Сервоприводы: что это такое, как они работают, для чего используются

Серводвигатели различаются по конструкции и принципу действия. Модели выпускаются со щетками или без них. Первая категория представлена двигателями постоянного тока. Устройства со щетками более разнообразны и включают в себя шаговые двигатели и двигатели переменного тока. Последняя группа далее делится на два типа – синхронные и асинхронные. Синхронные двигатели могут быть вращательными или линейными, в зависимости от их рабочих характеристик.

Содержание

Сервопривод: что это такое, принцип работы, типы, для чего используется

Сервопривод – механизм, имеющий в своем устройстве специальный датчик, с помощью которого контролируются определенные значения, блок управления, двигатель. Задача устройства – контролировать и поддерживать параметры во время работы, в зависимости от сигнала, передаваемого в данный момент времени.

Серводвигатели: что это такое, принцип работы, типы двигателей, для чего они используются

Библиотека Servo не совместима с библиотекой VirtualWire для работы приемника и передатчика на частоте 433 МГц.

Сервоуправление

Алгоритм

Интерфейс управления

Для приведения сервопривода в желаемое состояние по проводу управляющего сигнала должен быть послан импульс фиксированной частоты и переменной ширины.

Длительность импульса определяет положение, которое примет исполнительный механизм. Когда сигнал от микроконтроллера поступает в систему управления сервоприводом, содержащийся в ней генератор импульсов генерирует собственный импульс, длительность которого определяется датчиком обратной связи. Затем система сравнивает длительность двух импульсов:

Для управления хобби-сервоприводами используются импульсы частотой 50 Гц, т.е. период составляет 20 мс:

Обратите внимание, что заводские настройки конкретного устройства могут отличаться от стандартных. В некоторых приводах используется длительность импульса 760 мкс. Среднее положение в этом случае соответствует 760 мкс, аналогично среднему положению 1520 мкс в обычных сервоприводах.

Это лишь общепринятые значения длины. Даже в одной и той же модели сервопривода могут быть погрешности производственного допуска, которые приводят к различному диапазону рабочих длительностей импульсов. Для точной работы каждый привод должен быть откалиброван: правильный диапазон длительности импульса должен быть найден экспериментально и для каждого конкретного привода.

Метод сервоуправления часто называют PWM (широтно-импульсная модуляция) или PPM (импульсная модуляция положения). Это не так, и использование этих методов может даже повредить диск. Правильный термин – PDM (Pulse Duration Modulation), где важна длительность импульса, а не частота.

Принцип работы сервопривода идентичен принципу работы автоматического регулятора с отрицательной обратной связью. Устанавливается опорный сигнал, называемый нулем, с которым сравнивается сигнал от датчика положения. Если они равны, привод останавливается, если отклонения отрицательные или положительные, на двигатель подается напряжение, пока рабочий инструмент или привод не достигнет требуемого положения.

Принцип работы

Принцип работы заключается в следующем. Контроллер программируется на определенный режим работы и посылает сигнал на частотный преобразователь. Устройство подает на электродвигатель напряжение необходимой частоты и величины. Приводное устройство перемещает исполнительный механизм с заданной скоростью и моментом, соответствующим нагрузке. При достижении заданного положения исполнительного механизма соответствующий сигнал от датчиков положения поступает в контроллер, который останавливает двигатель.

Принцип работы сервопривода идентичен принципу работы автоматического регулятора с отрицательной обратной связью. Устанавливается опорный сигнал, называемый нулем, с которым сравнивается сигнал от датчика положения. Если они равны, привод останавливается, если отклонения отрицательные или положительные, на двигатель подается напряжение, пока рабочий инструмент или привод не достигнет требуемого положения.

В целом, сервопривод состоит из следующих функциональных узлов:

Принцип работы сервопривода

Принцип работы основан на использовании импульсного сигнала, который имеет три ключевых атрибута – частоту, минимальную и максимальную длительность, а последний, длина, определяет угол поворота. Этот показатель может составлять от 0,8 до 2,2 мс. Попадая на печатную плату, он активирует энкодер (потенциометр) и, через механическую передачу, выходной вал.

Электронная система сравнивает фактическое положение вала с запрограммированным положением. Возможны три состояния. Первый – нулевой момент, или полное совпадение, что означает, что приводное устройство не работает (остановлено). Во втором случае управляющий сигнал выше опорного, что вызывает вращение в одном направлении; в третьем – ниже, что заставляет вращающуюся часть двигаться в другом направлении.

Принцип работы серводвигателя можно кратко описать следующим образом:

  • серводвигатель получает импульс на свой вход, скажем, команду на изменение угла;
  • блок управления соотносит полученный сигнал с фактическими значениями, считанными датчиком;
  • На основании результатов анализа эта плата выдает команду – движение по определенному вектору, ускорение или замедление – целью которой является приведение фактической фигуры к заданной и требуемой.

Сравнение производится на основе значений разницы и учитывает параметр продолжительности, таким образом, определяя разницу в производительности с максимальной точностью. Таким образом, можно обеспечить требуемое позиционирование инструмента.

Сервопривод отличается от обычного электродвигателя тем, что точное положение вала может быть задано в градусах. Сервоприводы – это все механические исполнительные механизмы, которые содержат датчик какого-либо параметра и блок управления, способный автоматически поддерживать необходимые параметры, соответствующие определенным внешним значениям.

Если необходимо создать управление для нескольких групп сервоприводов, используются контроллеры ЧПУ, которые устанавливаются на системы программируемый Контроллеры используются, когда необходимо создать систему управления для нескольких групп сервоприводов. Эти сервоприводы способны обеспечивать крутящий момент до 50 Н*м и мощность до 15 кВт.

Синхронный способны с высокой точностью задавать скорость вращения двигателя, а также ускорение и угол поворота. Синхронные двигатели могут быстро достичь номинальной скорости.

Асинхронный способны точно поддерживать скорость даже на очень низких скоростях.

Сервоприводы обычно подразделяются на электромеханический и электрогидромеханический . Электромеханические приводы состоят из редуктора и электродвигателя. Но их время отклика намного медленнее. В электрогидромеханических приводах движение производится за счет перемещения поршня в цилиндре, что приводит к очень быстрому времени отклика.

Дизайн и функция

Отличие сервопривода от обычного электродвигателя заключается в возможности точной регулировки положения вала в градусах. Сервопривод – это любой механический привод, который содержит датчик определенного параметра и блок управления, способный автоматически поддерживать необходимые параметры, соответствующие определенным внешним значениям.

Сервисное обслуживание строительства

1 – Шестерни
2 – Выходной вал
3 – Подшипник
4 – Нижняя муфта
5 – Потенциометр
6 – Пластина управления
7 – Болт корпуса
8 – электродвигатель постоянного тока
9 – Редуктор электродвигателя

Электродвигатель необходим для преобразования электрической энергии в механическое движение. Он приводится в движение с помощью редуктора с электродвигателем. Редуктор необходим для снижения скорости двигателя, поскольку она слишком высока для данного применения. Редуктор состоит из корпуса, в котором находятся валы с шестернями, способными преобразовывать и передавать крутящий момент.

Сервоприводы 1

Запуская и останавливая электродвигатель, можно приводить в движение выходной вал редуктора, который соединен с редуктором сервопривода. Вал может быть соединен с устройством или механизмом, которым необходимо управлять. Кроме того, для контроля положения вала необходим энкодер обратной связи. Этот энкодер может преобразовывать угол поворота обратно в сигнал электрического тока.

Такой кодер называется шифратором. В качестве энкодера можно использовать потенциометр. При вращении ползунка потенциометра изменяется его сопротивление. Величина этого сопротивления прямо пропорциональна углу поворота потенциометра. Это позволяет задать определенное положение механизма.

Помимо потенциометра, редуктора и двигателя, приводы оснащены электронной платой, которая обрабатывает сигнал, поступающий от потенциометра, с внешним значением параметра, сравнивает их и в соответствии с результатом сравнения запускает или останавливает двигатель. Другими словами, эта электронная схема отвечает за поддержку отрицательной обратной связи.

Привод соединен тремя проводами, два из которых подают напряжение на двигатель, а третий провод передает управляющий сигнал, который используется для установки положения вала двигателя.

Помимо электродвигателя, привод может приводиться в действие другим механизмом, например, пневматическим приводом с тягой. В качестве датчика обратной связи также используются угловые энкодеры или датчик Холла. Блок управления представляет собой сервоусилитель, преобразователь частоты, индивидуальный инвертор. Он также может содержать кодер управляющего сигнала.

Если двигатель требует плавного торможения или ускорения, чтобы избежать чрезмерных динамических нагрузок, используются более сложные микроконтроллерные системы управления, которые могут контролировать положение заготовки гораздо точнее. Аналогичным образом устроены приводы для установки положения головки в жестких дисках компьютеров.

Характеристики сервоприводов

Основными параметрами, характеризующими сервоприводы, являются
  • Сила, действующая на вал. Этот параметр – крутящий момент. Это самый важный параметр сервопривода. В спецификации обычно приводится несколько значений крутящего момента для различных значений напряжения.
  • Скорость поворота также является важной характеристикой. Она выражается в эквиваленте времени, необходимого для изменения положения выходного вала электропривода на 60 градусов. Этот параметр также может быть задан для нескольких значений напряжения.
  • Приводы могут быть аналогового или цифрового типа.
  • Электропитание. Большинство приводов работают при напряжении 4,8-7,2 В. Питание обычно обеспечивается тремя проводами: белый – управляющий сигнал, красный – рабочее напряжение, черный – общий провод.
  • Угол поворота – это наибольший угол, на который может повернуться выходной вал. Чаще всего этот параметр равен 180 или 360 градусам.
  • Постоянная ротация. При необходимости стандартный сервопривод может быть модернизирован до функции фиксированного вращения.
  • Материал, из которого изготавливаются серворедукторы, бывает разных видов: углерод, металл, пластик или их комбинация. Шестерни из пластика не выдерживают ударных нагрузок, но очень устойчивы к износу. Карбоновые шестерни намного прочнее пластиковых, но стоят дорого. Металлические шестерни могут выдерживать значительные нагрузки, падения, но имеют низкую износостойкость. Выходной вал коробки передач крепится в разных моделях по-разному: на втулках скольжения или на шарикоподшипниках.

Сервоприводы 2

Преимущества
  • Легкая и простая сборка конструкции.
  • Надежные и прочные – необходимы для сложных условий эксплуатации.
  • Они не создают шума во время работы.
  • Точные и плавные движения достигаются даже на низких скоростях. Разрешение может быть настроено пользователем в зависимости от поставленной задачи.
Недостатки
  • Сложно регулировать.
  • Увеличение расходов.
Приложение

В настоящее время сервоприводы используются в довольно широком спектре приложений. Например, они используются в различных точных приборах, промышленных роботах, станках для производства печатных плат, станках с программным управлением, различных клапанах и задвижках.

Наиболее популярными являются высокоскоростные приводы в модельных самолетах. Преимуществом сервомоторов является эффективность в плане потребления электроэнергии и плавность работы.

На заре появления сервомоторов использовались трехполюсные коллекторные двигатели с обмотками на роторе и постоянными магнитами на статоре. Кроме того, двигатель был разработан с коллектором и щетками. Дальнейший технический прогресс позволил увеличить число обмоток в двигателе до пяти, и крутящий момент увеличился, как и скорость разгона.

Следующим шагом в развитии сервомоторов стало размещение обмоток вне магнитов. Это позволило уменьшить массу ротора и сократить время разгона. В то же время стоимость двигателя увеличилась. В результате дальнейшей конструкторской работы над серводвигателем было решено отказаться от коллектора в системе двигателя. На роторе использовались двигатели с постоянными магнитами. Двигатель стал бесщеточным, и его характеристики были улучшены за счет увеличения крутящего момента, скорости и ускорения.

В последнее время наибольшую популярность приобрели серводвигатели, работающие от программируемого логического контроллера (Arduino). Это открыло огромные возможности в области точного машиностроения, робототехники и аэронавтики (квадрокоптеры).

Поскольку приводы с бескоммутаторными двигателями обеспечивают высокую производительность, точность управления и повышенную эффективность, они часто используются в промышленных машинах, бытовой технике (мощные пылесосы с фильтрами) и даже детских игрушках.

Нагревательный сервопривод

По сравнению с механическим управлением системой отопления, электрические сервоприводы являются наиболее передовыми и технически сложными устройствами для поддержания параметров обогрева помещений.

Сервоприводы в схеме теплого пола

1 – Источник питания
2 – Комнатные термостаты
3 – Коммутационный блок
4 – Серводвигатели
5 – Распределитель поставок
6 – Байпас
7 – Водяной теплый пол
8 – Возвратный заголовок
9 – Датчик температуры воды
10 – Циркуляционный насос
11 – Шаровой кран
12 – Регулирующий клапан
13 – Двухходовой термостатический клапан

Привод системы отопления работает в сочетании с настенным термостатом. Клапан с электроприводом устанавливается на подающей линии, перед коллектором напольного отопления. Затем подключается питание 220 В и термостат настраивается на работу.

Система управления оснащена двумя датчиками. Один из них расположен в полу, а другой – в комнате. Датчики посылают сигналы на термостат, который управляет исполнительным механизмом, подключенным к крану. Повысить точность контроля можно, установив дополнительное устройство вне помещения, так как климатические условия постоянно меняются и влияют на температуру в помещении.

Привод механически соединен с клапаном для управления им. Клапаны могут быть двухходовыми или трехходовыми. Двухходовой клапан может изменять температуру воды в системе. Трехходовой клапан способен поддерживать температуру неизменной, но изменяет расход горячей воды, подаваемой в контуры. Блок трехходового клапана имеет два входа горячей воды (подающие трубы) и выход обратной воды, через который подается смешанная вода с заданной температурой.

Сервоприводы 3

Вода смешивается с помощью клапана. Это регулирует подачу теплоносителя к коллекторам. Когда один вход открыт, другой начинает закрываться, а скорость потока на выходе не меняется.

Приводы разблокировки ботинок

В настоящее время современные автомобили часто выпускаются с функцией автоматического открывания крышки багажника. Для этого используется конструкция сервопривода, которую мы изучали. Автопроизводители используют два метода оснащения автомобилей этой функцией.

Пневматическая крышка багажника, очевидно, более надежна, но она дорогая, поэтому не используется в автомобилях.

Крышка багажника с электроприводом работает по-разному:
  • Ручка на крышке багажника.
  • Кнопка на панели двери водителя.
  • С пульта дистанционного управления сигнализацией.

Открывать багажник вручную не всегда удобно. Замок имеет тенденцию замерзать, например, зимой. Привод дополнительно защищает автомобиль от несанкционированного доступа, поскольку он встроен в механизм замка.

Такие цилиндры багажника используются на некоторых импортных автомобилях, но при желании такой механизм можно установить и на отечественные автомобили.

Существуют приводы ботинок с магнитными пластинами, но они не нашли применения, так как их конструкция довольно сложна.

Сервопривод багажник

Наиболее доступными по цене являются сервоприводы багажника, которые открывают только багажник. Они не имеют функции закрытия. Вы также можете выбрать модель привода с инерционным механизмом. Это действует как блокировка в случае возникновения препятствий для движения багажника.

Сервопривод багажник 2

Более дорогие модели сервоприводов включают механизм для подъема и опускания багажника, механизм закрывания, датчики и контроллер. Обычно они устанавливаются на заводе, но простые конструкции могут быть установлены заказчиком.

Синхронный сервопривод – позволяет точно установить угол поворота (с точностью до угловых минут), скорость вращения, ускорение. Он ускоряется быстрее, чем асинхронный, но в несколько раз дороже.

Приложения

Сервоприводы используются для точного (на основе датчиков) позиционирования (в основном) приводных элементов в системах автоматизации:

  • элементы управления механической системой (заслонки, клапаны, углы поворота)
  • Рабочие элементы и заготовки в станках и инструментах

Сервоприводы роторный Сервоприводы с вращательным движением используются в

    ,
  • Приводы станков с ЧПУ,
  • печатные машины, ,
  • инструменты,
  • моделирование самолетов.

Сервоприводы линейный используются, например, в в автоматических машинах для сборки электронных компонентов на печатных платах.

Серводвигатель

Сервоприводы с двигателем, предназначенным для привода управляющих устройств путем вращения выходного вала, используются в таких приложениях, как открытие и закрытие клапанов, выключателей и т.д.

Важными характеристиками серводвигателя являются динамика двигателя, равномерность движения и энергоэффективность.

Серводвигатели широко используются в промышленности, включая металлургию, станки с ЧПУ, прессы и штамповочные машины, автомобильную промышленность, железнодорожный тяговый подвижной состав.

В серводвигателях в основном используются 3-полюсные коллекторные двигатели, в которых тяжелый ротор с обмотками вращается внутри магнитов.

Первым усовершенствованием было увеличение числа витков до 5. Это позволило увеличить крутящий момент и скорость разгона. Второе усовершенствование – это новая конструкция двигателя. Стальной сердечник с обмотками очень трудно быстро повернуть. Поэтому обмотки располагаются вне магнитов, а стальной сердечник не вращается. Это уменьшает вес двигателя, сокращает время разгона и увеличивает стоимость.

Наконец, третий шаг – использование безмоторных двигателей. Безмоторные двигатели имеют более высокий КПД, поскольку в них нет щеток и деталей трения. Они более эффективны, обеспечивают большую мощность, скорость, ускорение и крутящий момент.

Читайте далее:
Сохранить статью?