Сервомотор: Визначення, принцип роботи та застосування

Сервопривод: визначення, принцип роботи та застосування

Основні висновки:

Визначення сервоприводу: Сервопривод - це електричний двигун, який забезпечує точне керування кутовим або лінійним положенням, швидкістю та моментом залучення, використовуючи систему зворотного зв'язку.

Системи керування: Сервопривод використовує сучасні системи керування, такі як PID та нечітка логіка, для налаштування руху відповідно до вхідних та сигналів зворотного зв'язку для оптимальної продуктивності.

Типи двигунів: Різні типи включають AC та DC сервоприводи, з підтипами, такими як синхронні, асинхронні, з щітками та без щіток, кожен призначений для специфічних застосувань.

Механізм зворотного зв'язку: Ефективне використання датчиків, таких як потенціометри та кодери, допомагає у точному моніторингу та налаштуванні положень, швидкостей або моментів двигунів.

Застосування: Сервоприводи важливі у високоточних галузях, таких як робототехніка, верстати з числовим програмним управлінням (CNC) та автоматизоване виробництво, завдяки здатності обробляти складні рухи та задачі.

Сервопривод - це електричний двигун, який дозволяє точно керувати кутовим або лінійним положенням, швидкістю та моментом. Він складається з відповідного двигуна, з'єднаного з датчиком для зворотного зв'язку по положенню, та контролером, який регулює рух двигуна відповідно до бажаної установки.

Сервоприводи є необхідними у галузях, таких як робототехніка, верстати CNC та автоматизоване виробництво, завдяки своїй точності, швидкій реакції та плавному русі.

У цій статті ми пояснимо основну теорію сервоприводів, як вони працюють, як вони керуються та які є їх типові застосування.

Що таке сервопривод?

Вступ до сервоприводу: Сервопривод - це електричний двигун, який налаштовує своє положення, швидкість або момент відповідно до вхідних даних контролера.

Термін "серво" походить від латинського слова servus, що означає слуга або раб. Це відображає історичне використання сервоприводів як допоміжних приводів, що допомагають основній системі приводу.

Однак, сучасні сервоприводи здатні забезпечувати високу продуктивність та точність як основні приводи у різних застосуваннях.

Сервопривод складається з трьох основних компонентів:

Двигун: Це може бути DC двигун або AC двигун, залежно від джерела живлення та вимог застосування. Двигун забезпечує механічну енергію для обертання або переміщення вихідного валу.

Датчик: Це може бути потенціометр, кодер, резольвер або інший пристрій, який вимірює положення, швидкість або момент вихідного валу та надсилає сигнали зворотного зв'язку контролеру.

Контролер: Це може бути аналогова або цифрова схема, яка порівнює сигнали зворотного зв'язку від датчика з бажаними сигналами установки від зовнішнього джерела (такого як комп'ютер або джойстик) та генерує сигнали керування для налаштування напруги або струму двигуна відповідно.

Контролер використовує замкнуту систему зворотного зв'язку, налаштовуючи рух двигуна, щоб він максимально точно відповідав бажаній установці, підтримуючи строгу точність.

Контролер також може реалізовувати різні алгоритми керування, такі як пропорційно-інтегрально-диференціальне (PID) керування, нечітке логічне керування, адаптивне керування тощо, для оптимізації продуктивності сервоприводу.

Як працює сервопривод?

Основний принцип роботи сервоприводу полягає у тому, що контролер отримує два типи вхідних сигналів:

Сигнал установки: Це аналоговий або цифровий сигнал, який представляє бажане положення, швидкість або момент вихідного валу.

Сигнал зворотного зв'язку: Це аналоговий або цифровий сигнал, який представляє фактичне положення, швидкість або момент вихідного валу, виміряні датчиком.

Контролер порівнює ці два сигнали та обчислює сигнал помилки, який представляє різницю між ними.

Сигнал помилки потім обробляється алгоритмом керування (таким як PID), який генерує сигнал керування, який визначає, скільки напруги або струму повинно бути застосовано до двигуна.

Сигнал керування надсилається до підсилювача потужності (такого як H-мост), який перетворює його на відповідний рівень напруги або струму для запуску двигуна.

Двигун потім обертається або переміщується відповідно до сигналу керування, змінює своє положення, швидкість або момент, та надсилає новий сигнал зворотного зв'язку контролеру.

Процес повторюється до тих пір, поки сигнал помилки не стане нульовим або незначним, що свідчить про те, що вихідний вал досяг бажаної установки.

Типи сервоприводів

Сервоприводи можуть бути класифіковані на різні типи залежно від джерела живлення, конструкції, механізму зворотного зв'язку та застосування.

AC сервоприводи

AC сервоприводи - це електричні двигуни, які працюють на черговому струмі (AC). Вони мають статор, який генерує обертове магнітне поле, та ротор, який слідує за цим полем.

AC сервоприводи, які живляться черговим струмом, мають статор, який створює обертове магнітне поле, та ротор, який синхронізується з цим полем для ефективної роботи.

AC сервоприводи можна поділити на два типи: синхронні та асинхронні.

Синхронні AC сервоприводи мають ротор з постійним магнітом, який обертається з тією ж швидкістю, що і поле статора. Вони більш ефективні, точні та швидкі відгуку, але вимагають більш складного контролера та датчика положення.

Асинхронні AC сервоприводи мають ротор з намоткою, який індукує струм та магнітне поле, яке відстає від поля статора. Вони простіші, дешевші та більш стійкі, але мають нижчу ефективність, точність та швидкість.

AC сервоприводи підходять для застосувань з високою потужністю, які вимагають високу швидкість, момент та надійність. Вони широко використовуються в промислових машинах, робототехніці, верстати CNC тощо.

DC сервоприводи

DC сервоприводи - це електричні двигуни, які працюють на постійному струмі (DC). Вони мають статор з постійним магнітом, який генерує стале магнітне поле, та ротор з намоткою, який обертається, коли застосовується струм.

DC сервоприводи можна поділити на два типи: з щітками та без щіток.

DC сервоприводи з щітками мають комутатор та щітки, які переключають напрямок струму в намотках ротора. Вони прості, дешеві та легкі в керуванні, але мають нижчу ефективність, тривалість життя та швидкість через тертя та зношення щіток.

Безщіткові DC сервоприводи мають електронний контролер, який переключає напрямок струму в намотках статора. Вони більш ефективні, довговічні та швидкі, але вимагають більш складного контролера та датчика положення.

DC сервоприводи підходять для застосувань з низькою потужністю, які вимагають високу точність, швидкість відгуку та плавний рух. Вони широко використовуються в хобі-проектах, іграшкових автомобілях, CD/DVD-програвачах тощо.

Лінійні сервоприводи

Лінійні сервоприводи - це електричні двигуни, які створюють лінійний рух замість обертового. Вони мають нерухому частину, називається форсер або первинна, яка містить катушки або магніти, та рухому частину, називається платен або вторинна, яка містить магніти або залізну сердцевину.

Лінійні сервоприводи можна поділити на два типи: з залізною сердцевиною та без залізної сердцевини.

Лінійні сервоприводи з залізною сердцевиною мають залізну сердцевину в платені, яка взаємодіє з магнітним полем форсера. Вони мають високу густину сили, жорсткість та точність, але також високу силу когінгу, вагу та випромінювання тепла.

Лінійні сервоприводи без залізної сердцевини не мають залізної сердцевини в платені, лише магніти. Вони мають низьку силу когінгу, вагу та випромінювання тепла, але також низьку густину сили, жорсткість та точність.

Лінійні сервоприводи підходять для застосувань, які вимагають високу швидкість, прискорення та точність на великі відстані. Вони широко використовуються в виробництві напівпровідників, метрології, лазерній різці тощо.

Як керувати сервоприводом?

Керування сервоприводом залежить від типу двигуна, механізму зворотного зв'язку та вимог застосування.

Зазвичай, існують два типи сигналів керування, які можна використовувати для керування сервоприводом: аналогові та цифрові.

Аналогові сигнали керування - це неперервні сигнали напруги або струму, які змінюються пропорційно бажаній установці. Вони зазвичай використовуються для простих або дешевих сервосистем, які не вимагають високої точності або роздільної здатності. Наприклад, потенціометр можна використовувати для генерації аналогового сигналу керування для хобі-сервоприводу.

Цифрові сигнали керування - це дискретні імпульси або біти, які представляють бажану установку в закодованому вигляді. Вони зазвичай використовуються для складних або високопродуктивних сервосистем, які вимагають високої точності, роздільної здатності або зв'язку. Наприклад, сигнал широтно-імпульсної модуляції (PWM) можна використовувати для генерації цифрового сигналу керування для безщіткового DC сервоприводу.

Контролер сервоприводу може бути зовнішнім пристроєм або інтегрованою схемою всередині двигуна. Контролер отримує сигнали керування від зовнішнього джерела (такого як комп'ютер або джойстик) та сигнали зворотного зв'язку від датчика, та генерує відповідні сигнали керування для запуску двигуна.

Контролер також може реалізовувати різні алгоритми керування для оптимізації продуктивності сервоприводу. Деякі з типових алгоритмів керування:

Пропорційно-інтегрально-диференціальне (PID) керування: Це алгоритм керування на основі зворотного зв'язку, який налаштовує сигнал керування на основі пропорційних, інтегральних та диференційних членів сигналу помилки. Він широко використовується для сервосистем, які вимагають швидкого та точного відгуку.

Нечітке логічне керування: Це алгоритм керування на основі правил, який налаштовує сигнал керування на основі нечітких множин та лінгвістичних змінних. Він корисний для сервосистем, які мають справу з невизначеністю або нелінійностями.

Адаптивне керування: Це самоналаштовувальний алгоритм керування, який налаштовує параметри керування відповідно до змінних умов сервосистеми. Він корисний для сервосистем, які стикаються з перешкодами або варіаціями.

Застосування сервоприводів

Сервоприводи мають широкий спектр застосувань у різних галузях та індустріях. Деякі з типових застосувань:

Робототехніка: Сервоприводи використовуються для забезпечення