่ยนตำแหน่ง ความเร็ว หรือแรงบิด แล้วส่งสัญญาณป้อนกลับใหม่ไปยังตัวควบคุม

กระบวนการนี้จะทำซ้ำจนกว่าสัญญาณความผิดพลาดจะเป็นศูนย์หรือเล็กน้อย แสดงว่าแกนเอาต์พุตได้ถึงค่าที่ต้องการแล้ว

ประเภทของมอเตอร์เซอร์โว

มอเตอร์เซอร์โวสามารถแบ่งออกเป็นประเภทต่างๆ ตามแหล่งกำเนิดไฟฟ้า การก่อสร้าง กลไกป้อนกลับ และการใช้งาน

มอเตอร์เซอร์โว AC

มอเตอร์เซอร์โว AC คือมอเตอร์ไฟฟ้าที่ทำงานด้วยไฟฟ้าสลับ (AC) มีสเตเตอร์ที่สร้างสนามแม่เหล็กหมุนและโรเตอร์ที่ตามสนามแม่เหล็ก

มอเตอร์เซอร์โว AC ที่ใช้ไฟฟ้าสลับมีสเตเตอร์ที่สร้างสนามแม่เหล็กหมุนและโรเตอร์ที่สอดคล้องกับสนามแม่เหล็กนี้เพื่อการทำงานที่มีประสิทธิภาพ

มอเตอร์เซอร์โว AC สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: ซิงโครนัสและอซิงโครนัส

มอเตอร์เซอร์โว AC ซิงโครนัสมีโรเตอร์แม่เหล็กถาวรที่หมุนด้วยความเร็วเดียวกับสนามแม่เหล็กของสเตเตอร์ พวกมันมีประสิทธิภาพ แม่นยำ และตอบสนองได้ดีกว่ามอเตอร์อซิงโครนัส แต่ต้องการตัวควบคุมที่ซับซ้อนและเซ็นเซอร์ตำแหน่ง

มอเตอร์เซอร์โว AC อซิงโครนัสมีโรเตอร์ที่มีขดลวดที่เหนี่ยวนำกระแสและสนามแม่เหล็กที่ตามหลังสนามแม่เหล็กของสเตเตอร์ พวกมันมีโครงสร้างง่าย ราคาถูก และทนทานกว่ามอเตอร์ซิงโครนัส แต่มีประสิทธิภาพ ความแม่นยำ และความเร็วต่ำกว่า

มอเตอร์เซอร์โว AC เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการกำลังสูง ความเร็ว แรงบิด และความน่าเชื่อถือสูง พวกมันใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องจักรอุตสาหกรรม หุ่นยนต์ เครื่องจักร CNC ฯลฯ

มอเตอร์เซอร์โว DC

มอเตอร์เซอร์โว DC คือมอเตอร์ไฟฟ้าที่ทำงานด้วยไฟฟ้าตรง (DC) มีสเตเตอร์แม่เหล็กถาวรที่สร้างสนามแม่เหล็กคงที่และโรเตอร์ที่หมุนเมื่อมีกระแสผ่าน

มอเตอร์เซอร์โว DC สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: มีแปรงและไม่มีแปรง

มอเตอร์เซอร์โว DC มีแปรงมีคอมมิวเตเตอร์และแปรงที่เปลี่ยนทิศทางของกระแสในขดลวดโรเตอร์ พวกมันมีโครงสร้างง่าย ราคาถูก และควบคุมได้ง่าย แต่มีประสิทธิภาพ อายุการใช้งาน และความเร็วต่ำกว่าเนื่องจากการเสียดสีและการสึกหรอของแปรง

มอเตอร์เซอร์โว DC ไม่มีแปรงมีตัวควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ที่เปลี่ยนทิศทางของกระแสในขดลวดสเตเตอร์ พวกมันมีประสิทธิภาพ ทนทาน และเร็วกว่ามอเตอร์มีแปรง แต่ต้องการตัวควบคุมที่ซับซ้อนและเซ็นเซอร์ตำแหน่ง

มอเตอร์เซอร์โว DC เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการกำลังต่ำ ความแม่นยำสูง การตอบสนองอย่างรวดเร็ว และการเคลื่อนไหวที่ราบรื่น พวกมันใช้กันอย่างแพร่หลายในโครงการงานอดิเรก รถของเล่น เครื่องเล่น CD/DVD ฯลฯ

มอเตอร์เซอร์โวลิเนียร์

มอเตอร์เซอร์โวลิเนียร์คือมอเตอร์ไฟฟ้าที่สร้างการเคลื่อนที่เชิงเส้นแทนการเคลื่อนที่แบบหมุน มีส่วนที่คงที่เรียกว่า forcer หรือ primary ที่มีขดลวดหรือแม่เหล็ก และส่วนที่เคลื่อนที่เรียกว่า platen หรือ secondary ที่มีแม่เหล็กหรือแกนเหล็ก

มอเตอร์เซอร์โวลิเนียร์สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: มีแกนเหล็กและไม่มีแกนเหล็ก

มอเตอร์เซอร์โวลิเนียร์มีแกนเหล็กมีแกนเหล็กใน platen ที่สอดคล้องกับสนามแม่เหล็กของ forcer พวกมันมีความหนาแน่นของแรง สติฟฟ์ และความแม่นยำสูง แต่ก็มีแรงคอกกิ้ง น้ำหนัก และการสร้างความร้อนสูง

มอเตอร์เซอร์โวลิเนียร์ไม่มีแกนเหล็กไม่มีแกนเหล็กใน platen แต่มีแม่เหล็ก พวกมันมีแรงคอกกิ้ง น้ำหนัก และการสร้างความร้อนต่ำ แต่ก็มีความหนาแน่นของแรง สติฟฟ์ และความแม่นยำต่ำ

มอเตอร์เซอร์โวลิเนียร์เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการความเร็ว การเร่ง และความแม่นยำสูงในระยะทางยาว พวกมันใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ การวัด การตัดด้วยเลเซอร์ ฯลฯ

วิธีควบคุมมอเตอร์เซอร์โว?

การควบคุมมอเตอร์เซอร์โวขึ้นอยู่กับประเภทของมอเตอร์ กลไกป้อนกลับ และข้อกำหนดการใช้งาน

โดยทั่วไปมีสองประเภทของสัญญาณควบคุมที่สามารถใช้ในการควบคุมมอเตอร์เซอร์โว: อะนาล็อกและดิจิทัล

สัญญาณควบคุมอะนาล็อกคือสัญญาณแรงดันหรือกระแสที่ต่อเนื่องและแปรผันตามค่าที่ต้องการ พวกมันมักใช้สำหรับระบบเซอร์โวที่ง่ายหรือมีต้นทุนต่ำที่ไม่ต้องการความแม่นยำหรือความละเอียดสูง ตัวอย่างเช่น พอตติโอเมตรสามารถใช้สร้างสัญญาณควบคุมอะนาล็อกสำหรับมอเตอร์เซอร์โวของงานอดิเรก

สัญญาณควบคุมดิจิทัลคือสัญญาณพัลส์หรือบิตที่แสดงถึงค่าที่ต้องการในรูปแบบที่ถอดรหัส พวกมันมักใช้สำหรับระบบเซอร์โวที่ซับซ้อนหรือมีประสิทธิภาพสูงที่ต้องการความแม่นยำ ความละเอียด หรือการสื่อสาร ตัวอย่างเช่น สัญญาณการปรับความกว้างพัลส์ (PWM) สามารถใช้สร้างสัญญาณควบคุมดิจิทัลสำหรับมอเตอร์เซอร์โว DC ไม่มีแปรง

ตัวควบคุมของมอเตอร์เซอร์โวสามารถเป็นอุปกรณ์ภายนอกหรือวงจรรวมภายในมอเตอร์ ตัวควบคุมรับสัญญาณควบคุมจากแหล่งภายนอก (เช่น คอมพิวเตอร์หรือจอยสติก) และสัญญาณป้อนกลับจากเซ็นเซอร์ และสร้างสัญญาณควบคุมที่เหมาะสมสำหรับการขับมอเตอร์

ตัวควบคุมยังสามารถใช้อัลกอริทึมควบคุมต่างๆ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของมอเตอร์เซอร์โว บางอัลกอริทึมที่ใช้บ่อยคือ:

ควบคุมแบบ PID: คืออัลกอริทึมควบคุมบนพื้นฐานของการป้อนกลับที่ปรับสัญญาณควบคุมตามเงื่อนไขเชิงสัดส่วน อินทิกรัล และอนุพันธ์ของสัญญาณความผิดพลาด ใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบเซอร์โวที่ต้องการการตอบสนองที่รวดเร็วและแม่นยำ

ควบคุมด้วยตรรกะคลุมเครือ: คืออัลกอริทึมควบคุมบนพื้นฐานของกฎที่ปรับสัญญาณควบคุมตามเซตคลุมเครือและตัวแปรภาษา ใช้ประโยชน์ในระบบเซอร์โวที่ต้องการจัดการกับความไม่แน่นอนหรือความไม่เชิงเส้น

ควบคุมปรับตัว: คืออัลกอริทึมควบคุมที่ปรับตัวเองที่ปรับพารามิเตอร์ควบคุมตามสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงของระบบเซอร์โว ใช้ประโยชน์ในระบบเซอร์โวที่ต้องการจัดการกับการรบกวนหรือการแปรผัน

การใช้งานมอเตอร์เซอร์โว

มอเตอร์เซอร์โวมีการใช้งานหลากหลายในสาขาและอุตสาหกรรมต่างๆ บางการใช้งานทั่วไปคือ:

หุ่นยนต์: มอเตอร์เซอร์โวใช้ในการให้การเคลื่อนไหวและแรงที่แม่นยำสำหรับแขน ขา ข้อต่อ กริปเปอร์ ฯลฯ ของหุ่นยนต์ ทำให้หุ่นยนต์สามารถทำงานเช่น การหยิบ การวาง การเชื่อม การประกอบ ฯลฯ

เครื่องจักร CNC: มอเตอร์เซอร์โวใช้ในการขับเคลื่อนแกนของเครื่องจักร CNC เช่น เครื่องกลึง เครื่องมิลลิ่ง เครื่องรูทเตอร์ ฯลฯ ทำให้เครื่องจักร CNC สามารถทำงานการตัด การเจาะ การแกะสลัก ฯลฯ ได้อย่างแม่นยำและซับซ้อน

การผลิตอัตโนมัติ: มอเตอร์เซอร์โวใช้ในการควบคุมการเคลื่อนที่และตำแหน่งของส่วนต่างๆ และอุปกรณ์ในระบบการผลิตอัตโนมัติ เช่น สายพานลำเลียง ป้อนวัสดุ โหลด อันโหลด ฯลฯ ทำให้ระบบการผลิตอัตโนมัติสามารถบรรลุประสิทธิภาพและความคุณภาพสูง