Сервопривод (следящий привод)
- привод с управлением через
отрицательную
обратную связь, позволяющую точно управлять параметрами движения.
Сервоприводом является любой тип механического привода (устройства,
рабочего органа), имеющий в составе датчик (положения, скорости, усилия и т. п.)
и блок управления приводом (электронную схему или механическую систему тяг),
автоматически поддерживающий необходимые параметры на датчике (и, соответственно,
на устройстве) согласно заданному внешнему значению (положению ручки управления
или численному значению от других систем).
Материал из Википедии -
свободной энциклопедии
Сервопривод - это система привода, которая в широком диапазоне регулирования скорости обеспечивает динамичные, высокоточные процессы и обеспечивает хорошую их повторяемость. Это система, предназначенная для отработки момента, скорости и позиции с заданной точностью и динамикой. Классический сервопривод состоит из двигателя, датчика позиции и системы управления, имеющей три контура регулирования (по позиции, скорости и току).
Слово «серво» произошло от латинского слова «servus», что переводится как слуга, раб, помощник. В машиностроительных отраслях они были преимущественно вспомогательными приводами (приводы подач в станках, приводы роботов и т.п.). Однако сегодня ситуация изменилась, теперь и главные приводы реализуются с использованием сервотехники.
В настоящее время, сервоприводы применяются там, где недостаточно точности регулирования обычных общепромышленных преобразователей частоты. Применение высококачественных сервоприводов необходимо в высокопроизводительном оборудовании, где главным критерием является производительность. Сервоприводами оснащаются прецизионные системы поддержания скорости и позиционирования промышленных роботов и высокоточных станков. Сервоприводы также устанавливаются на координатно-сверлильных станках, на различных технологических транспортных системах, на различных вспомогательных механизмах и др. В приводах подач современных станков с ЧПУ обеспечивающих перемещения рабочих органов станка, на сегодняшний день применяются в основном шаговые двигатели, либо сервоприводы .
Универсальный сервопривод
Универсальный сервопривод характеризуется богатым набором функций, возможностью управления серводвигателями различного типа (как синхронными, так и асинхронными), возможностью работы с различными датчиками обратной связи, а также наличием ряда опций и расширений. Рассмотрим универсальный Сервопривод на примере KEB F5-Multi (Германия) и Control Techniques Unidrive SP. (Англия)
Сервопривод на базе KEB F5-Multi
Сервопривод КЕВ" align="RIGHT" width="20%" border="0">Контроллер элеткропривода с контуром обратной связи для синхронных и асинхронных двигателей. Специально разработан для для работы в замкнутом контуре, возможны ращличные варианты обратной связи с:
резольвером
энкодером
Sin-Cos датчиком положения
абсолютным датчиком положения
EnDat, Hiperface или тахогенератором
Основные возможности и характеристики:
широкий диапазон мощностей
напряжение питания 220 или 380 В
возможно питание постоянным током
бессенсорное управление двигателем
гальванически развязанные аналоговые и цифровые входы/выходы
релейные и транзисторные программируемые выходы
Возможна реализация концепции децентрализованного управления системой приводов, благодаря наличию:
регулирования скорости вращения и вращающего момента
управления позиционированием
режимов согласованного вращения
Кулачковых переключателей
Электронного кулачкового диска
Одноосевого позиционирования
Позиционирования поворотного стола
Все привода поддерживают последовательные интерфейсы Profibus, CAN, Sercos, InterBus, DeviceNet, Modbus, Ethernet, Ethercat, Powerlink, Profinet и KEB-HSP5 / DIN 66019-II.
Исполнительный и специальный Сервопривод
Исполнительный сервоприод работает под управлением контроллера движения, имеет ограниченный набор функций и настроек, прост в работе. В следствии этого исполнительный сервоприод является более экономичным. Рассмотрим исполнительные cервоприводы на примере синхронных cервоприводов Mecapion.
Исполнительный сервопривод Mecapion
Синхронные Сервоприводы Mecapion (ex. Metronix) - базовый продукт для системных решений в области промышленной автоматизации давно знакомый российским потребителям.
Основные особенности cервоприводов Metronix
диапазон мощностей от 0,03 до 11 кВт
встроенный комплект рекуператора, позволяющий возвращать энергию в сеть, и встроенный ключ сброса энергии при динамических торможениях
тестовый режим работы преобразователей частоты
функции устранения вибраций при вращении двигателя и его останове позволяют исключить работу преобразователя частоты в колебательном режиме как при наладке, так и в эксплуатации
возможность использования как относительных, так и абсолютных инкрементальных датчиков положения
выбор режима работы системы управления - управление по скорости или по моменту
наличие расширенного пакета программного обеспечения позволяет легко и быстро менять функции преобразователя частоты и решать на его базе различные технические задачи (в т. ч. по реализации управления приводами подачи)
наличие в линейке продукции Metronix двигателей с полым валом позволяет исключить из кинематической схемы промежуточное устройство - соединительную муфту
программируемые выходы позволяют строить системы с высокой степенью защиты от различных нештатных ситуаций и с максимальной информативностью для оператора
Серия VS - стандартная общепромышленная, реализует управление по скорости, моменту (±10 В) и положению (step/dir).
Преобразователи частоты серии VS могут работать в следующих режимах:
управление позицией при использовании внешнего контроллера, задающего последовательность импульсов.
управление скоростью по аналоговому входу или дискретным входам.
управление моментом по аналоговому входу в режиме ограничения максимального момента.
управление скоростью/позицией.
управление скоростью/моментом.
управление позицией/моментом.
Специальная серия VP предназначена для выполнения специальных задач:
линейно-координатное позиционирование с возможностью выбора до 64 позиций шестью дискретными входами (VP1), типичная сфера применения - обеспечение линейного перемещения в системах с трансмиссией на ШВП
угловое позиционирование с возможностью выбора до 32 позиций пятью дискретными входами (VP2), типичная сфера применения - поворотные столы, роторные конвейерные линии, устройства автоматической смены инструмента и т. п.
позиционирование с использованием подачи дотягивания (VP3), типичная сфера применения - упаковочные машины, всевозможные виды подающих устройств с позиционированием как по сигналу с энкодера на валу двигателя, так и по по метке внешнего дискретного датчика
программируемое пошаговое позиционирование с возможностью выбора до 8 программ тремя дискретными входами (VP5), каждая программа может иметь до 100 шагов (позиций), сохраняемых в памяти преобразователя частоты
для связи преобразователя частоты VS и персонального (промышленного) компьютера используется встроенный СОМ-порт, при необходимости через конвертор RS232/RS485 преобразователи частоты можно объединить в сеть
Интегрированный Сервопривод
align="RIGHT" width="30%" border="0">Главной отличительной чертой, а так же подавляющим преимуществом, интегрированного cервопривода является заключение двигателя, контроллера, датчика обратной связи и преобразователя частоты в едином корпусе. Что сводит к минимуму монтажные операции, упрощает подключение и настройку, сокращает время на отладочные работы, значительно экономит место, а так же положительно сказывается на стоимости cервопривода .
На российском рынке уже успели себя отлично себя проявить и зарекомендовать отечественные интегрированные шаговые cервоприводы СПШ .
бесшаговое (векторное) управление на основе адаптированного для шаговых двигателей алгоритма
высокие динамические показатели за счет использования замкнутых контуров регулирования токов в обмотках двигателя
использование замкнутых контуров скорости
низкая вибрация за счет динамически регулируемого усилия
продуманная конструкция и простой монтаж
компактные размеры и небольшая масса
Режимы работы cервопривода СПШ
Динамический - управляющий сигнал от контроллера верхнего уровня передается через цифровой интерфейс в режиме реального времени. Динамический режим используется в системах, требующих контурного управления (например, в манипуляторах со сложной кинематикой и координатных столах для точного позиционирования).
Аналоговый - управление по скорости сигналом ±10 В. Данный режим позволяет использовать привод для модернизации оборудования с аналоговыми системами управления или для управления вручную (например, с помощью штурвала).
Циклический - выполнение запрограммированных контроллером верхнего уровня и сохраненных в памяти привода циклических операций. В ряде случаев это позволяет исключить внешний контроллер верхнего уровня или СЧПУ. Циклический режим используется, например, на конвейерах и в несложных сборочных операциях.
Сетевой - данный режим позволяет пользователю строить распределённые сервосистемы на основе цифрового интерфейса CAN, реализовывать синхронное или последовательное перемещение нескольких осей. В этом случае также возможно использование режима «master-slave», в котором ведомый привод работает в режиме повторителя положения вала ведущего.
Сервопривод (лат.servus - слуга, помощник; следящий привод) — привод с управлением через отрицательную обратную связь, позволяющую точно управлять параметрами движения.
Сервопривод чаще всего встречается в робототехнике. Без него невозможно обойтись, особенно когда речь идет о решении задачи точного перемещения грузов или предметов. Такая задача возникает при выполнении какой-либо механической работы (покраска, сварка, шлифовка, перемещение изделий на конвейере и т. д.). Выполняют такую работу манипуляторы, которые выглядят как механические руки. Собственно говоря, знаменитая промышленная робототехника, которая используется для автоматизации производства по всему миру, представлена прежде всего манипуляторами. И не один такой манипулятор не обходится без сервоприводов, которые приводят в действие его звенья. Почему?
Все дело в свойствах сервопривода. Сервопривод — это привод, в котором используется отрицательная обратная связь, позволяющая точно управлять параметрами движения исполнительного(выходного) звена привода (чаще всего это выходной вал). Для создания такой обратной связи обычно используется датчик положения выходного звена сервопривода, но могут применяться и датчики скорости, усилия и т. д. Получается, что сервопривод — это привод, на который подается сигнал, указывающий выдвинуться или повернуться в определенное положение. Он в это положение устанавливается и «ждет», пока не поступит команда об изменении положения. Например, подается сигнал об установке вала в угловое положение 90 градусов. Вал поворачивается в это положение и держит его, пока не придет сигнал о новом положении. Такие возможности управления серьезно отличают сервопривод от обычного мотор-редуктора, который способен только непрерывно вращаться, пока на него подано напряжение. В результате, если такими приводами оснащен робот, то он может двигаться подобно руке человека и выполнять всю ту работу, которую можем выполнять мы.
Разновидностей сервоприводов в промышленности многоВ этой статье мы будем рассматривать электрические сервоприводы вращательного действия. Проще говоря, у таких сервоприводов выходным исполнительным звеном является вращающийся вал. Для простоты мы рассмотрим устройство хобби-сервопривода SG-90 (рис. 1), который активно применяется для создания учебных моделей роботов и прочих плавающих, летающих или ходящих механизмов. Хобби-сервопривод в отличие от промышленного существенно меньше по размерам, развивает меньшее усилие, по-другому управляется, но по общему принципу действия абсолютно идентичен промышленному собрату.
Рисунок 1
Устройство хобби-сервопривода показано на рисунке 2. В его состав входит электродвигатель, редуктор с набором шестеренок, потенциометр (выполняет функцию датчика положения для обратной связи), электронная плата управления электродвигателем и корпус, в который заключено все содержимое. На этом же рисунке показан провод, посредством которого сервопривод питается и управляется. Он состоит из 3-х жил: питание «плюс», питание «минус» и провод, на который подается управляющий сигнал. На разных моделях хобби-сервоприводов провода могут иметь разный цвет. Но практически всегда провод питания «плюс» окрашен в красный цвет, а провод питания «минус» - в черный. В отношении же сигнального провода (для передачи управляющего сигнала) четких цветовых стандартов нет. У разных производителей сервоприводов сигнальный провод может быть белым, оранжевым или желтым.
Рисунок 2
Для управления такими двигателями принят стандарт управляющего сигнала. Он представляет собой постоянно повторяющиеся импульсы или, как мы говорим, череду импульсов (Рис. 3). Частота этих импульсов все время остается постоянной и составляет 50 Гц. Получается, что временной период импульсов (время между передними фронтами соседних импульсов) составляет 1с/50 = 0,02 секунды, т. е. 20 миллисекунд.
Рисунок 3
Что интересно, угловое положение выходного вала сервопривода задается продолжительностью подаваемого импульса. Для пояснения на рисунке 4 показано приблизительное соотношение ширины импульса во временных координатах и угла поворота вала сервопривода. Управление поворотом вала сервопривода выполняется с помощью импульсов продолжительностью от 1 до 2 мс (миллисекунд).
Рисунок 4
Как видно из графика, для управления сервоприводом используется не что иное как сигнал с широтно импульсной модуляцией - ШИМ. Что такое ШИМ можно узнать из соответствующей статьи на нашем сайте.
А как ширина импульса превращается в угол вала на выходе?
Как указано на рисунке 2, в корпусе сервопривода присутствует еще и электронный модуль управления мотором. Подаваемый на сервопривод сигнал попадает на эту плату. А вот то, что происходит с этим сигналом дальше, показано на блок-схеме рисунок 5, которую мы проанализируем поэтапно. Каждый этап изображен прямоугольником или кружочком и пронумерован. Внутри этих прямоугольников изображены устройства, на которых происходит преобразование или обработка сигнала.
Рисунок 5
Итак, входной управляющие сигнал Sупр с ШИМ модуляцией приходит на специальную микросхему с логическими элементами, с помощью которой преобразуется в напряжение Uупр (этап №1). После этого сигнал Uупр (управляющее напряжение) поступает на элемент сравнения напряжений. Данный элемент называется сумматором, но на самом деле он из входного сигнала Uупр вычитает напряжение Uобр (напряжение обратной связи), приходящее через обратную связь с переменного резистора (этап №2).
Получившаяся разница Uкорр (корректирующее напряжение) усиливается встроенным усилителем (этап №3) и подается на электродвигатель. Мотор вращается (этап №4) и приводит в движение выходной вал сервопривода, а вместе с ним и датчик обратной связи в виде потенциометра. При вращении ручки потенциометра изменяется напряжение и получается, что поворот вала преобразуется в напряжение Uобр (этап №5). Это напряжение Uобр сравнивается (снова этап №2) с напряжением Uупр, и разница в виде Uкорр снова идет на усилитель (этап №3) и так далее. Сигнал «ходит» по цепи с обратной связью до тех пор, пока не выполнится соотношение Uупр = Uобр. Тогда Uкорр станет равно 0, и двигатель остановится. Произойдет это тогда, когда вал сервопривода займет положение, соответствующее входному управляющему сигналу Sупр.
Обобщим все сказанное. Вал сервопривода механически соединен с ручкой потенциометра. Из-за этого вместе с поворотом вала сервопривода поворачивается потенциометр, в результате чего изменяется его сопротивление и выходное напряжение Uобр. Соответственно, выходное напряжение с потенциометра Uобр прямо зависит от угла поворота сервопривода. Одновременно входной в сервопривод сигнал Sупр с продолжительностью импульсов от 0,001 до 0,002 секунды задает уровень напряжения Uупр, которое определяет угол на который должен повернуться вал сервопривода. Остановка электродвигателя в момент, когда вал сервопривода именно в нужном положении, достигается за счет вычитания из сигнала Uупр сигнала обратной связи Uобр. А усилитель этапа №3 необходим для того, чтобы на электродвигатель подавалось усиленное напряжение и двигатель переводил вал сервопривода в заданное положение максимально быстро.
Примеры управления серводвигателем
Как было сказано выше, для управления серводвигателем приминяется ШИМ с определенными параметрами. Сгенерировать такую ШИМ можно различными способами. Покажем некоторые из них.
1. Управление серводвигателем при помощи 555 таймера . Микросхема таймера 555 может работать в режиме генератора импульсов (подробнее об этой микросхеме читайте соответствующую статью). Следовательно можно подобрать такие параметры работы этой микросхемы, что бы она выдавала нужные нам импульсы. Путем изменения скважности этих импульсов, т. е. изменения продолжительности импульсов от 0,001 до 0,002 секунды, мы и будем задавать угол поворота вала сервопривода.
Для того чтобы реализовать ШИМ сигнал, необходимо использовать схему с регулируемой скважностью импульсов при неизменной частоте 50 Гц. Параметры компонентов на схеме (рис.6) подобраны таким образом, чтобы обеспечить эти условия. Но чтобы сигнал управления удовлетворял всем условиям, его необходимо инвертировать. Транзистор в схеме необходим именно для этого. Чтобы управлять скважностью в заданных пределах, потребовался бы потенциометр на максимальное сопротивление 20 кОм. Мы будем использовать два потенциометра по 10 кОм (так как именно такие потенциометры используются в Основном наборе 1-ого уровня Эвольвектор , где эта схема подробно описана. Рабочий ход серводвигателя составляет 180 градусов. В этом случае при вращении ручки одного потенциометра сервопривод будет поворачиваться на 90 градусов, а при дополнительном вращении другого — на вторые 90 градусов.
Рисунок 6
Более подробно изучить данную схему, а так же собрать ее, вы сможете купив Основной набор 1-ого уровня Эвольвектор .
2. Управление серводвигателем при помощи контроллера. Сгенерировать нужный сигнал ШИМ так же можно при помощи контроллера. Например можно использовать программируемый контроллер на платформе Ардуино. Чтобы максимально упростить программирование алгоритма управления серводвигателем (генерацию ШИМ) применяются заранее написанные программы, называемые библиотеками. Их сложный программный код скрыт от пользователя, предлагается только вызов нужных нам функций посредством коротких команд при подключении библиотеки к нашей основной программе. Все это делает сложное с алгоритмической точки зрения управление такими устройствами как серводвигатель крайне простым и удобным.
Схема подключения, а так же Скетч (программа) для управления серводвигателем контроллером Arduino показаны на рисунке 7.
Рисунок 7
ВНИМАНИЕ: Подключение питания серводвигателя к плате напрямую, как в нашем примере (рисунок 7), нежелательно. У нас на рисунке подключен один серводвигатель из категории «мини», потребляющий очень небольшие токи, отчего он вполне штатно работает, питаясь непосредственно от платы. Сервопривод стандартного размера требует большей мощности, что может привести к перегреву и повреждению контроллера. Подключение питания двигателей следует осуществлять только через отдельный источник, особенно если предполагается управление одновременно несколькими сервоприводами.
#include <Servo
.h>
- эта команда означает подключение библиотеки для управления сервоприводом. Эта библиотека присутствует на диске Эвольвектор, который поставляется совместно с нашими наборами 2-ого уровня. Так же её можно найти в интернете и положить в папку «libraries» вашей Arduino IDE.
Подключенная нами библиотека имеет большое количество команд, мы рассмотрим только те, который используются в программе.
Servo
dvig
; - это объявление переменной специального типа. dvig
- это переменная (название выбираем произвольно). Servo
- это тип переменной (специальный тип, который задается в присоединенной библиотеке). Можно задать до 12 переменных этого типа, то есть для управления 12 серво-приводами. Иными словами, этой командой мы сообщили плате, что у нас есть сервопривод, который мы назвали dvig
.
dvig.attach
(9);
- эта команда означает, что серво-привод (dvig
) присоединен к 9 пину (выводу).
dvig.write
(90)
; - эта команда заставляет сервопривод (dvig
) повернуться в среднее положение (90 градусов).
dvig.write
(0)
; - поворачивает сервопривод в положение 0 градусов.
dvig.write
(180)
; - поворачивает сервопривод в положение 180 градусов.
Что означают остальные строки в программе вы можете найти на страницах нашего сайта или узнать из учебных пособий которые входят в состав
Если еще совсем недавно синхронные электродвигатели применялись только в электроприводах большой мощности (во многих книгах экономически целесообразной мощностью называется мощность в 100 кВт и выше), при отсутствии необходимости регулировать частоту вращения и при длительном режиме работы, то в настоящее время эти, казавшиеся незыблемыми аксиомы, рушатся как карточный домик.
Сейчас современные синхронные двигатели в составе сервоприводов могут с успехом использоваться абсолютно во всех областях. И вполне может так сложится, что, как когдато частотно-регулируемый асинхронный электропривод в современных станках за очень короткое время практически полностью вытеснил двигатели постоянного тока из их традиционных областей применения, так и синхронный сервопривод может уже в самом ближайшем будущем стать эффективной заменой уже вполне привычном нам асинхронным электродвигателям, работающим в комплекте с частотными преобразователями. К этому есть все предпосылки. Единственное, что пока сдерживает триумфальное шествие синхронных сервоприводов - это их цена.
Давайте разберемся, чем так привлекательны современные сервоприводы использующие синхронные электродвигатели.
Что такое сервопривод
Сервопривод - это система привода, которая в широком диапазоне регулирования скорости обеспечивает динамичные, высокоточные процессы и обеспечивает хорошую их повторяемость. Это система, предназначенная для отработки момента, скорости и позиции с заданной точностью и динамикой. Классический сервопривод состоит из двигателя, датчика позиции и системы управления, имеющей три контура регулирования (по позиции, скорости и тока).
Где применяется сервопривод
Слово "серво" произошло от латинского слова "servus", что переводится как слуга, раб, помощник. В машиностроительных отраслях они были преимущественно вспомогательными приводами (приводы подач в станках, приводы роботов и т.п.). Однако сегодня ситуация изменилась, теперь и главные приводы реализуются с использованием сервотехники.
В настоящее время, сервоприводы применяются там, где недостаточно точности регулирования обычных общепромышленных преобразователей частоты. Применение высококачественных сервоприводов необходимо в высокопроизводительном оборудовании, где главным критерием является производительность. Сервоприводами оснащаются прецизионные системы поддержания скорости и позиционирования промышленных роботов и высокоточных станков. Сервоприводы также устанавливаются на координатно-сверлильных станках, на различных технологических транспортных системах, на различных вспомогательных механизмах и др. В приводах подач современных станков с ЧПУ обеспечивающих перемещения рабочих органов станка, на сегодняшний день применяются в основном шаговые двигатели либо сервоприводы.
Достоинства сервопривода:
1. Плавность и точность перемещений доступны даже на низких скоростях, разрешающая способность может выбираться пользователем в зависимости от решаемой задачи
2. Бесшумность работы
3. Надежность и безотказность, а следовательно, возможность использовать его в ответственных, не терпящих отказа устройствах.
4. Легкость монтажа конструкции.
Недостатки сервопривода:
1. Высокая стоимость
2. Сложность настройки, которая иногда делает применение сервопривода необоснованным.
То есть, сервоприводы на базе синхронного электродвигателя (серводвигателя), в настоящее время, наиболее целесообразно применять там, где требуется привод с высокой точностью и большой максимальной скоростью. Двигатель такого привода имеет встроенный датчик положения вала сигнал с которого подаётся на серво усилитель, а это существенно повышает точность и динамику сервопривода. Для создания одно или много координатных систем позиционирования используется специальный контроллер позиционирования.
Синхронные серводвигатели - это трехфазные синхронные электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов и датчиком положения ротора. Отличительная особенность синхронных серводвигателей - высокая выходная мощность при любой скорости в сочетании с небольшими размерами. Их основным достоинством является очень низкий момент инерции ротора относительно крутящего момента. Это позволяет реализовать очень высокое быстродействие. Достижимо время разгона на номинальную частоту вращения за десятки миллисекунд и реверс с полной скорости в пределах одного оборота вала двигателя.
Устройство и принцип работы синхронных электродвигателей с датчиком положения ротора очень хорошо рассмотрены в статье д.т.н. В. Понкратова "Вентильный электропривод: от стиральной машины до металлорежущего станка и электровоза" ("Электронные компоненты", #2 2007).
Серводвигатели могут различаться формой, размерами и конструкцией - от больших низкоскоростных прямопри-водных роторных двигателей с большим крутящим моментом до компактных устройств с малоинерционым ротором, обеспечивающим оптимальный разгон и торможение, безкорпусных двигателей, линейных двигателей, создающих большую тяговую силу при огромных ускорениях и скоростях.
Современные качественные серводвигатели выпускаются большим количеством производителей за рубежем. Фактически, каждая фирма выпускающая частотные преобразователе имеет в своем каталоге и ряд моделей севроприводов и севрводвигателей для них. Наииболее популярные модели синхронных серводвигателей выпускают немецкая LENZE (один из европейских лидеров в технологии привода и комплектных систем управления), Siemens, OMRON, Mitsubishi Electric, DELTA ELECTRONIСS и т. д.. На выпуске оригинальных моделей сервоприводов специализируются такие компании, как, Fagor Automation, Sew-Eurodrive, Rockwell Automation, Emerson Control Techniques, Baldor Electric и многие другие.
Управление серводвигателем осуществляется при помощи специального блока, который получает сигналы от датчика обратной связи, встроенного в сервомотор. Блок управления обычно имеет множество опций для работы от ПК, встроенные интерфейсы позволяют использовать его в промышленности. Многочисленные настройки и нюансы работы обычно загружаются в привод через ПК. Далее возможна автономная работа и управление без компьютера.
Конкретный пример: сервоприводы семейства ‘Position Servo’ компании Lenze построены по принципу «все в одном». От простого управления моментом до возможностей встроенного контроллера PLC. Возможны различные режимы управления: моментом, скоростью вращения, ведущим-ведомым с электронным редуктором. Перегрузочная способность – 300% от номинального тока в течение 2 секунд. Высокоскоростной обмен данными осуществляется по интерфейсам Ethernet или CANopen, датчики обратной связи – энкодер или резольвер. Сервоприводы Position Servo весьма компактны – привод на ток 12 А имеет габаритные размеры всего лишь 115 мм х 190 мм х 190 мм. По цене – сервопривод с синхронным вентильным двигателем на 3460 Вт, 3000 об.\мин. (макс. 5000 об.\мин.), степени защиты IP65 стоит 2300 рублей.
Сервопривод - самый передовой и современный вид двигателя. Он предназначен для использования в сферах управления движением, нуждающихся в высокой точности позиционирования. Знание того, как работает сервопривод, позволяет понять его растущую востребованность в автоматизации промышленных процессов и потребительской технике.
Доцифровая эра
Название Le-Servomoteur впервые использовалось Жозефом Фарко в 1868 году для описания гидравлических и паровых двигателей, применяемых в судостроении. Фактическое значение этого слова утрачено со временем, но можно предположить, что оно представляло собой каламбур из французского cerveau (мозг) и латинского servus (служить). В широком смысле этот термин был введён не для подчёркивания полезности или сложности моторов, а акцентировал внимание на их свойстве служить командам комплекса управления движителем. То есть привод имеет обратную связь с остальной системой и откликается на её сигналы.
В 1898 году Тесла экспериментировал с беспроводным управлением моделями кораблей, оснащёнными контакторными серводвигателями, а в 1911 Хобарт уже поместил термин «серводвигатель» в свой словарь. К 1915 году это слово прочно закрепилось в среде англоязычных инженеров-электриков, несмотря на французское происхождение. Дальнейшее развитие технологии до Второй мировой войны происходило более чем стремительно:
Эволюция точности
Шаговые двигатели использовались во время Второй мировой войны и после её окончания в ограниченном количестве. В 60-х годах прошлого столетия они пережили несколько усовершенствований и были повсеместны более двух десятков лет в качестве незаменимых элементов беспилотного управления, индикаторов сортировки вагонов и станций взвешивания, цифровых дифференциальных высотомерах и компьютерной периферии.
Первые бесколлекторные двигатели были разработаны в середине 50-х годов. Устранение механических щёток позволяло им работать в течение удивительно долгого времени с высокой надёжностью. У шаговых моторов появился сильный конкурент. Бесколлекторные двигатели оказались незаменимы в освоении космоса , что и определило их бурное развитие.
Появление доступных способов производства редкоземельных кобальтовых магнитов в 1960-х стало главной базой для технологического рывка моторов постоянного тока. Именно они, оснащённые приводами с контролируемой обратной связью, составляют бо́льшую часть производимых в мире серводвигателей. Микропроцессоры ворвались на рынок автоматики в начале 1970-х и смогли обеспечить почти идеальный контроль над движением механизмов.
Устройство и типы
Сервоприводом называют устройство, предназначенное совершать механическое действие с высокой точностью под непрерывным самоконтролем целевой позиции и параметров движения. Наличие системы обратной связи с чувствительным устройством для исправления отклонений от заданных параметров отличает его от других типов приводов. В более широком смысле этим термином обозначают современные электродвигатели, оснащённые сервоприводами. Упрощённо устройство сервопривода можно описать как замкнутую систему из четырёх элементов:
- датчик;
- двигатель;
- контроллер;
- система обратной связи.
Принцип работы серводвигателя выглядит так: на вход устройства подаётся команда к назначению нового состояния (координат, скорости и т. п.), прибор определяет текущее значение, сравнивает его с поступившим и производит управляющее воздействие на двигатель для уменьшения их разности.
Благодаря способностям поддерживать и контролировать заданные параметры, сервомеханизмы считаются наиболее передовыми приводами. Современные устройства сильно изменились в сравнении с первыми поколениями. Теперь это интеллектуальные приборы, выполненные с применением последних достижений в производстве магнитов и процессорной техники. В XXI веке прогресс позволил удешевить в несколько раз простые устройства без потери их качеств и создать технически сложные приводы переменной скорости и высокой точности для таких требовательных отраслей, как станкостроение.
В современной промышленности используют два типа серводвигателей: линейные и поворотные. Линейные позволяют добиться:
- больших скоростей и ускорений;
- высокой точности позиционирования.
Они обладают неоспоримыми преимуществами, но тем не менее популярны именно роторные сервоприводы. Это обусловлено главным образом тем, что линейные имеют склонность к перегреву. Тепло вызывает нежелательное расширение, создавая нагрузку на подшипники, смазку и датчики. С течением времени это негативно сказывается на продолжительности жизни компонентов.
Роторные двигатели делятся, в свою очередь, на сервоприводы позиционного и непрерывного вращения. Устройства позиционного вращения - самый распространённый тип. Выходной вал работает только в секторе круга, ограниченный физическими стопорами для предотвращения поворота за конструктивно заданные пределы.
Моторы непрерывного вращения очень похожи на позиционные с той разницей, что имеют возможность вращаться в любом направлении с разной скоростью в зависимости от входного сигнала.
Преимущества роторных серводвигателей, с точки зрения управления, выглядят так:
- крутящий момент пропорционален току;
- скорость пропорциональна приложенному напряжению.
И первые, и вторые востребованы в применении от детских игрушек до космической робототехники.
Сервоприводы, конечно же, продолжают совершенствоваться. Они появились и эволюционировали как результат тенденции к децентрализации автоматизированных систем. Удешевление процессоров ускоряет этот процесс. Количество функций, выполняемых современными сервоприводами, растёт и, судя по всему, будет продолжать расти. Новейшие устройства уже наделяются способностями к самонастройке и оптимизации параметров управления и могут изготавливаться с контроллерами процессов для удалённых установок.
Вполне возможно, сервоприводы будущего будут решать много смежных задач в машинах и механизмах, помогая избежать установки дополнительного оборудования.
Сервоприводом (англ. servo) называется такой привод, точное управление которым осуществляется через отрицательную обратную связь, и позволяет таким образом добиться требуемых параметров движения рабочего органа.
Механизмы этого типа имеют датчик, отслеживающий конкретный параметр, например скорость, положение или усилие, а также блок управления (механические тяги или электронную схему), задача которого - поддерживать в автоматическом режиме необходимый параметр в процессе работы устройства, в зависимости от сигнала с датчика в каждый момент времени.
Исходное значение рабочего параметра задается посредством управления, например или при помощи другой внешней системы, куда вводится численное значение. Так, сервопривод автоматически исполняет поставленную задачу, - опираясь на сигнал с датчика, он точно подстраивает заданный параметр, и поддерживает его устойчиво на исполнительном органе.
Многие усилители и регуляторы с отрицательной обратной связью могут быть отнесены к сервоприводам. Например, к сервоприводам относятся тормозная система и рулевое управление в автомобилях, где усилитель ручного привода обязательно имеет отрицательную обратную связь по положению.
Основные компоненты сервопривода:
Привод;
Датчик;
Блок управления;
Конвертер.
В качестве привода может использоваться например пневмоцилиндр со штоком или электродвигатель с редуктором. Датчиком обратной связи может быть или, например, . Блок управления - индивидуальный инвертор, преобразователь частоты, сервоусилитель (англ. Servodrive). В блок управления может сразу входить и датчик управляющего сигнала (конвертер, вход, датчик воздействия).
В самом простом виде блок управления для электрического сервопривода строится на базе схемы сравнения значений сигналов задаваемого и сигнала, идущего с датчика обратной связи, по результатам которого на электродвигатель подается напряжение соответствующей полярности.
Если требуется плавный разгон или плавное торможение, с целью избежать динамических перегрузок электродвигателя, то реализуют более сложные схемы управления на микропроцессорах, способные позиционировать рабочий орган более точно. Так к примеру устроен привод позиционирования головок в жестких дисках.
Точное управление группами или одиночными сервоприводами достигается применением контроллеров ЧПУ, которые, кстати, могут быть построены на программируемых логических контроллерах. Сервоприводы на основе таких контроллеров достигают по мощности 15 кВт, и могут развивать крутящий момент до 50 Нм.
Сервоприводы вращательного движения бывают синхронными, с возможностью исключительно точного задания скорости вращения, угла поворота и ускорения, и асинхронными, в которых скорость очень точно поддерживается даже на предельно низких оборотах.
Синхронные сервоприводы способны весьма быстро разгоняться до номинальных оборотов. Также распространены круглые и плоские сервоприводы линейного движения, позволяющие достигать ускорений вплоть до 70 м/с².
Принципиально сервоприводы подразделяются на электрогидромеханические и электромеханические. У первых движение порождается системой поршень-цилиндр, и быстродействие получается очень высоким. Вторые используют просто электромотор с редуктором, однако быстродействие получается ниже на порядок.
Область применения сервоприводов сегодня весьма широка, благодаря возможности исключительно точного позиционирования рабочего органа.
Здесь и механические задвижки, и клапаны, и рабочие органы различных инструментов и станков, особенно с ЧПУ, включая автоматы для заводского изготовления печатных плат, и различные промышленные роботы, и многие другие точные приборы. Очень популярны высокоскоростные сервоприводы в среде авиамоделистов. Конкретно у сервомоторов примечательна характерная равномерность движения и эффективность в плане энергопотребления.
Изначально в качестве приводов сервомоторов применялись моторы трехполюсные коллекторные, где ротор содержал обмотки, а статор - постоянные магниты. Мало того, имелся коллекторно-щеточный узел. Позже количество обмоток возросло до пяти, и крутящий момент стал больше, а разгон - быстрее.
Следующая стадия совершенствования - обмотки разместили снаружи магнитов, так уменьшился вес ротора, и сократилось время разгона, однако возросла стоимость. В итоге был сделан ключевой шаг совершенствования - отказались от коллектора (в частности распространение получили приводные моторы с постоянными магнитами на роторе), и двигатель получился бесщеточным, еще более эффективным, поскольку ускорение, скорость, и крутящий момент стали теперь еще выше.
В последние годы весьма популярными становятся сервомоторы , благодаря чему открываются широкие возможности как для любительского авиа и роботостроения (квадрокоптеры и т.д.), так и для создания точных станков.
В большинстве своем обычные сервоприводы для работы использует три провода. Один из них для питания, второй сигнальный, третий - общий. На сигнальный провод подается управляющий сигнал, согласно которому требуется установить положение выходного вала. Положение вала определяется схемой с потенциометром.
Контроллер по сопротивлению и значению сигнала управления определяет, в каком направлении нужно осуществить вращение, чтобы вал пришел в требуемое положение. Выше напряжение снимаемое с потенциометра - больше крутящий момент.
Благодаря высокой энергоэффективности, возможности точного управления, и отличным рабочим характеристикам, именно сервоприводы на базе бесколлекторных моторов все чаще можно встретить как в игрушках, так и в бытовой технике (сверхмощные пылесосы с фильтрами HEPA) и в промышленном оборудовании.