Принцип работы сервопривода, что такое сервопривод
Оглавление
- 1 Что такое сервопривод?
- 2 Плюсы и минусы
- 3 Принцип действия
- 4 Основные характеристики
- 5 Виды
- 6 Для чего применяются сервоприводы?
- 7 Области использования устройства
- 8 Режимы управления
- 9 Схема и типы сервоприводов
- 10 Как управлять цифровым сервоприводом?
- 11 Синхронные серводвигатели
- 12 Асинхронные серводвигатели
- 13 Синхронные серводвигатели
- 14 Подключение
Что такое сервопривод?
Под сервоприводом следует понимать такое устройство, которое обеспечивает возможность управления рабочим органом посредством обратной связи. Само название произошло от латинского servus, что в переводе означает помощник. Изначально сервопривод использовался в качестве вспомогательного оборудования для различных станков, машин и механизмов. Однако с развитием технологий и постоянно растущей необходимостью повышать точность электронных устройств им начали отводить куда более значимую роль.
Устройство и принцип работы
Рис. 1. Устройство сервопривода
Устройство и принцип работы каждого сервопривода может кардинально отличаться от других моделей. Однако в качестве примера мы рассмотрим наиболее актуальные варианты.
Конструктивно он может состоять из:
- Привода – устройства, приводящего в движение рабочий орган. Может выполняться посредством синхронного или асинхронного двигателя, пневмоцилиндра и т.д.
- Передаточный механизм – система шестеренчатой кривошипной или другой передачи, редуктор.
- Рабочий элемент – управляет перемещением в пространстве, непосредственно вал редуктора, передаточный механизм и т.д.
- Датчик – сигнализирует о достигнутом положении и передает информацию по каналу обратной связи.
- Блок питания – может применяться в случае прямого подключения сервопривода к сети, где требуется преобразование уровня и типа напряжения.
- Блок управления – осуществляет подачу управляющих сигналов на сервомотор для передвижения или корректировки места положения. Для этого применяются микропроцессоры, микроконтроллеры и т.д. К примеру, очень популярна плата Arduino.
Принцип действия заключается в подаче управляющего импульса на асинхронный или синхронный двигатель, который начинает вращаться, пока рабочий орган не окажется в нужной позиции. Как только будет достигнуто установленное положение, на датчике обратной связи появится нужный сигнал, который, перейдя на блок управления, прекратит питание электромеханического устройства. Движение сервопривода прекратится до появления новых электрических сигналов.
Далее начнется новый цикл работы устройства, число команд и последовательность их выполнения определяется заложенной программой.
Сравнение с шаговым двигателем
Рис. 2. Сравнение с сервопривода с шаговым двигателем
Вполне вероятно вы могли слышать, что та же функция часто выполняется шаговыми двигателями, однако между этими двумя устройствами имеется существенное отличие. Шаговый привод действительно осуществляет точное позиционирование объекта за счет четкого числа подаваемых на электрическую машину импульсов, они достаточно тихоходны и не создают лишнего шума. В остальном сервоприводы обладают рядом весомых преимуществ по сравнению с шаговыми электродвигателями:
- Могут использовать для привода любой тип электрической машины – синхронный, асинхронный, электродвигатель постоянного тока и т.д.
- Точность механического привода не зависит от износа деталей, появления люфтов, термических и механических изменений конструктивных элементов.
- Диагностирование неисправностей происходит моментально за счет обратной связи.
- Скорость вращения – любой обычный электродвигатель вращается быстрее шагового привода.
- Экономичность – вращение вала у шаговой электрической машины осуществляется при максимально допустимом напряжении питания, чтобы обеспечить максимальный момент.
Но кроме перечисленных преимуществ есть ряд позиций, по которым сервопривод уступает шаговому двигателю:
- Сложность системы управления и необходимость реализации ее работы – шаговый двигатель контролируется обычным счетчиком числа импульсов.
- Необходимость контролировать как частоту вращения, так и принимать меры для принудительного затормаживания в нужной точке – это приводит к дополнительным затратам энергии, программных и механических ресурсов.
- Обязательно используется дополнительный измерительный блок, контролирующий положение рабочего органа.
- Сервопривод обладает значительно большей стоимостью, поэтому применение шагового двигателя обходится дешевле.
Назначение
Рис. 3. Область применения
Сервопривод используется в самых различных направлениях науки и техники, где электрический привод, помимо функции вращения каких-либо элементов, должен выполнить и точное позиционирование. На практике они повсеместно используются в ЧПУ станках, автоматических задвижках, электронных клапанах, заводских станках с программным управлением, робототехнике.
В бытовых системах сервомоторы устанавливаются в системах отопления для регулировки подачи теплоносителя, топлива, управления нагревательным элементом, контроля переключения между центральными и автономными системами энергетических ресурсов и т.д. В автомобилях их используют для отпирания, запирания багажника, электронных блокировок.
Плюсы и минусы
Рассматриваемые силовые агрегаты обладают целым набором особенностей, и, если сравнивать их с шаговыми, можно выделить ряд достоинств.
В числе объективных преимуществ:
- точное, зачастую даже прецизионные позиционирования;
- быстрое повышение крутящего момента и понижение числа оборотов за счет использования редуктора;
- беспроблемная коррекция – внести в программу изменения можно за считаные минуты, отрегулировав перемещение рабочего инструмента по первым полученным практическим результатам;
- отличная переносимость физических, температурных и других нагрузок в течение длительного времени безостановочной эксплуатации;
- развитие значительных ускорений, обеспечивающее замечательную совместимость с быстродействующим оборудованием, например, с универсальными станками ижевского производителя – завода «Сармат»;
- поддержание равномерного крутящего момента во всем рабочем диапазоне.
Использование сервопривода не тотальное только потому, что он также обладает некоторыми недостатками.
В списке относительных минусов:
- при наличии пластиковых шестеренок или деталей из мягкого металла редуктор становится «слабым звеном», выходящим из строя под интенсивными воздействиями;
- резистивные дорожки изнашиваются в сравнительно краткие сроки (актуально для моделей с потенциометром);
- такой силовой агрегат стоит дороже шагового;
- программа, подходящая для обеспечения высокой точности, на практике часто оказывается сложной в настройке.
Ясно, что преимущества оказывают гораздо более важное влияние, и именно они обуславливают значительную степень востребованности в самых различных сферах.
Принцип действия
Работа устройства происходит по принципу обратного взаимодействия с системными сигналами. Сервопривод в определенный момент времени получает входящие параметры регулирующего значения и поддерживает его на выходе производимого элемента.
Основные характеристики
Механизмы имеют ряд параметров, характеризующих их работу:
- Усиление на валу оказывает прямое влияние на крутящий момент. Это значение является одной из ключевых характеристик, в паспорте устройства может указываться несколько параметров для различных величин напряжения.
- Скорость поворота также имеет важное значение в работе механизма. Обычно указывается в параметре времени – необходимо, чтобы выходной вал изменил свое направление на 60 градусов.
- Указывается тип устройств – цифровой или аналоговый. Цифровые управляются при помощи кодовых команд, которые последовательно передаются через интерфейс. Аналоговые управляются через подачу разных частот, параметры которых задаются определенным образом.
- Питание может быть различным, но у большинства таких агрегатов оно находится в диапазоне 4,8-7,2 вольта.
- Угол поворота. Обычно это значение в 180 или 360 градусов.
- Сервопривод может быть переменного или постоянного вращения.
Имеет значение материал изготовления. Детали могут быть металлическими, пластиковыми, либо в комбинированном составе.
Виды
Сервоприводы могут быть произведены в самых различных комплектациях. Эти устройства разделяют по принципу движения:
Вращательное
Представлено двумя вариациями: синхронной и асинхронной. Синхронный вариант помогает задать высокоточные параметры скорости вращения, углов поворота и ускорения. По сравнению с асинхронным скорость набирают быстрее, поэтому и стоят больше;
Асинхронный привод отличается способностью поддержания с большой точностью необходимой скорости даже в условиях низких оборотов.
Линейное
Также делится на два варианта: плоские и круглые. Двигатели данного типа развивают достаточно высокое ускорение (70 метров в секунду).
Ещё их выделяют по способу действия:
- Электромеханические механизмы – формирование движений происходит за счёт электродвигателя с редуктором;
- Электрогидромеханические – у них любое движение создаётся с участием системы поршня-цилиндра. В сравнении с электромеханическим приводом они обладают отличительно высоким быстродействием.
Для чего применяются сервоприводы?
Сервоприводы очень распространены в различных сферах производства, и не только. Особенную популярность они получили в тех отраслях, где требуется очень точное позиционирование, это:
- Фасовочные и упаковочные машины;
- Разливные машины;
- Этикеровочные машины;
- Промышленная робототехника;
- Производство печатных плат;
- Станки с ЧПУ;
- Авиамодельное дело.
Также сервопривода используют для установки на различные клапаны и задвижки, требующие особенной точности и надежности.
Области использования устройства
В современном мире, когда автоматизация заняла прочные позиции во всех областях машиностроения, конструкция всех механизмов заметно унифицировалась. При этом применяются современные индивидуальные приводы.
Для того, чтобы понять, сервопривод, что это такое, следует знать сферу применения устройства.
Устройства содержат прецизионные конструкции поддержания скорости в промышленных роботах и станках с высокой точностью. Они монтируются на сверлильных оборудованиях, в различных системах транспорта и механизмах вспомогательного характера.
Самое широкое применение приборы нашли в следующих сферах:
- изготовление бумаги и упаковок;
- изготовление листов из металла;
- обрабатывание материалов;
- производство транспортного оборудования;
- изготовление стройматериалов.
Что такое серводвигатель (сервопривод)
Серводвигатель (сервопривод) – это электрический мотор с управлением через обратную отрицательную связь, которая позволяет точно управлять параметрами движения, чтобы достичь необходимой скорости или получить нужный угол поворота. В состав серводвигателя входят непосредственно сам электродвигатель, датчик обратной связи, блок питания и управления.
Положительные стороны серводвигателя (сервопривода)
·Высокая мощность при малых размерах;
·Высокий крутящий момент;
·Быстрый разгон и торможение;
·Постоянное и бесперебойное отслеживание положения;
·Низкий уровень шума, отсутствие вибраций и резонанса;
·Широкий диапазон скорости вращения;
·Высокая скорость разгона;
·Точное позиционирование;
·Стабильная работа в широком диапазоне скоростей;
·Малая масса и компактная конструкция;
·Низкий расход электроэнергии при малых нагрузках.
Отрицательные стороны серводвигателя (сервопривода)
·Требовательность к периодическому обслуживанию (например, с заменой щеток);
·Дорогостоящий ремонт;
·Сложность устройства (наличие датчика, блока питания и управления) и логики его работы.
·Высокая стоимость.
Режимы управления
Работа сервопривода может осуществляться в трех разных форматах. Рассмотрим каждый из них.
Контроль положения
Здесь нужно сохранять заданный угол поворота вала, подавая последовательность сигналов. Пусть они идут с контроллера – таким образом, можно обеспечить точное позиционирование, что особенно актуально для узлов производственных станков.
Обратите внимание, с помощью совокупности импульсов не проблема задать информацию не только о положении в пространстве, но и о векторе вращения или скорости движения. Сделать это можно одним из трех способов – направляя напряжение:
- со сдвигом фазы на 90 градусов;
- сразу на два входа (SIGN, PULSE – стандартные названия);
- с перемещением по часовой стрелке или против.
Контроль скорости
Здесь сервоуправление – это увеличение или уменьшение аналогового сигнала на дискретную величину при его подаче на соответствующие обмотки. А если он еще и разнополярный, тогда не составляет труда быстро менять направление вращения.
Данный режим напоминает эксплуатацию асинхронного силового агрегата с преобразователем частоты. Потому что в ее рамках требуется постоянно выполнять разгон и замедление, задавать минимумы и максимумы и тому подобное. Главное – реализовывать не слишком сложный алгоритм, чтобы не превращать рядовую практическую задачу в непосильный труд программирования.
Контроль момента
В данном случае назначение сервопривода – обеспечивать стабильное число оборотов, вне зависимости от того, вращается двигатель или нет. Эта цель достигается путем подачи или дискретного сигнала, или аналогового двухполярного. Метод более чем актуален для оборудования, в процессе эксплуатации требующего смены давления, прижима или других параметров.
Внимание, силовой агрегат должен быть дополнительно оснащен встроенным датчиком тока, ведь именно последний и оценивает значение текущего момента, чтобы потом электроника могла сравнить его с необходимой величиной.
Схема и типы сервоприводов
Принцип работы сервопривода основан на обратной связи с одним или несколькими системными сигналами. Выходной показатель подается на вход, где сравнивается его значение с задающим действием и выполняются необходимые действия – например, выключается двигатель. Самым простым вариантов реализации является переменный резистор, который управляется валом – при изменении параметров резистора меняются параметры питающего двигатель тока.
В реальных сервоприводов механизм управления гораздо сложнее и использует встроенные микросхемы-контроллеры. В зависимости от типа используемого механизма обратной связи выделяют аналоговые и цифровые сервоприводы. Первые используют что-то, похожее на потенциометр, вторые – контроллеры.
Вся схема управления серво находится внутри корпуса, управляющие сигналы и питание подаются, как правило, идут по трем проводам: земля, напряжение питания и управляющий сигнал.
Сервопривод непрерывного вращения 360, 180 и 270 градусов
Выделяют два основных вида серводвигателей – с непрерывным вращением и с фиксированным углом (чаще всего, 180 или 270 градусов). Отличие серво ограниченного вращения заключается в механических элементах конструкции, которые могут блокировать движение вала вне заданных параметрами углов. Достигнув угла 180, вал окажет воздействие на ограничитель, а тот отдаст команду на выключение мотора. У серводвигателей непрерывного вращения таких ограничителей нет.
Материалы шестерней сервопривода
У большинства сервоприводов связующим звеном между валом и внешними элементами является шестеренка, поэтому очень важно, из какого материала она сделана. Наиболее доступных вариантов два: металлические или пластмассовые шестерни. В более дорогих моделях можно найти элементы из карбона и даже титана.
Пластмассовые варианты, естественно, дешевле, проще в производстве и часто используются в недорогих моделях серво. Для учебных проектов, когда сервопривод делает несколько движений, это не страшно. Но в серьезных проектах использование пластмассы невозможно, в виду очень быстрого снашивания таких шестеренок под нагрузкой.
Металлические шестеренки надежнее, но это, безусловно, сказывается как на цене, так и на весе модели. Экономные производители могут сделать часть деталей пластмассовыми, а часть металлическими, это тожно нужно иметь в виду. Ну и, естественно, что в самых дешевых моделях даже наличие металлической шестеренки не является гарантией качества.
Титановые или карбоновые шестерни – самый предпочтительный вариант, если вы не ограничены бюджетом. Легкие и надежные, такие сервоприводы активно используются для создания моделей автомобилей, дронов и самолетов.
Преимущества серводвигателей
Широкое использование сервоприводов связано с тем, что они обладают стабильной работой, высокой устойчивостью к помехам, малыми габаритами и широким диапазоном контроля скорости. Важными особенностями сервоприводов являются способность увеличивать мощность и обеспечение обратной информационной связи. И этого следует, что при прямом направлении контур является передатчиком энергии, а при обратном – передатчиком информации, которая используется для улучшения точности управления.
Отличия серво и обычного двигателя
Включая или выключая обычный электрический двигатель, мы можем сформировать вращательное движение и заставить двигаться колеса или другие предметы, прикрепленные к валу. Движение это будет непрерывным, но для того, чтобы понять, на какой угол повернулся вал или сколько оборотов он сделал, потребуется устанавливать дополнительные внешние элементы: энкодеры. Сервопривод уже содержит все необходимое для получения информации о текущих параметрах вращения и мжет самостоятельно выключаться, когда вал повернется на необходимый угол.
Отличия серво и шагового мотора
Важным отличием серводвигателя от шагового двигателя является возможность работать с большими ускорениями и при переменной нагрузке. Также серводвигатели обладают более высокой мощностью. Шаговые двигатели не обладают обратной связью, поэтому может наблюдаться эффект потери шагов, в серводвигателях потери шагов исключены – все нарушения будут зафиксированы и исправлены. При всех этих явных преимуществах серводвигатели являются более дорогостоящими приборами, чем шаговые двигатели, обладают более сложной системой подключения и управления и требуют более квалифицированного обслуживания. Важно отметить, что шаговые двигатели и сервоприводами не являются прямыми конкурентами – каждое из этих устройств занимает свою определенную сферу применения.
Как управлять цифровым сервоприводом?
Приводы подключаются к программируемым контроллерам, среди которых хорошо известен Arduino. Подключение к его плате производится тремя проводами. По двум подается питающее напряжение, а по третьему – управляющий сигнал.
Инструкция сервопривода с цифровым управлением предусматривает наличие в контроллере простой программы, позволяющей считывать с потенциометра показания и переводить их в число. Затем оно преобразуется в команду передачи на поворот вала сервопривода в заданное положение. Программа записывается на диске, а затем передается на контроллер.
Применение приборов высокого качества необходимо в оборудовании, отличающемся высоким уровнем производительности.
Синхронные серводвигатели
Эти классические трехфазные синхронные двигатели, получающие возбуждение от нескольких постоянных магнитов. Дополнительно в них встроен датчик положения ротора.
Как видим, вся конструкция очень компактна и надежна. Основное достоинство таких двигателей – отсутствие инерции. Они разгоняются и останавливаются за тысячные доли секунды, отлично совмещаются с различными импульсными станками и системами, а также за счет своей линейности прекрасно управляются при помощи компьютерных программ.
Синхронные серводвигатели применяют там, где необходимо с высокой точностью поддерживать крутящий момент и позиционировать различные плоскости с максимальной точностью.
Асинхронные серводвигатели
Отличный вариант для сверхдинамичных систем. Достоинства таких типов двигателя в:
- • высокой скорости вращения;
- • практически нулевом моменте инерции;
- • малом весе и компактности;
- • принудительной вентиляции.
Вентиляция продлевает срок службы двигателя на 30-40 процентов и позволяет использовать его практически в любых замкнутых пространствах. Также стоит отметить, что для крепления датчика обратной связи нет необходимости использовать отдельные узлы.
Благодаря таким свойствам асинхронный двигатель часто применяют в станках с ЧПУ – он позволяет добиться минимизации динамического и статистического рассогласования во время работы.
Также смотрите на видео, как сделать позиционирование серводвигателя от энкодера.
Синхронные серводвигатели
Синхронные серводвигатели представляют собой трехфазные синхронные электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов и датчиком положения ротора. Высочайшая динамика в сочетании с прецизионной точностью заключенные в сверхкомпактном корпусе — вот отличительные особенности синхронного серводвигателя. Так же, основным достоинством является очень низкий момент инерции ротора относительно крутящего момента, что позволяет реализовать очень высокое быстродействие, время разгона на номинальную частоту вращения за десятки миллисекунд и реверс с полной скорости в пределах одного оборота вала двигателя.
Синхронные серводвигатели обладают высоким быстродействием, хорошо сочетаются с импульсными системами программного управления и идеальны для применения в различных отраслях промышленности, где необходимо:
- позиционирование рабочих органов с высокой точностью;
- поддержание крутящего момента с высокой точностью;
- поддержание скорости перемещения или подачи с высокой точностью.
Основными областями применения синхронного серводвигателя являются приводы подач и быстродействующие позиционные системы станков с программным управлением.
Серводвигатели Mecapion
Стандартный тип серводвигателей
-
Характеристики серводвигателей
-
Размеры серводвигателей
Серводвигатели с полым валом и специального исполнения
-
Характеристики серводвигателей
-
Размеры серводвигателей
Подключение
Рисунок 4. Подключение сервопривода к системе Arduino
Подключение сервопривода осуществляется за счёт проводников в количестве трёх штук. Два проводника используются для подачи питания на электромотор, а оставшийся необходим для передачи сигналов от блока управления, которые приводят вал в нужную позицию.
Стоит отметить, что для того чтобы снизить вероятность огромных динамических нагрузок, которым может подвергаться электромотор, необходимо осуществлять как плавный разгон мотора, так и его торможение. Для этой цели создаются и используются более высокие по сложности микроконтроллеры, которые обеспечивают высокую точность в контроле и управлении положением рабочей детали.
- https://www.asutpp.ru/chto-takoe-servoprivod.html
- https://stanokcnc.ru/articles/servoprivod-chto-eto-takoe-kak-rabotaet-servodvigatel-i-dlya-chego-nuzhen-printsip-raboty-i-ustroyst/
- https://techtrends.ru/resources/articles/servoprivod/
- https://principraboty.ru/princip-raboty-servoprivoda-chto-takoe-servoprivod/
- https://RusAutomation.ru/stati/servoprivod-chto-eto-i-kogda-ego-primenyat
- https://principraboty.ru/servodvigatel-princip-raboty/
- https://ArduinoMaster.ru/motor-dvigatel-privod/servoprivody-arduino-sg90-mg995-shema-podklyuchenie-upravlenie/
- http://euroelectrica.ru/servodvigateli-ndash-chto-eto-takoe-i-kakie-est-vidyi/
- http://www.servotechnica.spb.ru/servomotor/