Что такое сервопривод и как он работает

Содержание

Сервопривод

Что такое сервопривод и как он работает

В конструкциях современного оборудования, создаваемого на базе высоких технологий, постоянно развиваются и совершенствуются различные автоматические процессы.

Среди них широкое распространение получил сервопривод, устанавливаемый с целью совершения отдельными элементами и деталями постоянных динамических движений.

Эти устройства обеспечивают постоянный контроль над углами поворота вала, устанавливают нужную скорость в приборах электромеханического типа.

Составной частью этих систем являются серводвигатели, которые дают возможность управлять скоростями в нужном диапазоне в установленный промежуток времени. Таким образом, все процессы и движения могут периодически повторяться, а частота этих повторов закладывается в системе управления.

Устройство сервопривода

Основные детали, из которых состоит типовой серводвигатель – ротор и статор. Для коммутации применяются специальные комплектующие в виде штекеров и клеммных коробок. Управление, контроль и коррекция процессов осуществляется с помощью отдельного управляющего узла. Для включения и выключения сервопривода используется отдельная система. Все детали, помещаются в общем корпусе.

Практически во всех сервоприводах имеется датчик, работающий и отслеживающий определенные параметры, такие как положение, усилие или скорость вращения. С помощью управляющего блока поддерживается автоматический режим необходимых параметров при работе устройства. Выбор того или иного параметра происходит в зависимости от сигналов, поступающих от датчика в установленные промежутки времени.

Разница между сервоприводом и обычным электродвигателем заключается в возможности установки вала в точно заданное положение, измеряемое в градусах. Установленное положение, так же, как и другие параметры, поддерживаются блоком управления.

Их принцип работы заключается в преобразовании электрической энергии в механическую, с помощью электродвигателя. В качестве привода используется редуктор, позволяющий снизить скорость вращения до требуемого значения. В состав данного устройства входят валы с шестернями, преобразующими и передающими крутящий момент.

Как работает сервопривод

Вращение выходного вала редуктора, связанного шестернями с сервоприводом, осуществляется путем запуска и остановки электродвигателя. Сам редуктор необходим для регулировки числа оборотов.

Выходной вал может быть соединен с механизмами или устройствами, которыми необходимо управлять.

Положение вала контролируется с помощью датчика обратной связи, способного преобразовывать угол поворота в электрические сигналы и на котором построен принцип работы всего устройства.

Этот датчик известен также, под названием энкодера или потенциометра. При повороте бегунка, его сопротивление будет изменяться. Изменения сопротивления находится в прямой пропорциональной зависимости с углом поворота энкодера. Данный принцип работы позволяет устанавливать и фиксировать механизмы в определенном положении.

Дополнительно каждый серводвигатель имеет электронную плату, обрабатывающую внешние сигналы, поступающие от потенциометра. Далее выполняется сравнение параметров, по результатам которого производится запуск или остановка электродвигателя. Следовательно, с помощью электронной платы поддерживается отрицательная обратная связь.

Подключить серводвигатель можно с помощью трех проводников. По двум из них подается питание к электродвигателю, а третий служит для прохождения сигналов управления, приводящих вал в определенное положение.

Предотвратить чрезмерные динамические нагрузки на электродвигатель возможно с помощью плавного разгона или такого же плавного торможения.

Для этого применяются более сложные микроконтроллеры, обеспечивающие более точный контроль и управление позицией рабочего элемента.

В качестве примера можно привести жесткий диск компьютера, в котором головки устанавливаются в нужную позицию с помощью точного привода.

Управление серводвигателем

Основное условие, чтобы серводвигатель мог нормально работать, заключается в их функционировании совместно с так называемой системой G-кодов. Эти коды представляют собой набор команд управления, заложенный в специальную программу.

Если в качестве примера взять ЧПУ – числовое программное управление, то в данном случае сервоприводы будут взаимодействовать с преобразователями. В соответствии с уровнем входного напряжения они способны изменить значение напряжения на возбуждающей обмотке или якоре электродвигателя.

Непосредственное управление серводвигателем и всей системой осуществляется из одного места – блока управления.

Когда отсюда поступает команда на прохождение определенного расстояния по оси координат Х, в цифровом аналоговом преобразователе возникает напряжение определенной величины, которое и поступает в качестве питания привода этой координаты.

В серводвигателе начинается вращательное движение ходового винта, связанного с энкодером и исполнительным органом основного механизма.

В энкодере вырабатываются импульсы, подсчитываемые блоком, выполняющим управление сервоприводом. В программе заложено соответствие определенного количества сигналов с энкодера, установленному расстоянию, которое должен пройти исполняющий механизм.

В нужное время аналоговый преобразователь, получив установленное число импульсов, прекращает выдачу выходного напряжения, в результате, серводвигатель останавливается.

Точно так же под влиянием импульсов восстанавливается напряжение, и возобновляется работа всей системы.

Виды и характеристики

Серводвигатели выпускаются в самых разных вариантах, позволяющих использовать их во многих областях. Основные конструкции разделяются на коллекторные и бесколлекторные, предназначенные для работы от постоянного и переменного тока.

Кроме того, каждый сервомотор может быть синхронным и асинхронным. Синхронные устройства обладают способностью задавать высокоточную скорость вращения, а также углы поворотов и ускорение.

Эти приводы очень быстро набирают номинальную скорость вращения. Сервоприводы в асинхронном исполнении управляются за счет изменения параметров питающего тока, когда его частота меняется с помощью инвертора.

Они с высокой точностью выдерживают заданную скорость даже при самых низких оборотах.

В зависимости от принципиальной схемы и конструкции, сервоприводы могут быть электромеханическими и электрогидромеханическими. Первый вариант, включающий редуктор и двигатель, отличается низким быстродействием. Во втором случае действие происходит очень быстро за счет движения поршня в цилиндре.

Каждый сервопривод характеризуется определенными параметрами:

  • Крутящий момент или усилие, создаваемое на валу. Считается наиболее важным показателем работы сервопривода. Для каждой величины напряжения существует собственный крутящий момент, отражаемый в паспорте изделия.
  • Скорость поворота. Данный параметр представляет собой определенный период времени, который требуется, чтобы изменить позицию выходного вала на 600. Эта характеристика также зависит от конкретного значения напряжения.
  • Максимальный угол поворота, на который может развернуться выходной вал. Чаще всего эта величина составляет 180 или 3600.
  • Все сервоприводы разделяются на цифровые и аналоговые. В зависимости от этого и осуществляется управление сервоприводом.
  • Питание серводвигателей. В большинстве моделей используется напряжение от 4,8 до 7,2В. Питание и управление осуществляется с помощью трех проводников.
  • Возможность модернизации в сервопривод постоянного вращения.
  • Материалы для редуктора могут использоваться самые разные. Шестерни изготавливаются из металла, карбона, пластика или комбинированных составов. Каждый из них обладает своими преимуществами и недостатками. Например, пластиковые детали плохо выдерживают ударные нагрузки, но устойчивы к износу в процессе длительной эксплуатации. Металлические шестерни, наоборот, быстро изнашиваются, зато они обладают высокой устойчивостью к динамическим нагрузкам.

Плюсы и минусы сервомоторов

Благодаря унифицированным размерам, эти устройства легко и просто устанавливаются в любые конструкции.

Они безотказны и надежны, каждый из них работает практически бесшумно, что имеет большое значение при их эксплуатации на сложных и ответственных участках.

Даже на невысоких скоростях можно добиться точности и плавных перемещений. Каждый сервопривод может быть настроен персоналом, в зависимости решения тех или иных задач.

В качестве недостатков отмечаются определенные сложности при настройках и сравнительно высокая стоимость.

Источник: https://electric-220.ru/news/servoprivod/2018-01-07-1426

Принципы работы и виды сервоприводов

Что такое сервопривод и как он работает

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.

Другие полезные материалы:
Выбор оптимального типоразмера электродвигателя
Сервопривод или шаговый двигатель?
Принципы программирования ПЛК

Источник: https://tehprivod.su/poleznaya-informatsiya/printsipy-raboty-i-vidy-servoprivodov.html

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

Что такое сервопривод и как он работает

Сервопривод – механизм, имеющий в своем устройстве специальный датчик, по которому отслеживаются определенные значения, блок управления, двигатель. Задачей устройства является контроль и поддержание параметров во время работы, в зависимости от сигнала, передаваемого в отдельный момент времени.

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.

Конструкция устройства

Механизм подобного типа обычно имеет следующие составляющие:

  1. Привод – электрический мотор с редуктором или похожие устройства. Необходим для уменьшения скорости движения, если она слишком большая.
  2. Датчик обратной связи или потенциометр, меняющий угол поворота вала.
  3. Блок, отвечающий за управление и питание.
  4. Вход или конвертер.

В принципе работы самого простого варианта лежит схема обрабатывания значений, исходящих от датчика обратной связи и настраиваемых входящих сигналов для подачи напряжения необходимой полярности на двигатель.

Сложные устройства, работающие с использованием микросхем, учитывают инерцию, обеспечивая ровный период разгона или торможения, что помогает уменьшить уровень нагрузок и добиться точной синхронизации показателей.

Разновидности

Различают два вида сервоприводов:

  1. Синхронные – задают темп скорости вращения двигателя и другие параметры, быстрее достигая указанной скорости вращения.
  2. Асинхронные – способны сохранять работу двигателя даже при низких оборотах.

Также устройства разделяют на электромеханические и электрогидромеханические по особенностям конструкции и принципу работы.

Основные характеристики

Механизмы имеют ряд параметров, характеризующих их работу:

  1. 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.
  2. Скорость поворота также имеет важное значение в работе механизма. Обычно указывается в параметре времени – необходимо, чтобы выходной вал изменил свое направление на 60 градусов.
  3. 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.
  4. Питание может быть различным, но у большинства таких агрегатов оно находится в диапазоне 4,8-7,2 вольта.
  5. Угол поворота. Обычно это значение в 180 или 360 градусов.
  6. Сервопривод может быть переменного или постоянного вращения.

Имеет значение материал изготовления. Детали могут быть металлическими, пластиковыми, либо в комбинированном составе.

Преимущества и недостатки

У сервопривода есть определенные преимущества, которые делают его предпочтительным вариантом для некоторых видов работ:

  1. Электрический сервопривод универсален, не требуют особых условий к двигателю или редуктору. Могут использоваться любого вида и уровня мощности.
  2. При использовании гарантируется абсолютная точность, одновременно устраняются механические люфты или сбои в электронике, предотвращается износ, тепловое расширение, мгновенно выявляется отказ привода.
  3. Повышенная скорость передвижения элементов, в сравнении с другими видами двигателей.
  4. Работают бесшумно.
  5. Успешно работают даже на малых скоростях.

Существуют также определенные недостатки, свойственные механизмам этого типа:

  1. Работа требует использования дополнительного элемента – датчика.
  2. Сама система и принцип ее работы имеет более сложную схему, чем, например, шаговый двигатель.
  3. Присутствует трудность в фиксировании.
  4. Высокая стоимость.

Область применения

В данный момент сервоприводы получили достаточно широкое распространение. Их можно встретить в точных приборах, автоматах, производящих различные платы, программируемых станках, промышленных роботах и других механизмах. Большую популярность приводы такого типа приобрели в авиамодельной сфере за счет эффективного расхода энергии и равномерного движения.

Сервоприводы меняются и развиваются. В самом начале появления они обладали коллекторными моторами с обмотками на роторе. Постепенно число обмоток выросло, также увеличилась и скорость вращения и разгона.

Позже обмотки начали располагаться снаружи магнита, что также способствовало повышению эффективности работы. Дальнейшие усовершенствования позволили отказаться от коллектора, стали использоваться постоянные магниты ротора.

Наиболее популярны сейчас сервоприводы, которые работают от программируемого контроллера. Это дает возможность создавать приборы высокой точности и современную технику.

Возможность достижения высокой точности часто становится решающим фактором для применения сервопривода. Кроме того, благодаря новым цифровым разработкам, позволяющим предусмотреть различные способы связи с объектами, система использует компьютер для управления и настройки, что значительно упрощает работу.

В различных сферах также используются серводвигатели. Они могут перемещать выходной вал в заданное положение и удерживать его автоматически. Также помогут придать движение какому-либо механизму, координируемому вращениями вала. Для мотора важными параметрами являются равномерность и тональность движения, эффективность затрачиваемой энергии.

Энкодер: что это такое, принцип работы, виды, для чего используется

Развитие инженерной промышленности, роботехники и современных технологий привело к появлению новых механизмов, которые используются в различных сложных устройствах.

Одним из них стал энкодер – прибор, при помощи которого выводятся показатели вращающихся деталей электродвигателя или редуктора. Это же устройство часто называют датчиком угла поворота, поскольку оно позволяет определить текущее направление вращения и положение по отношению к оси.

Потребность в использовании энкодеров возникла с усовершенствованием сервомоторов, но позже их стали использовать и в других конструкциях.

Особенности работы и разновидности

Датчики обычного вида имеют ручку, вращающуюся по часовой стрелке и против нее. На приборе отображается цифровой сигнал о том, в каком направлении повернута ручка или где она находится. В зависимости от используемого типа преобразования сигнала, приборы разделяют на абсолютные и инкрементальные.

Устройства абсолютного типа

Круг поворота, имеющийся в абсолютном энкодере, поделен на равнозначные, пронумерованные сектора. При работе устройство показывает номер определенного сектора, в котором он находится.

Его называют абсолютным потому, что по нему можно точно определить положение угла относительно начального сектора до крайнего значения. При движении он будет последовательно выдавать номера, а затем снова вернется к нулевому значению.

Если во время использования вращение будет направлено в обратную сторону, то и код будет выдаваться в обратном порядке, соответственно, при необходимости можно узнать направление.

В зависимости от вида энкодера, за единицу измерения принимают один или несколько оборотов диска. С учетом этой разницы, выделяют однооборотные и многооборотные механизмы, считающие коды за один цикл вращения или за несколько. Абсолютные энкодеры решают больший объем задач, нежели инкрементальные, за счет использования цифровых кодов, а не импульсов.

Инкрементальные механизмы

Схема устройства таких энкодеров проще по сравнению с абсолютными. Они отображают только направление положения ручки. Угол при этом должен считать микроконтроллер. Энкодер имеет набор усиков или полосок, которые соприкасаются и расходятся при повороте, образуя особый рисунок.

Эти устройства определяют количество импульсов от точки отсчета на одну единицу оборота. При окончании вращения показатели будут равняться единице.

При начале поворота в любую сторону выводы последовательно контактируют с землей, формируя ноль, после они отсоединяются от поверхности и снова отражается единица. Цикл некоторое количество раз повторяется и создает последовательность из нулей и единиц.

Направление поворота в текущий момент определяется по тому выводу, который первым контактировал с поверхностью.

Классификация по принципу действия

Энкодеры также можно разделить на несколько групп по физическому принципу действия, характерному для каждой из них:

  1. Имеет форму диска, закрепленного на валу, произведенного из стекла. Он запоминает углы вращения, при этом каждому положению отображается его цифровой код. Такие технологии позволяют реализовать классические решения для энкодера и передавать сигнал в аналоговой или цифровой форме. Они достаточно надежны, но при этом остаются доступными по стоимости.
  2. Магнитные энкодеры имеют в своем устройстве специальный датчик, который фиксирует рабочий цикл вращающегося магнита. Показания такого устройства формируются в цифровой код. Во время попадания проводника в область магнитного поля происходит резонанс, что и позволяет устройству работать. Датчик сканирует изменения поля. Угол, который может принимать элемент, соответствует определенному вектору.
  3. Магниторезистивные датчики работают, постоянно определяя показатели тока, проходящего через катушку, установленную внутри. В зависимости от показаний, определяется угол поворота. Конструкция этого устройства состоит из вращающейся катушки, помещенной в магнитное поле.

Характеристики

Каждая разновидность энкодера имеет свои особенности и характеристики:

  1. Величина импульсов, которая производится в момент одного оборота диска в процессе работы. Может варьироваться от 1 до 5 тысяч импульсов.
  2. Для абсолютных энкодеров важна такая характеристика, как разрядность бит или их количество.
  3. Тип вала, используемого в устройстве, может отличаться – он бывает с прямой осью или полый.
  4. Учитывается разновидность используемого фланца на валу под шпонку.
  5. Сигнал при выходе может отличаться.
  6. Уровень напряжения питания.
  7. Используемый тип разъема и длина кабеля.

В зависимости от сложности устройства и возможности выдерживать различные нагрузки, отличается и сфера применения. Простые датчики имеют минимальное оснащение и используются в несложных механизмах. Высокоточные устройства с высокой производительностью, защитой от температурного воздействия или взрывов применяются в промышленности и сложных технических устройствах.

Использование

Существует немало сфер и областей, в которых энкодеры нашли широкое применение. Достаточно рассмотреть наглядные примеры использования этих устройств, чтобы убедиться в их популярности:

  1. В механизмах, работающих для нужд печатной промышленности, эти датчики контролируют вращение валов, по которым проходит бумага и краска.
  2. На предприятиях, где ведется металлообработка, они задействованы при вращении валов с металлическими лентами.
  3. При конструировании различных моделей и устройств в области робототехники помогают контролировать движение различных частей робота.
  4. В автомобилестроении с помощью датчиков определяется угол поворота колеса.
  5. Городское хозяйство нельзя представить без лифтов – для их работы также требуются энкодеры.
  6. В пищевой и химической промышленности необходимо постоянно фасовать продукцию в больших объемах. Этим занимаются автоматизированные устройства, в которых установлены энкодеры.
  7. Даже в домашних условиях можно легко найти предмет, в котором есть энкодер – это компьютерная мышь, которая есть практически в каждой квартире.
  8. В различных электротехнических устройствах, например, сервомоторах, требующих высокой точности, также установлены датчики.

В зависимости от сферы использования и особенностей устройства, энкодеры могут решать различные задачи. Они измеряют угловые положения, помогают определить позиционирование объектов, детектируют положение в пространстве, могут проводить определение позиций с высокой точностью, а также измерять вращательные движения.

Источник: http://www.techtrends.ru/techdept/techarticles/servoprivod_chto_takoe_princip_vidy.php

Принцип работы сервопривода, что такое сервопривод

Что такое сервопривод и как он работает

Сервопривод – это привод, предназначенный для осуществления контроля (угол поворота вала, скорость вращения/движения и так далее) над различными объектами, находящимися в постоянном движении. Контроль производится в зависимости от заданных ему параметров извне.

Рисунок 1. Сервопривод

Данный механизм получил достаточно широкое применение в различных промышленных сферах. Например, чаще всего его можно увидеть в конструкциях станков/машин для создания таких материалов/предметов и их обработки как:

  • Упаковки и бумага;
  • Листовой металл;
  • Обработка материалов;
  • Транспортное оборудование;
  • Стройматериалы.

Также они могут использоваться в управляющих элементах механических систем (заслонка/задвижка, багажник автомобиля и тому подобные механизмы). Сервопривод очень полезен, так как позволяет поддерживать необходимый вам параметр.

Устройство

Рисунок 2. Устройство сервопривода

Сервопривод включает в свой состав такие элементы как:

  • Приводной механизм – к примеру, это может быть электромотор. Благодаря ему становится возможным управление скоростью нужного диапазона в определённый временной момент;
  • Датчики – осуществляют контроль над необходимыми параметрами. Могут быть предназначены для отслеживания положения, усилия, поворота угла или скорости вращения объекта;
  • Блок управления – немало важный элемент, так как именно благодаря ему происходит поддержание требуемых параметров в автоматическом режиме;
  • Блок питания – питает данный механизм.

Интересно, что самый простой управляющий блок чаще всего создаётся с использованием схемы сравнений значений на датчике и необходимых значений при подаче напряжения определённой полярности на привод.

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.

Параметры

Абсолютно любой сервопривод классифицируется по следующим параметрам:

Поворотная скорость представляет собой конкретный временной промежуток, необходимый для изменения позиции вала и зависима от определённого напряжения.

Поворотный угол выходного вала. Обычно этот параметр равен 180, 360.

Крутящий момент является самым важным параметром работы механизма и регулируется в зависимости от напряжения.

Управление сервопривода зависит от его типа – цифровой он или аналоговый.

Питание. Чаще всего в моделях используют напряжение, варьирующееся от 4.8 до 7.2 вольт.

Материал. Для изготовления редуктора могут использовать различные материалы. Для шестерней используют металл, карбон, пластик. Металл отличается большой устойчивостью в условиях динамических нагрузок, но не долговечен. Пластик долговечен, но не устойчив в динамических нагрузках.

Размер. По этому параметру приводы делят на микро-, стандартные и большие (существуют и другие размеры, но эти самые распространенные).

Принцип работы сервопривода

Рисунок 3. Принцип работы сервопривода

Движение редукторного выходного вала, который связан сервоприводом с шестернями, происходит за счёт работы электродвигателя. Для регулирования оборотов предназначен редуктор. Для управления необходимыми механизмами вал соединяется непосредственно с ними.

Его положение контролирует специальный датчик (на них основано всё устройство), который преобразует угол поворота в электро-сигналы. Такой датчик носит название энкодера. Во время поворота бегунка сопротивление энкодера изменяется. Это изменение пропорционально зависимо от угла поворота датчика. Благодаря этому принципу работы механизм можно зафиксировать в нужной позиции.

Для поддержания отрицательной обратной связи используется электронная плата, которая обрабатывает сигналы, приходящие от энкодера. Она сравнивает параметры и определяет запускать или остановить электродвигатель.

Управление

Для того чтобы серводвигатель мог функционировать в нём используют специальную систему, основанную на G-кодах. Упомянутые коды представлены набором управляющих команд, которые заложены в программе.

Например, в системе ЧПУ сервопривод контактирует с инверторами, способными изменять напряжение, которое соответствует входному, в обмотке электромотора.

Вся система серводвигателя управляется/контролируется блоком управления, из которого поступают различные команды, например, передвижения по оси Х или У. После подачи команды в инверторе создаётся определённое напряжение, питающее привод. Затем серводвигатель начинает своё круговое движение, связанное с главным исполнительным элементом механизма и энкодером.

Энкодер создаёт множество импульсов, которые подсчитываются блоком, осуществляемыми управление устройством. Для каждой позиции исполнительного элемента в программе установлено определённое количество импульсов. Так под их влиянием либо подаётся напряжение на моторчик, либо прекращается.

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.

Шаговый сервопривод

Источник: https://principraboty.ru/princip-raboty-servoprivoda-chto-takoe-servoprivod/

Что такое сервопривод и как он работает

Что такое сервопривод и как он работает

Современный человек не мыслит свою жизнь без автоматизации производственных процессов. Все больше работы выполняют роботы и манипуляторы, заменяя человека. Во всех этих механизмах широко применяют сервопривод.

В повседневной жизни они встречаются в системах кондиционирования, автомобилях, отопительных приборах и т.д.

В этой статье мы рассмотрим устройство, принцип работы и область применения сервопривода, чтобы читателям сайта Сам Электрик стало понятно, что собой представляет данный механизм.

Назначение и устройство

Широкое применение сервопривод нашел в робототехнике, машиностроении, автомобилестроении, автоматизации процессов в производстве. С его помощью приводятся в действие манипуляторы, выполняется открытие (полное или неполное) или закрытие (прикрытие) заслонок, в станкостроении для подачи режущего инструмента и других исполнительных механизмов.

Представляет собой устройство, состоящее их электродвигателя, редуктора, датчика положения (энкодера) или резистора и контроллера (устройства управления).

Простыми словами — это электромеханический привод, который через внутреннюю обратную связь, устанавливает точное положение вала механизма в зависимости от внешних управляющих сигналов.

На рисунке представлен разрез устройства:

Сервоприводы выпускаются различной мощности и назначения: небольшой мощности от 0,05 кВт, применяемые в автомобилестроении и робототехнике, например, sg90 и значительной мощности в 15 кВт. Последние монтируются в промышленных манипуляторах, станках с ЧПУ, для управления задвижками в нефтегазовой промышленности и т.д.

Не всегда в качестве мотора на сервопривод монтируется электродвигатель. В качестве привода может использоваться цилиндр со штоком, приводящийся в движение сжатым воздухом или жидкостью.

Виды сервопривода

Сервоприводы подразделяют на электромеханические. В них механизм состоит из электродвигателя и редуктора. Отличаются относительно невысоким быстродействием.

Различают по типу примененного двигателя:

  • синхронные, имеют высокую точность вращения выходного вала, быстро набираю обороты;
  • асинхронные, отличаются стабильным вращением вала;
  • с коллекторным двигателем постоянного или переменного тока (универсальным).

Сервоприводы, где движущим механизмом является поршень с цилиндром, имеют высокое быстродействие. Применяется в автомобиле для переключения скоростей в АКПП. Монтируется в роботах, перемещающих грузы более ста килограмм. В промышленных установках, для переключения заслонок в упаковочных автоматах, где в качестве энергоносителя применяют сжатый воздух.

Основные характеристики сервопривода:

  • Основным параметром является крутящий момент или усилие на валу. В паспортных данных указываются две величины, относительно разного напряжения питания.
  • Быстродействие, показывает, за какой промежуток времени произойдет поворот выходного вала на 600. Указываются значения для разной величины напряжений.
  • Какой используется управляющий сигнал, аналоговый или цифровой.
  • Питающее напряжение. Большинство небольших приводов питается напряжением от 4,8 до 7,2 Вольт. Применяется, например, в радиоуправляемых моделях. Комплектуется тремя проводами и имеет стандартную распиновку. На белый, коричневый или желтый подается сигнал управления, на красный напряжение питания, а черный – общий провод.
  • Рабочий угол поворота, обычно он составляет 1800 или 3600. Выпускаются модернизированные приводы с постоянным вращением вала;
  • Материал изготовления шестеренок редуктора. Они изготавливаются из латуни, карбона, пластика или могут быть комбинированные.

В электромеханическом сервоприводе применяются электродвигатели с сердечником, при работе которых возникает вибрация, когда происходит вращение маятника. Это уменьшает точность поворота выходного вала.

Лишены этого недостатка моторы с минимальной кинетической энергией ротора. Такие привода необходимы для ЧПУ станка, чтобы точно установить исполнительный механизм. Однако, они дороже двигателей с сердечником.

Самым распространенным редуктором является шестеренчатый, который предназначен для понижения частоты вращения и увеличения момента на выходном валу. Реже применяют привод с червячным редуктором, который имеет большое передаточное число, но дороже и сложнее в производстве.

Достоинства и недостатки

Сервопривод имеет преимущества перед аналогичными устройствами, например, шаговыми двигателями. За счет обратной связи механизм может корректировать положение вала, независимо от нагрузки на ось, что позволяет устанавливать рабочий механизм с высокой точностью.

Основными преимуществами являются:

  • высокая точность позиционирования;
  • с помощью редуктора понижаются обороты и повышается момент;
  • позиционирование рабочего органа можно легко откорректировать, внеся изменение в программу управления;
  • возможность достигать больших ускорений при работе, что делает сервопривод более подходящим к использованию в быстродействующих устройствах, по сравнению с шаговыми двигателями;
  • равномерный момент почти во всем диапазоне скоростей;
  • хорошо переносят перегрузки.

К недостаткам можно отнести:

  • наличие редуктора (особенно критично если в нём пластиковые шестерни или из мягких металлов);
  • износ резистивных дорожек (если для обратной связи при позиционировании используется потенциометр);
  • сложная настройка программы управления, для получения результатов высокой точности;
  • высокая стоимость оборудования (по сравнению с шаговыми двигателями, например);
  • точность зачастую меньше, чем у шаговых двигателей.

Но учтите что все преимущества и недостатки усреднены, могут быть как шаговые двигатели, которые в определенном применении покажут себя лучше сервопривода, так и наоборот.

Заключение

Автоматическое управление бытовыми и производственными системами прочно вошло в нашу жизнь. В последнее время стал широко применяться привод под управлением программируемых блоков различного назначения типа ардуино.

Это позволило создать принципиально новые любительские летающие радиоуправляемые устройства, роботы, детские игрушки. В промышленности сервопривод применяют в станках, на экскаваторе, на квадроцикле и т.д. Сегодня невозможно представить нашу жизнь без сервоприводов.

На видео представлена работа аналоговых сервоприводов sg90 в модели робота-паука:

Источник: https://samelectrik.ru/chto-takoe-servoprivod.html

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.