Что такое сервопривод (сервомотор) и как им управлять. Технические характеристики серводвигателей

Сейчас 43 гостей и ни одного зарегистрированного пользователя на сайте

Серводвигатель – это специальный электродвигатель с отрицательной обратной связью, который предназначен для применения в станках с ЧПУ. Серводвигатели обладают достаточно высокими скоростными характеристиками, а также высокой точностью позиционирования.

Серводвигатель – это неприхотливый рабочий элемент, который входит в состав промышленного оборудования. При правильной эксплуатации серводвигатель способен работать 24 часа в сутки.

История серводвигателя

Современные серводвигатели соединили в себе все достижения научно-технического инновационного прогресса, поэтому способны развивать огромные скорости вращения при весьма высокой мощности. Большой диапазон регулировки вращения вала серводвигателя средствами программного обеспечения при существенном ускорении или торможении, делает это оборудование просто незаменимым для применения в станках или поточных линиях и многих других конструкциях.

Сравнение шаговых двигателей и серводвигателей

Как известно серводвигатели сочетают в себе достаточно большую мощность и компактность. Однако данные моторы могут функционировать, только если в наличии имеется электронный блок. Связка сервомотора и электронного управляющего модуля именуется – сервоприводом. Одно из основных достоинств сервомоторов перед ШД (шаговыми двигателями), это, безусловно, плавностью хода. Присутствие обратной связи создает условия для точного позиционирования положения, а также скорости вращения вала сервомотора.

Отличие шаговых двигателей

Как правило, шаговые двигатели для управления их работой тоже требуют наличия электронных блоков, однако в отличие от сервомоторов они не требуют обратной связи и функционируют в своем дискретном режиме. Непосредственно сам шаговый двигатель – это электродвигатель особой конструкции, который преобразует задающие ему импульсы в дискретное перемещение с определенным количеством шагов.

В целом же, шаговые двигатели применяются в тех случаях, когда за счет полного отсутствия модуля обратной связи требуется уменьшить стоимость привода. По принципу работы, серводвигатели с шаговыми электромоторами во многом схожи и в некоторых случаях даже могут использовать стандартные электронные устройства.

Применение шаговых двигателей

Шаговые двигатели можно использовать в современных наукоемких устройствах, потому как точность их функционирования достаточно высока. Поэтому, даже, несмотря на интенсивность реализовываемых функций, в работе они неприхотливы, долговечны и очень надежны. Шаговые электродвигатели интегрируются в различные системы автоматизации производства, например, начиная от станков с ЧПУ (числовым программным управлением) и оканчивая аналитическими приборами.

Если нет потребности в слишком высокой точности работы исполняющего механизма и плавности движения при «не» больших скоростях подачи, то приобретение дискретного устройства позволит существенно сократить расходы на оборудование, тем самым сэкономив средства, потому как стоимость шагового двигателя вместе с управляющим блоком, существенно ниже сервопривода.

Шаговые двигатели относятся к типу безколлекторного оборудования постоянного тока. Поэтому, как и любые двигатели, где отсутствует коллектор, они обладают достаточно высокой надежностью и значительным сроком службы. По сравнению с традиционным включением двигателей постоянного тока, шаговые двигатели требуют присутствия электронных схем коммутации специальных обмоток во время работы. Шаговый двигатель, это весьма и весьма дорогое устройство, поэтому если точность позиционирования не значительна, в место них целесообразней всего использовать обычные коллекторные двигатели.

Новости

Внимание! Новинка! Высокоточный лазерный станок CCD IL-6090 SGC (с камерой), оснащенный усовершенствованной системой оптического распознавания объектов. Благодаря современному программному обеспечению и высококачественным комплектующим, станок способен самостоятельно распознавать и сканировать необходимые объекты из множества представленных, после чего вырезать их в заданных границах по необходимым параметрам.

Добрый день! Компания INTERLASER, сообщает Вам о огромном поступлении линз, зеркал для лазерного оборудованияЦены самые низкие на линзы и зеркала:Линзы для лазерных станков ZnSe (США):диаметр 20, фокус 2 (50.8 мм) - 3 304 рубдиаметр 20, фокус 5 (12.7 мм) - 3 304 рубдиаметр 25, фокус 2.5 (63.5 мм) - 7 350 руб Линзы для лазеров ZnSe (Китай):диаметр 20, фокус 2 (50.8 мм) - 2 450 рубдиаметр 20, фокус 5 (127 мм) - 2 450 рубдиаметр 25, фокус 2.5 (63.5 мм) - 4 900 руб Зеркала:диаметр 20 мм, толщина 2/3 мм - 840 рубдиаметр 25 мм, толщина 2/3 мм - 980 рубдиаметр 30...

Пеллетная мельница - предназначена для производства древесных гранул (пеллет) из сухих древесных отходов. Основным перерабатывающимся сырьем является опил. Пелллетные мельницы малые позволяют получать гранулы из любой биомассы. Малые пелллетные мельницы востребованы в частных хозяйствах, а также на малых производствах. Используются для производства пеллет, для отапливания помещений, а также производства комбикормов. подробнее......

Снижение цен на лазерные станки серии Rabbit большого формата. Лазерная машина Rabbit 2030 (лазерная трубка 80W), 2000х3000 ммЦена со склада- 960 000 рублей, цена под заказ - 800 000 рублей Лазерная машина Rabbit 2030 (лазерная трубка Reci W2), 2000х3000 ммЦена со склада- 971 000 рублей, цена под заказ - 811 000 рублей Лазерная машина Rabbit 2030 (лазерная трубка Reci W6), 2000х3000 ммЦена со склада- 1 028 500 рублей, цена под заказ- 868 500 рублей Лазерная машина Laser FB 1525, рабочая поверхность 1500х2500 ммЦена со склада- 729 600 рублей, цена под заказ- 608 000 рублей Лазерная машина Laser FB 1626, рабочая поверхность 1600х2600 ммЦена со склада- 835 200...

Компания INTERLASER рада сообщить своим клиентам о существенном (на 12,5%) снижении цены на фрезерные станки модели Carver-0609. Новые модели фрезерных станков Carver-0609 оснащены 1,5 кВт-ым шпинделем с водяным охлаждением, электронным датчиком нулевой точки стола, усовершенствованными рельсовыми направляющими HIWIN (Тайвань) по всем осям, также, в комплекте со станками поставляется водяная помпа. Управление фрезерным станком осуществляется через DSP-контроллер, программное обеспечение Type3 поставляется в комплекте. Поставка оборудования осуществляется в течение 60 рабочих дней с момента предоплаты (70% от стоимости). По всем вопросам обращайтесь в наши офисы продаж по телефонам, указанным на сайте.

В данной статье рассматриваются сервоприводы: их устройство, предназначение, управление сервоприводом, подключение сервопривода, разновидности сервоприводов и их сравнение. Давайте приступим и начнём с того, что же такое сервопривод.

Понятие сервопривода

Под сервоприводом чаще всего понимают механизм с электромотором, который можно попросить повернуться в заданный угол и удерживать это положение. Однако, это не совсем полное определение.

Если сказать полнее, сервопривод - это привод с управлением через отрицательную обратную связь, позволяющую точно управлять параметрами движения. Сервоприводом является любой тип механического привода, имеющий в составе датчик (положения, скорости, усилия и т.п.) и блок управления приводом, автоматически поддерживающий необходимые параметры на датчике и устройстве согласно заданному внешнему значению.

Иными словами:

    Сервопривод получает на вход значение управляющего параметра. Например, угол поворота

    Блок управления сравнивает это значение со значением на своём датчике

    На основе результата сравнения привод производит некоторое действие, например: поворот, ускорение или замедление так, чтобы значение с внутреннего датчика стало как можно ближе к значению внешнего управляющего параметра

Наиболее распространены сервоприводы, которые удерживают заданный угол и сервоприводы, поддерживающие заданную скорость вращения.

Типичный хобби-сервопривод изображён ниже.

Каким же образом устроены сервоприводы?

Устройство сервопривода

Сервоприводы имеют несколько составных частей.

Привод - электромотор с редуктором. Чтобы преобразовать электричество в механический поворот, необходим электромотор . Однако зачастую скорость вращения мотора бывает слишком большой для практического использования. Для понижения скорости используется редуктор : механизм из шестерней, передающий и преобразующий крутящий момент.

Включая и выключая электромотор, можно вращать выходной вал - конечную шестерню сервопривода, к которой можно прикрепить нечто, чем мы хотим управлять. Однако, для того чтобы положение контролировалось устройством, необходим датчик обратной связи - энкодер , который будет преобразовывать угол поворота обратно в электрический сигнал. Для этого часто используется потенциометр. При повороте бегунка потенциометра происходит изменение его сопротивления, пропорциональное углу поворота. Таким образом, с его помощью можно установить текущее положение механизма.

Кроме электромотора, редуктора и потенциометра в сервоприводе имеется электронная начинка, которая отвечает за приём внешнего параметра, считывание значений с потенциометра, их сравнение и включение/выключение мотора. Она-то и отвечает за поддержание отрицательной обратной связи.

К сервоприводу тянется три провода. Два из них отвечают за питание мотора, третий доставляет управляющий сигнал, который используется для выставления положения устройства.

Теперь давайте посмотрим, как управлять сервоприводом извне.

Управление сервоприводом. Интерфейс управляющих сигналов

Чтобы указать сервоприводу желаемое положение, по предназначенному для этого проводу необходимо посылать управляющий сигнал. Управляющий сигнал - импульсы постоянной частоты и переменной ширины.

То, какое положение должен занять сервопривод, зависит от длины импульсов. Когда сигнал поступает в управляющую схему, имеющийся в ней генератор импульсов производит свой импульс, длительность которого определяется через потенциометр. Другая часть схемы сравнивает длительность двух импульсов. Если длительность разная, включается электромотор. Направление вращения определяется тем, какой из импульсов короче. Если длины импульсов равны, электромотор останавливается.

Чаще всего в хобби-сервах импульсы производятся с частотой 50 Гц. Это значит, что импульс испускается и принимается раз в 20 мс. Обычно при этом длительность импульса в 1520 мкс означает, что сервопривод должен занять среднее положение. Увеличение или уменьшение длины импульса заставит сервопривод повернуться по часовой или против часовой стрелки соответственно. При этом существуют верхняя и нижняя границы длительности импульса. В библиотеке Servo для Arduino по умолчанию выставлены следующие значения длин импульса: 544 мкс - для 0° и 2400 мкс - для 180°.

Обратите внимание, что на вашем конкретном устройстве заводские настройки могут оказаться отличными от стандартных. Некоторые сервоприводы используют ширину импульса 760 мкс. Среднее положение при этом соответствует 760 мкс, аналогично тому, как в обычных сервоприводах среднему положению соответствует 1520 мкс.

Также стоит отметить, что это всего лишь общепринятые длины. Даже в рамках одной и той же модели сервопривода может существовать погрешность, допускаемая при производстве, которая приводит к тому, что рабочий диапазон длин импульсов немного отличается. Для точной работы каждый конкретный сервопривод должен быть откалиброван: путём экспериментов необходимо подобрать корректный диапазон, характерный именно для него.

На что ещё стоит обратить внимание, так это на путаницу в терминологии. Часто способ управления сервоприводами называют PWM/ШИМ (Pulse Width Modulation) или PPM (Pulse Position Modulation). Это не так, и использование этих способов может даже повредить привод. Корректный термин - PDM (Pulse Duration Modulation). В нём крайне важна длина импульсов и не так важна частота их появления. 50 Гц - это норма, но сервопривод будет работать корректно и при 40, и при 60 Гц. Единственное, что нужно при этом иметь в виду - это то, что при сильном уменьшении частоты он может работать рывками и на пониженной мощности, а при сильном завышении частоты (например, 100 Гц) может перегреться и выйти из строя.

Характеристики сервоприводов

Теперь давайте разберёмся, какие бывают сервоприводы и какими характеристиками они обладают.

Крутящий момент и скорость поворота

Сначала поговорим о двух очень важных характеристиках сервопривода: о крутящем моменте и о скорости поворота .

Момент силы, или крутящий момент - векторная физическая величина, равная произведению радиус-вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы. Характеризует вращательное действие силы на твёрдое тело.

Проще говоря, эта характеристика показывает, насколько тяжёлый груз сервопривод способен удержать в покое на рычаге заданной длины. Если крутящий момент сервопривода равен 5 кг×см, то это значит, что сервопривод удержит на весу в горизонтальном положении рычаг длины 1 см, на свободный конец которого подвесили 5 кг. Или, что эквивалентно, рычаг длины 5 см, к которому подвесили 1 кг.

Скорость сервопривода измеряется интервалом времени, который требуется рычагу сервопривода, чтобы повернуться на 60°. Характеристика 0,1 с/60° означает, что сервопривод поворачивается на 60° за 0,1 с. Из неё несложно вычислить скорость в более привычной величине, оборотах в минуту, но так сложилось, что при описании сервоприводов чаще всего используют такую единицу.

Стоит отметить, что иногда приходится искать компромисс между этими двумя характеристиками, так как если мы хотим надёжный, выдерживающий большой вес сервопривод, то мы должны быть готовы, что эта могучая установка будет медленно поворачиваться. А если мы хотим очень быстрый привод, то его будет относительно легко вывести из положения равновесия. При использовании одного и того же мотора баланс определяет конфигурация шестерней в редукторе.

Конечно, мы всегда можем взять установку, потребляющую большую мощность, главное, чтобы её характеристики удовлетворяли нашим потребностям.

Форм-фактор

Сервоприводы различаются по размерам. И хотя официальной классификации не существует, производители давно придерживаются нескольких размеров с общепринятым расположением крепёжных элементов. Их можно разделить на:

    маленькие

    стандартные

Обладают они при этом следующими характерными габаритами:

Бывают ещё так называемые сервоприводы «специального вида» с габаритами, не попадающими в данную классификацию, однако процент таких сервоприводов весьма мал.

Внутренний интерфейс

Сервоприводы бывают аналоговые и цифровые. Так в чём же их отличия, достоинства и недостатки?

Внешне они ничем не отличаются: электромоторы, редукторы, потенциометры у них одинаковые, различаются они лишь внутренней управляющей электроникой. Вместо специальной микросхемы аналогового сервопривода у цифрового собрата можно заметить на плате микропроцессор, который принимает импульсы, анализирует их и управляет мотором. Таким образом, в физическом исполнении отличие лишь в способе обработки импульсов и управлении мотором.

Оба типа сервопривода принимают одинаковые управляющие импульсы. После этого аналоговый сервопривод принимает решение, надо ли изменять положение, и в случае необходимости посылает сигнал на мотор. Происходит это обычно с частотой 50 Гц. Таким образом получаем 20 мс - минимальное время реакции. В это время любое внешнее воздействие способно изменить положение сервопривода. Но это не единственная проблема. В состоянии покоя на электромотор не подаётся напряжение, в случае небольшого отклонения от равновесия на электромотор подаётся короткий сигнал малой мощности. Чем больше отклонение, тем мощнее сигнал. Таким образом, при малых отклонениях сервопривод не сможет быстро вращать мотор или развивать большой момент. Образуются «мёртвые зоны» по времени и расстоянию.

Эти проблемы можно решать за счёт увеличения частоты приёма, обработки сигнала и управления электромотором. Цифровые сервприводы используют специальный процессор, который получает управляющие импульсы, обрабатывает их и посылает сигналы на мотор с частотой 200 Гц и более. Получается, что цифровой сервопривод способен быстрее реагировать на внешние воздействия, быстрее развивать необходимые скорость и крутящий момент, а значит, лучше удерживать заданную позицию, что хорошо. Конечно, при этом он потребляет больше электроэнергии. Также цифровые сервоприводы сложнее в производстве, а потому стоят заметно дороже. Собственно, эти два недостатка - все минусы, которые есть у цифровых сервоприводов. В техническом плане они безоговорочно побеждают аналоговые сервоприводы.

Материалы шестерней

Шестерни для сервоприводов бывают из разных материалов: пластиковые, карбоновые, металлические. Все они широко используются, выбор зависит от конкретной задачи и от того, какие характеристики требуются в установке.

Пластиковые, чаще всего нейлоновые, шестерни очень лёгкие, не подвержены износу, более всего распространены в сервоприводах. Они не выдерживают больших нагрузок, однако если нагрузки предполагаются небольшие, то нейлоновые шестерни - лучший выбор.

Карбоновые шестерни более долговечны, практически не изнашиваются, в несколько раз прочнее нейлоновых. Основной недостатой - дороговизна.

Металлические шестерни являются самыми тяжёлыми, однако они выдерживают максимальные нагрузки. Достаточно быстро изнашиваются, так что придётся менять шестерни практически каждый сезон. Шестерни из титана - фавориты среди металлических шестерней, причём как по техническим характеристикам, так и по цене. К сожалению, они обойдутся вам достаточно дорого.

Коллекторные и бесколлекторные моторы

Существует три типа моторов сервоприводов: обычный мотор с сердечником, мотор без сердечника и бесколлекторный мотор.

Обычный мотор с сердечником (справа) обладает плотным железным ротором с проволочной обмоткой и магнитами вокруг него. Ротор имеет несколько секций, поэтому когда мотор вращается, ротор вызывает небольшие колебания мотора при прохождении секций мимо магнитов, а в результате получается сервопривод, который вибрирует и является менее точным, чем сервопривод с мотором без сердечника. Мотор с полым ротором (слева) обладает единым магнитным сердечником с обмоткой в форме цилиндра или колокола вокруг магнита. Конструкция без сердечника легче по весу и не имеет секций, что приводит к более быстрому отклику и ровной работе без вибраций. Такие моторы дороже, но они обеспечивают более высокий уровень контроля, вращающего момента и скорости по сравнения со стандартными.

Сервоприводы с бесколлекторным мотором появились сравнительно недавно. Преимущества те же что и у остальных бесколлекторных моторов: нет щёток, а значит они не создают сопротивление вращению и не изнашиваются, скорость и момент выше при токопотреблении равном коллекторным моторам. Сервоприводы с бесколлекторным мотором - самые дорогие сервоприводы, однако при этом они обладают лучшими характеристиками по сравнению с сервоприводами с другими типами моторов.

Подключение к Arduino

Многие сервоприводы могут быть подключены к Arduino непосредственно. Для этого от них идёт шлейф из трёх проводов:

    красный - питание; подключается к контакту 5V или напрямую к источнику питания

    коричневый или чёрный - земля

    жёлтый или белый - сигнал; подключается к цифровому выходу Arduino.

Для подключения к Arduino будет удобно воспользоваться платой-расширителем портов, такой как Troyka Shield . Хотя с несколькими дополнительными проводами можно подключить серву и через breadboard или непосредственно к контактам Arduino.

Можно генерировать управляющие импульсы самостоятельно, но это настолько распространённая задача, что для её упрощения существует стандартная библиотека Servo .

Ограничение по питанию

Обычный хобби-сервопривод во время работы потребляет более 100 мА. При этом Arduino способно выдавать до 500 мА. Поэтому, если вам в проекте необходимо использовать мощный сервопривод, есть смысл задуматься о выделении его в контур с дополнительным питанием.

Рассмотрим на примере подключения 12V сервопривода:

Ограничение по количеству подключаемых сервоприводов

На большинстве плат Arduino библиотека Servo поддерживает управление не более 12 сервоприводами, на Arduino Mega это число вырастает до значения 48. При этом есть небольшой побочный эффект использования этой библиотеки: если вы работаете не с Arduino Mega, то становится невозможным использовать функцию analogWrite() на 9 и 10 контактах независимо от того, подключены сервоприводы к этим контактам или нет. На Arduino Mega можно подключить до 12 сервоприводов без нарушения функционирования ШИМ/PWM, при использовании большего количества сервоприводов мы не сможем использовать analogWrite() на 11 и 12 контактах.

Функционал библиотеки Servo

Библиотека Servo позволяет осуществлять программное управление сервоприводами. Для этого заводится переменная типа Servo . Управление осуществляется следующими функциями:

    attach() - присоединяет переменную к конкретному пину. Возможны два варианта синтаксиса для этой функции: servo.attach(pin) и servo.attach(pin, min, max) . При этом pin - номер пина, к которому присоединяют сервопривод, min и max - длины импульсов в микросекундах, отвечающих за углы поворота 0° и 180°. По умолчанию выставляются равными 544 мкс и 2400 мкс соответственно.

    write() - отдаёт команду сервоприводу принять некоторое значение параметра. Синтаксис следующий: servo.write(angle) , где angle - угол, на который должен повернуться сервопривод.

    writeMicroseconds() - отдаёт команду послать на сервоприводимульс определённой длины, является низкоуровневым аналогом предыдущей команды. Синтаксис следующий: servo.writeMicroseconds(uS) , где uS - длина импульса в микросекундах.

    read() - читает текущее значение угла, в котором находится сервопривод. Синтаксис следующий: servo.read() , возвращается целое значение от 0 до 180.

    attached() - проверка, была ли присоединена переменная к конкретному пину. Синтаксис следующий: servo.attached() , возвращается логическая истина, если переменная была присоединена к какому-либо пину, или ложь в обратном случае.

    detach() - производит действие, обратное действию attach() , то есть отсоединяет переменную от пина, к которому она была приписана. Синтаксис следующий: servo.detach() .

Все методы библиотеки Servo2 совпадают с методами Servo.

Пример использования библиотеки Servo

Вместо заключения

Сервоприводы бывают разные, одни получше - другие подешевле, одни надёжнее - другие точнее. И перед тем, как купить сервопривод, стоит иметь в виду, что он может не обладать лучшими характеристиками, главное, чтобы подходил для вашего проекта. Удачи в ваших начинаниях!

Серводвигатели обладают следующими характеристиками:

Высокая динамика,

Высокая точность позиционирования,

Высокая перегрузочная способность в широком диапазоне частоты вращения.

Кроме того, серводвигатели имеют следующие особенности:

Высокая точность поддержания заданной частоты вращения;

Широкий диапазон регулирования частоты вращения;

Малое время разгона;

Малое время регулирования вращающего момента;

Большой пусковой момент;

Малый момент инерции;

Малая масса;

Компактная конструкция.

Рис. 1 Пример серводвигателей

Основными элементами конструкции серводвигателя являются:

Элементы для подключения в виде штекерных разъемов или клеммной коробки;

Датчик обратной связи.

1. Обзор современных серводвигателей

Семейство серводвигателей можно разделить на следующие группы:


Рис. 2 Обзор серводвигателей

Важнейшие отличительные особенности обусловлены следующими факторами:

Конструкция двигателей (статор, ротор);

Необходимые системы регулирования;

Система обратной связи (датчики).

До недавних лет в качестве сервоприводов применялись бесщеточные двигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. Управление обеспечивали тиристорные или транзисторные преобразователи-регуляторы.

Благодаря техническому прогрессу в области силовых полупроводниковых приборов и микроконтроллеров в девяностых годах существенно выросло применение синхронных серводвигателей.

Сегодня синхронные серводвигатели переменного тока с возбуждением от постоянных магнитов занимают больший сегмент рынка, чем асинхронные серводвигатели. Это обусловлено характеристиками двигателей.

В данной статье для обозначения двигателей используются следующие термины:

Синхронный серводвигатель - синхронный серводвигатель переменного тока с возбуждением от постоянных магнитов.

Асинхронный серводвигатель - асинхронный двигатель с датчиком обратной связи, специально спроектированным для работы от преобразователя частоты.

Синхронный линейный двигатель - линейный синхронный серводвигатель переменного тока с возбуждением от постоянных магнитов.

2. Характеристики синхронных и асинхронных серводвигателей

Характеристики синхронных серводвигателей

Характеристики асинхронных серводвигателей

Высокая динамика.

Средняя... высокая динамика.

Умеренно хорошие характеристики регулирования при больших моментах инерции нагрузки.

Хорошие характеристики регулирования при больших моментах инерции нагрузки.

Высокая перегрузочная способность до 6 Мн (номинального момента, зависит от типа двигателя).

Высокая перегрузочная способность (почти 3-кратная).

Высокая допустимая тепловая нагрузка в длительном режиме по всему диапазону частоты вращения.

Высокая допустимая тепловая нагрузка в длительном режиме в зависимости от частоты вращения.

Охлаждение посредством конвекции, теплоотвода и теплового излучения.

Охлаждение крыльчаткой на валу или принудительное.

Высокое качество регулирования частоты вращения.

Возможность длительной работы с пусковым моментом на низких скоростях.

Из-за высокой тепловой нагрузки невозможна длительная работа в нижнем диапазоне частоты вращения без вентилятора принудительного охлаждения.

Широкий диапазон регулирования частоты вращения, 1:5000 и более (зависит от преобразователя).

Пульсация вращающего момента (Cogging) на низкой частоте вращения.

Практически полное отсутствие пульсации вращающего момента (Cogging).

3. Устройство синхронных серводвигателей

Основными элементами конструкции синхронного серводвигателя являются:

Ротор с постоянными магнитами;

Статор с соответствующей обмоткой;

Элементы для подключения в виде штекерного разъема или клеммной коробки;

Датчик обратной связи.

Различают следующие варианты синхронных серводвигателей:

Исполнение с корпусом - корпусные двигатели;

Исполнение без корпуса - бескорпусные двигатели.

Исполнение без корпуса означает, что роль корпуса двигателя выполняет пакет пластин статора. Это позволяет полностью использовать весь профиль пакета стальных пластин.

Исполнение с корпусом: двигатель CMP;

Исполнение с корпусом: двигатель CM/DS;

Исполнение без корпуса: двигатель CMD. 

3.1 Устройство двигателя CMP

Серводвигатели CMP отличаются очень высокой динамикой, низким моментом инерции ротора, компактностью и высокой удельной мощностью.

Серводвигатели CMP - это двигатели с корпусом.


Рис. 3. Устройство синхронного серводвигателя CMP компании SEW-EURODRIVE

1 - Компенсационная шайба

2 - Радиальный шарикоподшипник

4 - Радиальный шарикоподшипник

5 - Сигнальный штекерный разъем SM / SB

6 - Силовой штекерный разъем SM / SB

7 - Крышка корпуса

8 - Прокладка

9 - Резольвер

10 - Задний подшипниковый щит

11 - Корпус со статором

13 - Манжета

Характеристики и опции двигателя CMP

Перегрузочная способность до 4,5*Мн (номинального момента).

Статор с зубцовой обмоткой.

Изменяемое расположение штекерных разъемов.

3.2 Устройство двигателя CM/DS

Серводвигатели CM/DS отличаются широким диапазоном вращающего момента, хорошими характеристиками регулирования при больших моментах инерции нагрузки, применением мощного рабочего тормоза и разнообразием опций.

Серводвигатели CM/DS - это двигатели с корпусом.


Рис. 4. Устройство синхронного серводвигателя CM компании SEW-EURODRIVE

2 - Подшипниковый щит с фланцем

4 - Корпус со статором

5 - Задний подшипниковый щит

7 - Резольвер

8 - Корпус штекерного разъема

9 - Штекер силового кабеля, в сборе

10 - Штекер сигнального кабеля, в сборе

11 - Тормоз, в сборе

Характеристики и опции двигателя CM/DS

Перегрузочная способность до 4*Мн (номинального момента).

Статор с шаблонной обмоткой.

Возможность монтажа на стандартные редукторы и редукторы для сервопривода через адаптор.

Возможность прямого монтажа на редуктор.

Возможность установки резольвера или датчика абсолютного отсчета с высокой разрешающей способностью.

Штекерный разъем или клеммная коробка.

Вентилятор принудительного охлаждения (опция).

Рабочий тормоз (опция).

Датчик TF или KTY для тепловой защиты двигателя. 2-й вал со стороны датчика (опция).

Усиленные подшипники (опция).

3.3 Устройство двигателя CMD

Серводвигатели CMD отличаются особой компактностью, оптимальным выбором частоты вращения и набором опций для установок с прямым (безредукторным) приводом.

Серводвигатели CMD - это двигатели без корпуса.


Рис. 5. Устройство синхронного серводвигателя CMD компании SEW-EURODRIVE

2 - Подшипниковый щит с фланцем

3 - Радиальный шарикоподшипник

4 - Статор

5 - Задний подшипниковый щит

6 - Радиальный шарикоподшипник

7 - Резольвер

8 - Разъем сигнального кабеля

9 - Разъем силового кабеля

Характеристики и опции двигателя CMD

Почти 6-кратная перегрузочная способность.

Статор с шаблонной обмоткой.

Тормоз с катушкой 24 В (опция).

Возможность установки резольвера или датчика абсолютного отсчета с высокой разрешающей способностью.

Датчик KTY для тепловой защиты двигателя.

3.4 Конструкция ротора

Ротор синхронных серводвигателей оснащен постоянными магнитами.

Рис. 6.

1 - Наклеенные магниты

Эти магниты, как правило, изготавливаются из спеченного редкоземельного материала неодим-железо-бор. Магнитные свойства этого материала значительно превосходят свойства обычных ферритовых магнитов. Это позволяет сделать конструкцию более компактной при равной выходной мощности.

Сервоприводы и механизмы оснащены датчиком, который отслеживает определенный параметр, например усилие, положение или скорость, а также управляющий блок в виде электронного устройства. Задачей этого устройства является поддержание необходимых параметров в автоматическом режиме во время функционирования устройства, в зависимости от вида поступающего сигнала от датчика в определенные периоды времени.

Устройство и работа

От обычного электродвигателя сервопривод отличается тем, что можно задать точное положение вала в градусах. Сервоприводы – это любые механические приводы, которые включают в себя датчик некоторого параметра и блок управления, который способен автоматически поддерживать требуемые параметры, соответствующие определенным внешним значениям.

1 — Шестерни редуктора
2 — Выходной вал
3 — Подшипник
4 — Нижняя втулка
5 — Потенциометр
6 — Плата управления
7 — Винт корпуса
8 — Электродвигатель постоянного тока
9 — Шестерня электродвигателя

Для преобразования электрической энергии в механическое движение, необходим . Приводом является редуктор с электродвигателем. Редуктор требуется для снижения скорости двигателя, так как скорость слишком большая для применения. Редуктор состоит из корпуса, в котором расположены валы с шестернями, способными преобразовывать и передавать крутящий момент.

Путем запуска и останова электродвигателя можно приводить в движение выходной вал редуктора, который связан с шестерней сервопривода. К валу можно присоединять устройство или механизм, которым требуется управлять. Кроме этого для контроля положения вала требуется наличие датчика обратной связи. Этот датчик может преобразовать угол поворота снова в сигнал электрического тока.

Такой датчик получил название энкодера. В качестве энкодера может применяться потенциометр. Если бегунок потенциометра поворачивать, то будет изменяться его сопротивление. Значение этого сопротивления прямо пропорционально зависит от угла поворота потенциометра. Таким образом, есть возможность добиться установки определенного положения механизма.

Кроме выше названного потенциометра, редуктора и электродвигателя, сервоприводы оснащены электронной платой, которая обрабатывает поступающий сигнал внешнего значения параметра от потенциометра, сравнивает, и в соответствии с результатом сравнения запускает или останавливает электродвигатель. Другими словами эта электронная начинка отвечает за поддержку отрицательной обратной связи.

Подключение сервопривода осуществляется тремя проводниками, два из которых подают питание напряжением электродвигателя, а по третьему проводнику поступает сигнал управления, с помощью которого выполняется установка положения вала двигателя.

Кроме электродвигателя, играть роль привода может и другой механизм, например пневматический цилиндр со штоком. В качестве датчика обратной связи применяют также датчики поворота угла, либо . Управляющий блок является сервоусилителем, индивидуальным инвертором. Он может содержать также и датчик сигнала управления.

При необходимости создания плавного торможения или разгона для предотвращения чрезмерных динамических нагрузок двигателя, выполняют схемы более сложных микроконтроллеров управления, которые могут контролировать позицию рабочего элемента намного точнее. Подобным образом выполнено устройство привода установки позиции головок в компьютерных жестких дисках.

Виды сервоприводов

При необходимости создания управления несколькими группами сервоприводов используют контроллеры с ЧПУ, которые собраны на схемах программируемых логических контроллеров. Такие сервоприводы способны обеспечить крутящий момент 50 Н*м, мощностью до 15 киловатт.

Синхронные способны задать скорость вращения электродвигателя с большой точностью, так же как ускорение и угол поворота. Синхронные виды приводов могут быстро достигать номинальной скорости вращения.

Асинхронные способны точно выдерживать скорость даже на очень низких оборотах.

Сервоприводы принципиально разделяют на электромеханические и электрогидромеханические . Электромеханические приводы состоят из редуктора и электродвигателя. Но их быстродействие оказывается намного меньше. В электрогидромеханических приводах движение создается путем движения поршня в цилиндре, вследствие чего быстродействие оказывается на очень высоком уровне.

Характеристики сервоприводов

Рассмотрим основные параметры, которые характеризуют сервоприводы:

  • Усилие на валу . Этот параметр является крутящим моментом. Это наиболее важный параметр сервопривода. В паспортных данных чаще всего указывается несколько значений момента для разных величин напряжения.
  • Скорость поворота также является важной характеристикой. Она указывается в эквиваленте времени, необходимом для изменения позиции выходного вала привода на 60 градусов. Этот параметр также могут указывать для нескольких значений напряжения.
  • Тип сервоприводов бывает аналоговый или цифровой.
  • Питание . Основная часть сервоприводов функционирует на напряжении 4,8-7,2 вольта. Питание подается чаще всего по трем проводникам: белый – сигнал управления, красный – напряжение работы, черный – общий провод.
  • Угол поворота – это наибольший угол, на который выходной вал способен повернуться. Чаще всего этот параметр равен 180 или 360 градусов.
  • Постоянного вращения . При необходимости обычный сервопривод можно модернизировать для постоянного вращения.
  • Материал изготовления редуктора сервоприводов бывает различным: карбон, металл, пластик, либо комбинированный состав. Шестерни, выполненные из пластика, не выдерживают ударных нагрузок, однако обладают высокой износостойкостью. Карбоновые шестерни намного прочнее пластмассовых, но имеют высокую стоимость. Шестерни из металла способны выдержать значительные нагрузки, падения, но имеют низкую износостойкость. Выходной вал редуктора устанавливают по-разному на разных моделях: на втулках скольжения, либо на шариковых подшипниках.


Преимущества
  • Легкость и простота установки конструкции.
  • Безотказность и надежность, что важно для ответственных устройств.
  • Не создают шума при эксплуатации.
  • Точность и плавность передвижений достигается даже на малых скоростях. В зависимости от поставленной задачи разрешающая способность может настраиваться работником.
Недостатки
  • Сложность в настройке.
  • Повышенная стоимость.

Применение

Сервоприводы в настоящее время используются достаточно широко. Так, например, они применяются в различных точных приборах, промышленных роботах, автоматах по производству печатных плат, станках с программным управлением, различные клапаны и задвижки.

Наиболее популярными стали быстродействующие приводы в авиамодельном деле. Серводвигатели имеют достоинство в эффективности расхода электрической энергии, а также равномерного движения.

В начале появления серводвигателей использовались коллекторные трехполюсные моторы с обмотками на роторе, и с постоянными магнитами на статоре. Кроме этого, в конструкции двигателя был узел с коллектором и щетками. Далее, по мере технического прогресса число обмоток двигателя увеличилось до пяти, а момент вращения возрос, так же как и скорость разгона.

Следующим этапом развития серводвигателей было расположение обмоток снаружи магнитов. Этим снизили массу ротора, уменьшили время разгона. При этом стоимость двигателя увеличилась. В результате дальнейшего проектирования серводвигателей было решено отказаться от наличия коллектора в устройстве двигателя. Стали применяться двигатели с постоянными магнитами ротора. Мотор стал без щеток, эффективность его возросла вследствие увеличения крутящего момента, скорости и ускорения.

В последнее время наиболее популярными стали сервомоторы, работающие от программируемого контроллера (Ардуино). Вследствие этого открылись большие возможности для проектирования точных станков, роботостроения, авиастроения (квадрокоптеры).

Так как приводы с моторами без коллекторов обладают высокими функциональными характеристиками, точным управлением, повышенной эффективностью, они часто применяются в промышленном оборудовании, бытовой технике (мощные пылесосы с фильтрами), и даже в детских игрушках.

Сервопривод отопления

По сравнению с механической регулировкой системы отопления, электрические сервоприводы являются наиболее совершенными и прогрессивными техническими устройствами, обеспечивающими поддержание параметров отопления помещений.


1 — Блок питания
2 — Комнатные термостаты
3 — Коммутационный блок
4 — Серводвигатели
5 — Подающий коллектор
6 — Обход
7 — Водяной теплый пол
8 — Обратный коллектор
9 — Датчик температуры воды
10 — Циркулярный насос
11 — Шаровый клапан
12 — Регулировочный клапан
13 — Двухходовой термостатический клапан

Привод системы отопления функционирует совместно с термостатом, установленным на стену. Кран с электрическим приводом монтируется на трубе подачи теплоносителя, перед коллектором теплого водяного пола. Далее выполняется подключение питания 220 вольт и настройка терморегулятора рабочего режима.

Система управления оснащается двумя датчиками. Один из них расположен в полу, другой в помещении. Датчики передают сигналы на термостат, управляющий сервоприводом, который соединен с краном. Повысить точность регулировки можно путем установки дополнительного прибора снаружи помещения, так как условия климата непрерывно изменяются, и оказывают влияние на температуру в комнате.

Привод механически соединен с клапаном для его управления. Клапаны могут быть двух- и трехходовыми. Двухходовой клапан может изменять температуру воды в системе. Трехходовой клапан способен поддерживать температуру неизменной, однако изменяет потребление горячей воды, которая подается в контуры. В устройстве трехходового клапана имеется два входа для горячей воды (трубы подачи) и выход обратной воды, через который подается смешанная вода с заданной температурой.

Смешивание воды происходит с помощью клапана. При этом осуществляется регулировка подачи теплоносителя в коллекторы. При открывании одного входа, другой начинает закрываться, а расход воды на выходе не изменяется.

Сервоприводы багажника

В настоящее время современные автомобили чаще всего стали производит с функцией автоматического открывания багажника. Для такой цели применяют рассмотренную нами конструкцию сервопривода. Автопроизводители используют два метода для оснащения такой функцией автомобиля.

Конечно, пневмопривод багажника более надежен, однако его стоимость достаточно высока, поэтому в автомобилях такой привод не нашел применения.

Электрический привод выполняется с разными способами управления:

  • Рукояткой на крышке багажника.
  • Кнопкой на панели двери водителя.
  • С пульта сигнализации.

Открывать багажник вручную не всегда бывает удобным. Например, зимой замок имеет свойство замерзать. Сервопривод дополнительно выполняет функцию защиты автомобиля от чужого проникновения, так как совмещен с устройством замка.

Такие приводы багажника используются на некоторых импортных автомобилях, однако, можно установить такой механизм и на отечественных машинах, было бы желание.

Существуют приводы багажника с магнитными пластинами, однако они не нашли применения, так как их устройство достаточно сложное.

Наиболее приемлемыми по цене являются сервоприводы багажника, которые выполняют только открывание. Функция закрывания для них недоступна. Также можно выбрать конструкцию модели привода, имеющего инерционный механизм. Он играет роль блокировки при появлении препятствия при движении багажника.

Дорогостоящие модели сервоприводов включают в себя механизм подъема и опускания багажника, доводчика механизма запирания, датчиков и контроллера. Обычно их на автомобилях устанавливают на заводе, однако простые конструкции вполне можно монтировать самостоятельно.

Многие задают вопрос: сервопривод - что это такое? Классическая конструкция сервопривода включает в себя двигатель, датчик позиционирования и трехконтурную управляющую систему (регуляция позиции, скорости и тока).

Слово «серво» имеет латинское происхождение «servus», дословно переводится как «раб», «помощник», «прислужник».

В машиностроительной отрасли устройства выступали в роли вспомогательных компонентов (привод подачи в станке, роботе и т.д.). Однако сегодня ситуация поменялась, и главное назначение сервопривода заключено в реализации в области сервомеханизмов.

Установка сервопривода оправдана в том случае, когда обычные регулируют точность работы в недостаточной мере.

Применение приборов высокого качества необходимо в оборудовании, отличающемся высоким уровнем производительности.

В этой статье будет рассказано про сервопривод, что это такое и как он функционирует.

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 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.

Сервоприводы на багажник автомобиля

Существует множество моделей сервоприводов для багажника машины от разных производителей. Рассмотрим функциональность такого устройства, как сервопривод багажника от отечественного производителя «Автозебра». Устройство рассчитано на российские автомобили, но не только. К примеру, оно может использоваться в автомобиле «Рено Логан».

По отзывам пользователей, эта конструкция отличается удобством. Она позволяет, не выходя из авто, осуществлять открывание и закрывание багажника.

Управление устройством осуществляет посредством кнопки, вмонтированной в салон автомобиля или же в

Причина широкого использования прибора

Причиной частого применения сервоприводов стали:

  • возможность получения управления, отличающегося высокой точностью и стабильным функционированием;
  • широкий диапазон контроля скорости;
  • высокий уровень устойчивости к помехам;
  • маленький размер и вес устройства.

Принцип функционирования сервопривода

Как же работает устройство? Сервопривод, принцип работы которого основан на обратной связи с одним или более системными сигналами, регулирует объект. Выходной показатель устройства поступает на вход, где идет сравнение с задающим действием.

Особенности механизма

Устройство сервопривода обладает двумя основными особенностями:

  • способностью повышать мощность;
  • обеспечением обратной информационной связи.

Усиление требуется с той целью, что нужная на выходе энергия очень высока (поступает из внешнего источника), а на входе ее показатель незначителен.

Обратная связь — это не что иное, как контур с замкнутой схемой, в котором сигналы не согласованы на входе и выходе. Этот процесс применяется для управления.

Отсюда вытекает вывод: контур при прямом направлении служит передатчиком энергии, а при обратном направлении — передатчиком информации, которая нужна для точности управления.

Питание и цоколевка разъемов устройства

Сервопривод, принцип работы которого применим в радиоуправляемых конфигурациях, обычно обладает тремя проводами:

  1. Сигнализирующим. По нему осуществляется передача управляющего импульса. Как правило, провод окрашен в белый, желтый или же красный цвет.
  2. Питающим. Показатель его мощности составляет от 4,8 до 6 В. Зачастую, это красный провод.
  3. Заземляющим. Провод черный или коричневый.

Размеры приводов

По размерам агрегаты подразделяются на три категории:

  • микроприводы;
  • стандартные модификации;
  • крупные устройства.

Встречаются сервоприводы и с другими показателями размеров, однако вышеперечисленные виды составляют 95% от всех устройств.

Основные характеристик изделия

Работа сервопривода характеризуется двумя основными показателями: скоростью поворота и усилия на валу. Первая величина служит показателем времени, которое измеряется в секундах. Усилие мерится в кг/см, то есть, какой уровень усилия развивает механизм от центра вращения.

Вообще данный параметр находится в зависимости от основного назначения устройства, а уже потом от числа передач редуктора и используемых в устройстве узлов.

Как уже упоминалось, сейчас выпускают механизмы, функционирующие при показателе напряжения питания от 4,8 до 6 В. Чаще этот показатель равен 6 В. Однако не все модели рассчитаны на широкий диапазон напряжений. Иногда двигатель сервопривода работает лишь при 4,8 В или же только при 6 В (последние конфигурации производятся крайне редко).

Аналоговые и цифровые модификации

Несколько лет тому назад все сервосхемы были аналоговыми. Сейчас появились и цифровые конструкции. В чем же разница их работы? Давайте обратимся к информации официального характера.

Из отчета фирмы Futaba следует, что за последнее десятилетие сервоприводы стали отличаться более хорошими техническими показателями, чем раньше, а также малыми размерами, высоким уровнем скорости вращения и показателем элементов кручения.

Последний виток развития — появление устройства на цифровой основе. Эти агрегаты обладают существенными преимуществами даже перед моторами коллекторного типа. Хотя имеются и некоторые минусы.

Внешне аналоговые и цифровые устройства неразличимы. Отличия фиксируются лишь на платах устройств. Вместо микросхемы на цифровом агрегате можно увидеть микропроцессор, анализирующий сигнал приемника. Он и управляет двигателем.

Совершенно неправильно говорить о том, что аналоговая и цифровая модификация в корне различаются при функционировании. Они могут обладать одинаковыми двигателями, механизмами и потенциометрами

Основным отличием является способ переработки поступающего сигнала приемника и управление двигателем. В оба сервопривода поступает одинаковый по мощности сигнал радиоприемника.

Таким образом, становится понятно, сервопривод, что это такое?

Принцип работы аналоговой модификации

В аналоговой модификации полученный сигнал сравним с текущим положением сервомотора, а затем на двигатель поступает сигнал усилителя, вызывающий перемещение двигателя в заданную позицию Показатель частоты процесса составляет 50 раз за одну секунду. Это минимальный показатель времени реагирования. Если же вы отклоните ручку на передатчике, то на сервопривод начнут поступать короткие импульсы, промежуток между которыми станет равняться 20 м/сек. Между импульсами на мотор ничего не поступает, и воздействие извне может изменить функционирование устройства в любую сторону. Этот временной промежуток называется «мертвая зона».

Принцип работы цифровой конструкции

Цифровыми устройствами используется специальный процессор, функционирующий на высоких частотах. Он обрабатывает сигнал приемника и посылает импульсы управления в двигатель с показателем частоты в 300 раз в секунду. Так как показатель частоты значительно выше, то и реакция заметно быстрее и держит позицию лучше. Это вызывает оптимальное центрирование и высокий уровень кручения. Но такой метод требует больших затрат энергии, поэтому батарея, используемая в аналоговом механизме, в этой конструкции будет разряжаться намного быстрее.

Однако все пользователи, которые хоть однажды столкнулись с цифровой моделью, говорят о том, что ее различие с аналоговой конструкцией настолько значительно, что они никогда бы больше не употребляли последнюю.

Заключение

Вашим выбором станут цифровые аналоги, если вам требуются:

  • высокий уровень ;
  • минимальное количество «мертвых зон»;
  • точный уровень позиционирования;
  • быстрая реакция на команду;
  • беспеременное усилие на валу при повороте;
  • высокий уровень мощности.

Теперь вы знаете, что такое сервопривод и как его использовать.