Меню

Сервопривод из мотора постоянного тока

Сервопривод: что это такое, как работает серводвигатель и для чего нужен — принцип работы и устройство

  1. Сервопривод – что это такое
  2. Устройство серводвигателя
  3. Как работает сервопривод
  4. Виды сервоприводов
  5. Применение сервоприводов
  6. Особенности устройства сервопривода переменного тока
  7. Плюсы и минусы
  8. Режимы управления
  9. Процесс рекуперации

Обратимся к механизму, устанавливаемому в целый ряд станков и активно задействованному в автоматизации производственных процессов. Рассмотрим что значит сервопривод: устройство и принцип работы, схемы и сферы применения – все это и другие важные моменты в фокусе нашего внимания. Ознакомившись с информацией, вы будете знать, что из себя представляет данный силовой агрегат, чем он отличается от других типов, почему и когда его следует использовать.

Сразу уточним: его востребованность не ограничивается промышленным сектором, он нужен не только оборудованию. Функционирует и в приборах отопления, и в системах кондиционирования, в машинах и даже в любительских радиоустановках. Актуален везде, где необходимо задавать движение и регулировать ускорение или замедление.

Сервопривод – что это такое

Под этим понятием обычно подразумевают оснащенный электромотором механизм, который можно разместить под нужным углом и зафиксировать в одном положении. Но данное определение недостаточно емкое, поэтому его можно и нужно дополнить.

Это также силовой агрегат, управление которым реализовано через отрицательную обратную связь. Именно последняя дает возможность чутко контролировать заданные параметры перемещения. И у него просто должен быть датчик – позиции, нагрузки, скорости – и блок контроля, который поддерживает необходимые условия в автоматическом режиме.

В числе самых распространенных сегодня находятся модели, сохраняющие установленный угол и/или интенсивность выполнения технологической операции.

Устройство серводвигателя

В общем случае у него следующие функциональные узлы:

  1. Сам привод – мотор, превращающий электрическую энергию в механическую (силу поворота); для снижения скорости до необходимой снабжен редуктором, передающим крутящий момент.
  2. Энкодер – датчик обратной связи, преобразующий угол поворота в управляющий сигнал, контролирующий вращение выходного вала (на последнем закреплен инструмент или какой-то другой орган выполнения действия). Для решения данной задачи также хорошо подходит потенциометр, изменяющий свое сопротивление при перемещении бегунка, причем именно пропорционально, и за счет этого обеспечивающий точное позиционирование.
  3. Электронная начинка, принимающая входящие параметры, считывающая и сравнивающая значения, выполняющая операции включения/выключения – это тоже то, из чего состоит сервопривод; все ЭРЕ располагаются на печатной плате, которая и помогает поддерживать обратную связь и, по сути, является важнейшей частью двигателя.
  4. Проводка – подключение питания (два кабеля) и доставка сигнала контроля (еще один), обеспечивающий выставление правильного положения вала, а значит и используемого инструмента.

Данная конфигурация достаточно проста, чтобы обеспечивать бесперебойное поддержание режимов и оставаться надежной. Такого узла, который стал бы «слабым звеном», попросту нет, поэтому проблемы с эксплуатацией возникают сравнительно редко. Продолжительности ресурса также способствует специфика функционирования, к особенностям которой мы переходим.

сервопривод это

Как работает сервопривод

Принцип его действия завязан на использовании импульсного сигнала, обладающего тремя ключевыми свойствами, – частотой, наименьшей и наивысшей продолжительностью, и как раз последняя, то есть длина, и задает угол поворота. Может находиться в диапазоне 0,8-2,2 мс. Как только поступает на печатную плату, активирует энкодер (потенциометр) и, через механическую передачу, выходной вал.

Электронная схема сравнивает реальное положение вала с запрограммированным. При этом возможно 3 состояния. И первое из них – нулевой момент, то есть полного совпадения, что значит – силовой агрегат не работает (остановлен). При втором управляющий сигнал выше опорного, это провоцирует поворот в одну сторону, при третьем – ниже, что оборачивается движением вращающейся части в другом направлении.

Таким образом, принцип работы сервомотора сводится к следующему:

  • привод получает импульс на вход, допустим, команду изменения угла;
  • блок управления соотносит полученный сигнал с фактическими значениями, снятыми датчиком;
  • исходя из результатов анализа, данная плата выдает команду – перемещения по какому-то вектору, ускорения или замедления, – причем обязательно направленную на то, чтобы привести реальную цифру к заданной и необходимой.

Сравнение осуществляется на основании разностных величин и учитывает параметр длительности, а поэтому определяет разбежку показателей с максимальной точностью. Эта особенность дает возможность обеспечить необходимое позиционирование инструмента.

Виды сервоприводов

Их классифицируют главным образом по типу используемого двигателя, выделяя:

  • синхронные – отличаются быстрым набором оборотов, а также прецизионным вращением;
  • асинхронные – их ключевая черта в высокой стабильности поведения вала;
  • универсальные – оснащены коллекторным силовым агрегатом, либо переменного, либо постоянного тока.

Первые особенно востребованы в автомобилестроении и активно устанавливаются в АКПП – для беспроблемного переключения передач. Также они актуальны для спецтехники, транспортирующей грузы весом свыше 100 кг. Вторые и третьи больше ориентированы на различное промышленное оборудование.

Если всесторонне рассматривать серводвигатель – что это такое, принцип работы, разновидности, – то нужно уделить внимание и его основным рабочим параметрам. В списке ключевых характеристик всех его моделей:

  • крутящий момент (создаваемое усилие) – обязательно прописывается в паспорте, причем сразу в двух величинах, для разного питающего напряжения;
  • вариант подаваемого импульса, ведь можно управлять с помощью как цифрового, так и аналогового сигнала;
  • быстродействие – определяет время, за которое вал перемещается (по часовой стрелке или против нее) на 60 градусов;
  • поддерживаемый угол поворота – обычно это либо 180 0 (полуцикл), либо 360 0 (полный); хотя сегодня есть модифицированные модели, у которых вращение осуществляется непрерывно;
  • материал исполнения редукторных шестеренок – это может быть пластик, карбон, латунь или композит;
  • напряжение – варьируется в диапазоне от 4,8 до 7,2 В (у основной группы силовых агрегатов);
  • цвета проводов и распиновка – обычно все стандартно: черный – общий, красный – питания, белый (желтый или коричневый) – контроля.

Еще немного нюансов: устройство сервомотора может предполагать наличие двигателя с сердечником. Это не лучший вариант, так как при его функционировании появляются вибрации, которые снижают точность вращения вала. Поэтому практичнее выбирать модели, у которых кинетическая энергия ротора на практике будет минимальной, даже несмотря на то, что они стоят несколько дороже. Это особенно актуально в случаях с эксплуатацией ЧПУ-станков, выполняющих сложные детали.

И несколько слов о редукторе: он может быть шестеренчатым или червячным. Первый сегодня более востребован, так как доступнее по цене и достаточно эффективно снижает частоту вращения, обеспечивая нужный крутящий момент. Второй, несмотря на лучшее передаточное число, выпускается и встречается реже, так как его производство оборачивается более серьезными затратами.

что такое сервопривод

Еще один важный фактор различия видов – габаритные размеры, а именно соотношение ДхШхВ и вес. В соответствии с ними выделяют три группы силовых агрегатов:

  • малые – 22 на 15 на 25 мм и до 25 г;
  • стандартные (средние) – 40 на 20 на 37 мм и до 80 г;
  • большие – 49 на 25 на 40 мм и до 90 г.

Следующее различие – по интерфейсу:

  • аналоговые – импульсы обрабатывает микросхема;
  • цифровые – сигналы считывает процессор.

Решая, для чего нужен сервопривод, помните, что нюансы – в начинке, а внешнее исполнение может быть абсолютно одинаковым.

Также разнообразие моделей можно разделить по материалу шестеренок – на такие группы:

  • с пластиковыми (нейлоновыми) – легкими, стойкими к износу, но не к большим нагрузкам;
  • с карбоновыми – более прочными, при этом не обладающими значительным весом, но и стоящими в несколько раз дороже предыдущих;
  • с металлическими (латунными, титановыми) – тяжелыми, выдерживающими даже самый серьезный крутящий момент, но стирающимися друг о друга.

И, наконец, существуют варианты с сердечником (коллекторные) и без него. У первых есть полый ротор в несколько секций, между которыми появляется вибрация в процессе вращения. Поэтому они менее точны, чем те, чья подвижная часть полая, а также тяжелее и обеспечивают более долгий отклик, правда, и стоят дешевле.

сервопривод принцип работы

Применение сервоприводов

Сегодня они широко используются в самых разных областях:

  • в робототехнике и при создании манипуляторов; чтобы управлять ими, в свою очередь, берут аппаратно-программные средства ардуино;
  • для реализации системы теплого пола – они помогают автоматически регулировать температуру, понижая или повышая ее по мере необходимости;
  • в автомобилестроении – для интеграции с замками, подачи жидкости на печку, переключения скоростей в АКПП;
  • в грузовом оборудовании – задают режимы захвата, подъема, транспортировки, опускания и отпускания предметов самого разного веса и габаритов.

Это далеко не все возможные сферы и ниши – данные силовые агрегаты, по сути, актуальны везде, где только требуется точно контролировать движение вала.

сервопривод что это такое

Особенности устройства сервопривода переменного тока

Это подвид синхронной модели, у которого ротор вращается с той же частотой, какая присуща магнитному полю, созданному обмотками статора. На последний направляется трехфазное напряжение, запускающее весь процесс функционирования.

На подвижной части закреплен энкодер, разрешающая способность которого сравнительно высокая. От него поступает один сигнал на первый вход, а от электронной платы – другой, на второй. Данная пара сравнивается, и разница между ними является показателем рассогласования, отталкиваясь от которого необходимо задать команду подачи соответствующего вольтажа для скорейшего наступления нулевого момента.

Читая о том, как работает модель, в технической литературе часто можно встретить термин «сервоусилитель»: что это такое? Это плата – блок управления, а мы уже выяснили, что она из себя представляет и для чего необходима, так что не пугайтесь нового определения.

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.
Читайте также:  Сопротивление вольтметра равно 6000 ом какова сила тока через вольтметр

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.

сервомотор это

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.

серводвигатель это

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.

сервомотор что это такое

Процесс рекуперации

Зачастую запускается при переключении режимов работы сервомотора: что это такое? Это возвратная энергия, которая выделяется при смене знака (направления движения) относительно вращающего момента. Обычно она не слишком большая, но все равно собирается на конденсаторах, увеличивая, таким образом, напряжение на звене постоянного тока.

В тех же случаях, когда данное неравенство абсолютных значений достигнет серьезной отметки, пороговый уровень емкости шины будет пробит. И тогда все излишки будут сброшены в тормозной резистор.

Мы постарались рассмотреть все особенности данных механизмов и подчеркнуть удобство и перспективность их использования. Предлагаем также взглянуть на схемы сервоприводов, фото и видеоролики на эту тему – чтобы вы могли дополнить свое представление.

Источник

Принципы работы и виды сервоприводов

Отличительной особенностью сервопривода является возможность управления через отрицательную обратную связь с использованием заданных параметров. Все оборудование данного типа можно разделить на две группы – сервоприводы постоянного тока и трехфазные сервоприводы переменного тока.

Устройство сервоприводов постоянного тока

Как правило, сервоприводы постоянного тока используются в маломощных устройствах позиционирования. Классическая область их применения – робототехника.

Конструкция современных сервоприводов довольно проста, но при этом весьма эффективна, так как позволяет обеспечить максимально точное управление движением. Сервопривод состоит из:

  • двигателя постоянного тока
  • шестерни редуктора
  • выходного вала
  • потенциометра
  • платы управления, на которую подается управляющий сигнал

Двигатель и редуктор образуют привод. Редуктор используется для снижения скорости вращения двигателя, которую необходимо адаптировать для практического применения. К выходному валу редуктора крепится необходимая нагрузка. Это может быть качалка, вращающийся вал, тянущие или толкающие механизмы.

Для того, чтобы угол поворота превратить в электрический сигнал, необходим датчик. Его функции в сервоприводе постоянного тока с успехом выполняет потенциометр. Он выдает аналоговый сигнал (как правило, от 0 до 10 В) с дискретностью, ограниченной АЦП (аналогово-цифровым преобразователем), на который поступает этот сигнал.

Самой важной деталью сервопривода, пожалуй, является электронная плата сервоусилителя, которая принимает и анализирует управляющие импульсы, соотносит их с данными потенциометра, отвечает за запуск и выключение двигателя.

Принцип работы

Принцип действия устройств основан на использовании импульсного сигнала, который имеет три важные характеристики – частоту повторения, минимальную и максимальную продолжительность. Именно продолжительность импульса определяет угол поворота двигателя.

Импульсные сигналы, получаемые сервоприводом, имеют стандартную частоту, а вот их продолжительность в зависимости от модели может составлять от 0,8 до 2,2 мс. Параллельно с поступлением управляющего импульса активируется работа генератора опорного импульса, который связан с потенциометром. Тот, в свою очередь, механически сопряжен с выходным валом и отвечает за корректирование его положения.

Электронная схема анализирует импульсы с учетом длительности и на основе разностной величины определяет разницу между ожидаемым (заданным) положением вала и реальным (измеренным при помощи потенциометра). Затем производится корректировка путем подачи напряжения на питание двигателя.

Основные положения устройства

Если продолжительность опорного и управляющего импульсов совпадает, наступает так называемый нулевой момент. В это время двигатель сервопривода не работает, вал привода находится в исходном (неподвижном) положении.

При увеличении длительности управляющего импульса плата фиксирует разбежку показателей, двигатель получает напряжение и приходит в движение. В свою очередь, редуктор начинает воздействовать на выходной вал, который поворачивается таким образом, чтобы достигнуть увеличения продолжительности опорного импульса. Как только он сравняется с управляющим импульсом, двигатель прекратит свою работу.

При уменьшении длительности управляющего импульса происходит все то же самое, только с точностью до наоборот, так как двигатель начинает вращаться в обратную сторону. Как только импульсы сравнялись, двигатель останавливается.

Сервопривод переменного тока

В сервоприводах переменного тока используется синхронный двигатель с мощными постоянными магнитами. В таких двигателях частота вращения ротора совпадает с частотой вращения магнитного поля, наводимого в обмотке статора.

Принцип работы сервопривода на основе трехфазного синхронного электродвигателя состоит в следующем. На обмотки статора поступает трехфазное напряжение, которое создает внутри него вращающееся магнитное поле. Это поле взаимодействует с постоянными магнитами, расположенными в роторе. В результате ротор вращается с частотой магнитного поля.

На валу ротора закреплен энкодер с высокой разрешающей способностью. Сигнал от него поступает по отдельному кабелю на специальный вход сервоусилителя. В то же время на управляющий вход сервоусилителя подается сигнал управления. В результате сравнения этих двух сигналов выделяется сигнал рассогласования, величина которого прямо пропорциональна разнице между целевыми и актуальными показателями вращения двигателя. На основании данного сигнала формируется трехфазное напряжение с такими параметрами, которые обеспечивают максимально быстрое уменьшение рассогласования до нуля.

Режимы управления

Существуют три основных режима работы сервопривода переменного тока.

Режим управления положением. Главное в этом режиме – контроль за углом поворота вала ротора. Управление производится последовательностью импульсов, которые могут приходить, например, с контроллера. Этот режим используется для точного позиционирования различных узлов технологического оборудования.

Комбинация импульсов для управления положением может передавать информацию не только по положению, но также по скорости и направлению вращения двигателя. Для этого могут использоваться три типа сигналов: 1) квадратурные импульсы (со сдвигом фаз на 90 градусов), 2) импульсы вращения по или против часовой стрелки, действующие поочередно и 3) импульсы скорости и потенциал направления, подающиеся на два входа.

Как правило, во всех сервоусилителях входы управления именуются как PULSE, SIGN.

Режим управления скоростью. В данном случае управление производится аналоговым сигналом. Значения скорости также могут переключаться на фиксированные величины подачей сигналов на соответствующие дискретные входы. В случае использования разнополярного аналогового управляющего сигнала возможна смена направления вращения серводвигателя.

Режим управления скоростью схож с работой асинхронного двигателя, управляемого преобразователем частоты. Задаются такие параметры, как время разгона и замедления, максимальная и минимальная скорости и другие.

Режим управления моментом.

В этом режиме двигатель может вращаться либо стоять на месте, но при этом момент на валу будет заданным. Управление может производиться дискретным либо аналоговым двухполярным сигналом. Этот режим может использоваться для машин, где необходимо менять усилие прижима, давление и т. п.

Оценка текущего момента двигателя, необходимого для управления, производится за счет встроенного датчика тока.

Процесс рекуперации

Рекуперация происходит при изменении направления (знака) момента нагрузки по отношению к вращающему моменту серводвигателя. Если энергия рекуперации невелика, она накапливается на конденсаторах звена постоянного тока, повышая напряжение на них.

Если разница абсолютных значений моментов нагрузки и серводвигателя составляет значительную величину, напряжение на конденсаторах шины постоянного тока может превысить пороговый уровень. В этом случае энергия рекуперации сбрасывается в тормозной резистор.

Источник



Что такое сервопривод, как он работает и как им управлять?

Вряд ли сегодня кого-то можно удивить тем количеством электрических приборов, которые окружают человека в повседневной жизни. Многие из которых давно взяли на себя часть человеческого труда и обязанностей. Повсеместная автоматизация процессов охватила самые разнообразные отрасли, начиная автомобилестроением, и заканчивая устройствами в быту. Львиную долю нагрузки относительно автоматического управления параметрами работы умных машин берет на себя сервопривод.

Читайте также:  Время разряда аккумулятора при утечке тока

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

Устройство сервопривода

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

Сравнение с сервопривода 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

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.

Разновидности

За счет многолетнего развития сервоприводов сегодня можно встретить самые различные виды устройства. Поэтому мы рассмотрим наиболее распространенные критерии разделения.

По типу привода:

  • асинхронные сервоприводы – получаются дешевле, чем с синхронным электродвигателем, могут обеспечить точность даже при низких оборотах выходного вала;
  • синхронные – более дорогой вариант, но быстрее разгоняется, что повышает скорость выполнения операций;
  • линейные – не используют классических электрических моторов, но способны развивать большое ускорение.

По принципу действия выделяют:

  • электромеханический сервопривод – движение обеспечивается электрической машиной и шестеренчатым редуктором;
  • гидромеханический серводвигатель – движение осуществляется при помощи поршневого цилиндра, обладают значительно большей скоростью перемещения;

По материалу передаточного механизма:

По материалу шестерней

  • полимерные – износоустойчивые и легкие, но плохо переносят большие механические нагрузки;
  • металлические – наиболее тяжелый вариант, относительно быстро изнашиваются, но могут выдерживать любые нагрузки;
  • карбоновые – имеют средние характеристики по прочности и износоустойчивости, в сравнении с двумя предыдущими, но имеют более высокую стоимость.

Рис. 4. По материалу шестерней

По типу вала двигателя:

По типу вала

  • с монолитным ротором – тяжелые сервоприводы, создают вибрацию при вращении;
  • с полым ротором – самые легкие модели, быстро реагируют на команды и набирают обороты, их легче контролировать;
  • с бесколлекторным ротором – не имеют подвижных контактов, которые создают дополнительное сопротивление вращению, наиболее дорогой вариант.

Рис. 5. По типу вала

Технические характеристики

При выборе конкретной модели сервопривода необходимо руководствоваться основными техническими параметрами, которые изготовитель указывает в паспорте устройства.

Наиболее значимыми характеристиками сервомотора являются:

Усилие на валу

  • Усилие на валу серводвигателя – определяет механический момент и способность перемещать определенный вес, создавать усилие при резке, фрезеровке и т.д.

Рис. 6. Усилие на валу

  • Скорость вращения – показывает, сколько поворотов вала может совершить устройство за единицу времени.
  • Величина питающего напряжения – чаще всего электроснабжение сервопривода выполняется постоянным током, хотя встречаются модели и с переменным током выходного напряжения. Подключение питания к сервоприводу осуществляется тремя проводами: питающим, управляющим и общим.
  • Угол вращения сервопривода – поворот выходного элемента, как правило, выпускается на 180° и 360°.
  • Скорость поворота – подразделяется на сервоприводы с постоянным вращением и с переменной частотой.

Способы управления

Способ управления сервоприводом

Рис. 7. Способ управления сервоприводом

По способу управления могут быть аналоговые или цифровые сервоприводы, первый из них подает сигналы с разной частотой, которая задается специальной микросхемой, контролирующей работу устройства. Цифровые сервоприводы, в свою очередь, отличаются наличием процессора, который принимает команды и реализует их в качестве различных режимов работы на приводе.

Их практическое отличие заключается в наличии мертвых зон у аналоговых способов, цифровые лишены этого недостатка, к тому же они быстрее реагируют на изменения и обладают большей точностью. Однако цифровой способ управления имеет большую себестоимость и на свою работу он расходует больше электроэнергии.

На рисунке 8 приведен пример управления сервоприводом с помощью подаваемых импульсов:

Схема управления сервоприводом

Рис. 8. Схема управления сервоприводом

Как видите на рисунке, сигнал поступает к генератору опорных импульсов (ГОП), подключенному к потенциометру. Далее сигнал поступает на компаратор (К), сравнивающий величины на выходе схемы и поступающие от датчика на рабочем органе. После этого прибор управления мостом (УМ) открывает нужную пару транзисторов моста для вращения вала мотора (М) по часовой или против часовой стрелки, также может задавать усилие за счет полного или частичного открытия перехода.

Преимущества и недостатки

К преимуществам сервопривода следует отнести:

  • Универсальность устройства – может с легкостью устанавливаться в самые различные приборы, так как технические особенности редко влияют на конечный результат.
  • Может реализовать широкий спектр крутящего момента за счет использования редуктора и изменения передаточного числа.
  • Обладает большим ускорением, что значительно повышает продуктивность и сокращает сроки выполнения работы.
  • Точное выставление позиции благодаря проверке места положения на датчике.
  • Не боится перегрузок, что увеличивает срок службы, позволяет работать и в аварийных ситуациях.

К недостаткам следует отнести:

  • Относительно большую стоимость – наличие обратной связи, датчиков и прочего вспомогательного оборудования обуславливает повышение себестоимости сервопривода.
  • Износ передаточного механизма – в значительной мере ухудшает точность и эффективность, требует замены.
  • Более сложная настройка работы – требует изменения параметров программного обеспечения или полной замены сервопривода.

Источник

Сервопривод. Жизнь после смерти.

Вместо эпиграфа…

В жизни многих из нас бывают моменты, когда та или иная вещь приходит в негодность и приходится ее выбрасывать. В практике моделизма, в частности, такой «вещью» нередко оказывается сервопривод – либо коллекторный мотор лишится щеток, а то и вовсе сгорит, либо шестерни останутся без зубов. Контроллер же гораздо реже отправляется в «места вечнозеленых пастбищ, богатые дичью» (с)индейцы Кентукки.

Перечень терминов и сокращений.

РУ – радиоуправление – совокупность аппаратных и программных средств для управления моделями по радиоканалу
СП – сервопривод
РРМ – сигнал управления (Pulse Position Modulation). В статье упоминается с числом, которое обозначает часть диапазона регулирования управляющего органа аппаратуры РУ (например, ход стика или поворота «крутилки» от минимума до максимума), например 30%РРМ = 30% диапазона регулирования от начала диапазона. Для удобства «привязки к ручкам».
ДП – датчик положения
ТОЧКА НЕЙТРАЛИ – такое положение ДП, при котором на выходе контроллера отсутствует напряжение
ШИМ – широтно-импульсная модуляция
ИМС – интегральная микросхема

Очень краткий экскурс в теорию.
СП, как известно, представляет собой электродвигатель (рассматриваем традиционные электрические СП, используемые моделистами) и редуктор. Электродвигателем управляет контроллер СП в соответствии с заданием, выданным с аппаратуры РУ в %РРМ. Конструктивно электродвигатель, редуктор и контроллер находятся в одном корпусе.
Источником управляющего сигнала, как правило, является приемник аппаратуры РУ или специальное устройство – сервотестер.
В недорогих СП (к слову, которые использует в своих моделях подавляюще число моделистов) применяется коллекторный электродвигатель постоянного тока. Вот об этих СП и пойдет речь.

Читайте также:  Мощность тока без сопротивления

Подготовка.
Итак, в Вашем СП больше нет редуктора или электродвигателя, но остался контроллер? Отлично, попробуем найти применение контроллеру. В качестве примера будет рассматриваться контроллер сервопривода SG90, аналогичного 4 X TowerPro SG90 Mini Gear Micro Servo 9g
Товар http://www.parkflyer.ru/product/1566363/

цена на который колеблется от 65 до 300 рублей у разных продавцов.

Чтобы извлечь контроллер из корпуса сервопривода необходимо вывернуть четыре винта с нижней стороны корпуса (1), снять крышки редуктора (2) и контроллера (3).

Удалить шестерни, отпаять и удалить электродвигатель, не повреждая контроллер и ДП, в качестве которого применяется переменный резистор сопротивлением 5 кОм.

Конструктивно ДП впаян в плату контроллера таким образом, что их разделяет внутренний конструктивный элемент корпуса СП — два выступа по бокам и просто так эти элементы удалить из корпуса не удастся (во всяком случае в СП, имеющейся у меня модификации так и было).

Для удаления из корпуса сервопривода ДП и контроллера необходимо зафиксировать неподвижно шток ДП, например, зажать его в тиски. Далее, слегка «натягивая» корпус СП в сторону контроллера и одновременно прогревая паяльником места пайки контактов ДП на плате контроллера, выпаять ДП из платы и вынуть его из корпуса СП (останется в тисках). Только после этого можно будет достать из корпуса СП сам контроллер. При этом, сохранение целостности ДП не является приоритетной задачей, ибо в своем изначальном качестве он уже не нужен и для дальнейших творческих изысканий может быть заменен любым переменным или подстроечным резистором того же или близкого номинала. В случае если не удастся подобрать постоянный резистор сопротивлением из стандартного ряда, можно «подогнать» ближайший номинал, постепенно счищая «наждачкой» графитовый слой и замеряя получившееся сопротивление. Можно также оставить переменный резистор, заменив его на «многооборотный» прецизионный. Ближайший в ряду российский номинал – 5.1 кОм. Либо использовать триммер канала на пульте РУ.

Контроллер выполнен в виде печатной платы размером около 10х15мм с впаянными в нее радиокомпонентами.

Он имеет один вход управления для сигнала РРМ и два выхода (назовем их «А» и «В»). Выходы являются инверсными по отношению друг к другу в виду того, что СП по сути является реверсивным. Сигнал на обоих выходах – ШИМ. Нагрузочная способность выходов контроллера позволяет подключать к ним микроэлектродвигатель напрямую, что и сделано производителем. На самом деле, ИМС, применяемая в контроллере этого СП, имеет больше двух выходов, но в статье будет рассматриваться применение именно выходов, к которым производитель СП подключил микроэлектродвигатель.
Малый размер платы и удобное расположение контактных «пятачков» и отверстий для внешних связей дает возможность припаять к плате «ножки» и использовать ее как единый радиокомпонент на Вашей печатной плате.

Ну вот, контроллер и ДП (если испортили ДП при пайке, то любой переменный или подстроечный резистор того же или близкого номинала) у нас на столе. Что дальше?

Припаиваем ДП к контроллеру. Для этого лучше использовать соединительные проводники, а не устанавливать ДП непосредственно на плату. С помощью ДП впоследствии можно установить точку нейтрали по отношению к %РРМ, исходя из решаемой задачи, как это сделать – см. ниже.

Чтобы избежать дрейфа точки нейтрали из-за невысокого качества переменного резистора, после окончательной настройки этого параметра рекомендую заменить переменный резистор на два постоянных резистора, сопротивление которых равно сопротивлению каждого плеча ДП соответственно.


Контроллер необходимо дополнить силовыми ключами. Тип элементов и схемотехника силовых ключей могут быть различны и ограничиваются решаемыми задачами, размерами, весом и… навыками Исполнителя. Применение внешних силовых ключей позволяет создавать регуляторы и коммутаторы с нагрузочной способностью в десятки и сотни ампер. Так же, теоретически, нет ограничений по напряжению питания ведомых устройств.

ПРИМЕЧАНИЕ: Для всех творческих изысканий в качестве источника управляющего РРМ-сигнала используется сервотестер, аналогичный этим:

Удобно выставлять нейтраль одним нажатием кнопки на сервотестере, но я не уверен, что это именно нейтраль – навряд ли китайцы калибруют сервотестеры ))).
В части визуализации положения управляющих органов при том или ином %РРМ, на мой взгляд, лучше использовать для настройки реальную аппаратуру РУ.

Указанные на схемах номиналы и типы элементов приведены для примера (использовались в испытаниях) и могут быть заменены на другие, исходя из целей и задач.

Вопросы размеров и веса конечных устройств в статье не рассматриваются.

Варианты использования контроллера.

1. Реверсивный регулятор оборотов двигателя постоянного тока.

Настройка.
Устанавливаем с помощью ДП точку нейтрали контроллера в 50%РРМ, для чего устанавливаем регулятор сервотестера в середину диапазона регулирования (в случае использования реальной аппаратуры РУ – управляющий орган (стик, «крутилка» и т.п.) соответствующего канала). При этом подключенный к регулятору двигатель может произвольно вращаться.
Вращая ось ДП добиваемся полной остановки двигателя. При наличии вольтметра – контролируем отсутствие напряжения на выходе регулятора.
Отключаем питание регулятора, отпаиваем ДП от платы контроллера, замеряем сопротивление каждого плеча. Впаиваем на место ДП в плату контроллера постоянные резисторы с сопротивлением, равным сопротивлению каждого плеча ДП соответственно.
При необходимости поменяйте местами выходы контроллера либо полярность подключения крайних выводов ДП на плате контроллера.
Данный регулятор работает с электродвигателями постоянного тока, которые при смене полярности питающего напряжения изменяют направление вращения якоря.

Соотношение диапазона регулирования %РРМ и диапазона регулирования регулятора:

Как видно из диаграммы, диапазон регулирования контроллера СП составляет 50% от диапазона %РРМ в каждую сторону.

2. Нереверсивный регулятор оборотов двигателя постоянного тока.

Настройка.
Устанавливаем с помощью ДП точку нейтрали контроллера в 0%РРМ, для чего устанавливаем регулятор сервотестера в начало диапазона регулирования (в случае использования реальной аппаратуры РУ – управляющий орган (стик, «крутилка» и т.п.) соответствующего канала). При этом подключенный к регулятору двигатель может произвольно вращаться.
Вращая ось ДП добиваемся полной остановки двигателя. При наличии вольтметра – контролируем отсутствие напряжения на выходе регулятора.
Отключаем питание регулятора, отпаиваем ДП от платы контроллера, замеряем сопротивление каждого плеча. Впаиваем на место ДП в плату контроллера постоянные резисторы с сопротивлением, равным сопротивлению каждого плеча ДП соответственно.

Соотношение диапазона регулирования %РРМ и диапазона регулирования:

Отмечу, что, так как диапазон регулирования контроллера СП составляет 50% от диапазона %РРМ в каждую сторону, регулирование оборотов будет возможно от 0%РРМ до 50%РММ. При 50%РРМ обороты двигателя достигнут максимальных и далее расти не будут (см. диаграмму).

При необходимости поменяйте местами выходы контроллера либо полярность подключения крайних выводов ДП на плате контроллера.

3. Регулятор яркости фар/фонарей и т.п.


Вариант 2 (инверсное регулирование яркости).

Настройка.
Описание настройки не привожу – она аналогична регуляторам для электродвигателя (см. выше) с той лишь разницей, что к выходу подключены лампочки накаливания, а не электродвигатель.
Вы можете самостоятельно попробовать установку точки нейтрали в разных точках диапазона регулирования с тем, чтобы выбрать оптимальную для Вашей задачи.
При необходимости поменяйте местами выходы контроллера либо полярность подключения крайних выводов ДП на плате контроллера.

Как показали эксперименты у отдельных регуляторов (из двух проявилось у одного) в крайних точках лампочки слегка мерцают, что обусловлено наличием импульсов ШИМ, следующих с низкой частотой. Мерцание можно устранить, включив электролитический конденсатор емкостью 4.7-10мкф 16В между затвором и истоком ключевого транзистора (см. вариант коммутатора ниже), однако это приводит к нагреву транзистора при больших токах и необходимости установки его на радиатор (во время испытаний ток через транзистор был около 2А) вследствие перехода в другой режим работы. Так же несколько сужается диапазон регулирования.

4. Коммутатор

Коммутатор может найти применение, например, в качестве дистанционного выключателя световых приборов модели. Так же его можно использовать в аппаратных миксах с другими каналами, например, когда, скажем, при 25% газа нужно включить/отключить фары.
Смещая точку нейтрали можно задавать различное значение %РРМ, при котором коммутатор изменит свое состояние.

Настройка.
Устанавливаем регулятор сервотестера в 25% (цифра для примера) от начала диапазона регулирования (в случае использования реальной аппаратуры РУ – управляющий орган (стик, «крутилка» и т.п.) соответствующего канала). При этом состояние коммутатора может быть произвольным.

Вращая ось ДП добиваемся отключения реле, а затем вращением ДП в обратную сторону добиваемся включения реле. Если реле отключено, то вращаем ДП до момента включения реле. Это и будет порог срабатывания на уровне 25%РРМ.

Отключаем питание коммутатора, отпаиваем ДП от платы контроллера, замеряем сопротивление каждого плеча. Впаиваем на место ДП в плату контроллера постоянные резисторы с сопротивлением, равным сопротивлению каждого плеча ДП соответственно.
Ключ управления реле и само реле выбираются, исходя из целей и задач.

При необходимости поменяйте местами выходы контроллера либо полярность подключения крайних выводов ДП на плате контроллера.

Печатная плата не разрабатывалась, так как сама плата требует наличие места и объема. Обычно практикую навесной монтаж в термоусадке с формой конечного изделия под конкретное место в корпусе. Прочность монтажа приемлемая.
Возможный вариант компоновки одного из регуляторов может быть таким (просто пример):

Для тех, кто не очень знаком с электроникой привожу фото соединений компонетов простого регулятора яркости лампочки накаливания (питание контроллера СП от сервотестера/приемника; красный (+) и черный (-) провода на фото, уходящие вправо — силовое питание 12В).

Используется транзистор NDP7050. У других транзисторов расположение выводов может быть другим, просто найдите в Сети даташит (datasheet) на имеющийся у Вас транзистор — там обычно все расписано/разрисовано, например ‌ ‌ http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/54154/FAIRCHILD/NDP7050.html ‌
Ориентироваться можно на обозначения выводов G, D, S, сопоставляя их с приведенным на фото.

Электронщики же должны сами знать как-где-что искать ))))

Источник