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

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

Что такое сервопривод?

Под сервоприводом следует понимать такое устройство, которое обеспечивает возможность управления рабочим органом посредством обратной связи. Само название произошло от латинского servus, что в переводе означает помощник. Изначально сервопривод использовался в качестве вспомогательного оборудования для различных станков, машин и механизмов. Однако с развитием технологий и постоянно растущей необходимостью повышать точность электронных устройств им начали отводить куда более значимую роль.

Устройство и принцип работы

Устройство сервопривода
Рис. 1. Устройство сервопривода

Устройство и принцип работы каждого сервопривода может кардинально отличаться от других моделей. Однако в качестве примера мы рассмотрим наиболее актуальные варианты.

Конструктивно он может состоять из:

  • Привода – устройства, приводящего в движение рабочий орган. Может выполняться посредством синхронного или асинхронного двигателя, пневмоцилиндра и т.д.
  • Передаточный механизм – система шестеренчатой кривошипной или другой передачи, редуктор.
  • Рабочий элемент – управляет перемещением в пространстве, непосредственно вал редуктора, передаточный механизм и т.д.
  • Датчик – сигнализирует о достигнутом положении и передает информацию по каналу обратной связи.
  • Блок питания – может применяться в случае прямого подключения сервопривода к сети, где требуется преобразование уровня и типа напряжения.
  • Блок управления – осуществляет подачу управляющих сигналов на сервомотор для передвижения или корректировки места положения. Для этого применяются микропроцессоры, микроконтроллеры и т.д. К примеру, очень популярна плата Arduino.

Принцип действия заключается в подаче управляющего импульса на асинхронный или синхронный двигатель, который начинает вращаться, пока рабочий орган не окажется в нужной позиции. Как только будет достигнуто установленное положение, на датчике обратной связи появится нужный сигнал, который, перейдя на блок управления, прекратит питание электромеханического устройства. Движение сервопривода прекратится до появления новых электрических сигналов.

Далее начнется новый цикл работы устройства, число команд и последовательность их выполнения определяется заложенной программой.

Сравнение с шаговым двигателем

Сравнение с сервопривода с шаговым двигателем
Рис. 2. Сравнение с сервопривода с шаговым двигателем

Вполне вероятно вы могли слышать, что та же функция часто выполняется шаговыми двигателями, однако между этими двумя устройствами имеется существенное отличие. Шаговый привод действительно осуществляет точное  позиционирование объекта за счет четкого числа подаваемых на электрическую машину импульсов, они достаточно тихоходны и не создают лишнего шума. В остальном сервоприводы обладают рядом весомых преимуществ по сравнению с шаговыми электродвигателями:

  • Могут использовать для привода любой тип электрической машины – синхронный, асинхронный, электродвигатель постоянного тока и т.д.
  • Точность механического привода не зависит от износа деталей, появления люфтов, термических и механических изменений конструктивных элементов.
  • Диагностирование неисправностей происходит моментально за счет обратной связи.
  • Скорость вращения – любой обычный электродвигатель вращается быстрее шагового привода.
  • Экономичность – вращение вала у шаговой электрической машины осуществляется при максимально допустимом напряжении питания, чтобы обеспечить максимальный момент.

Но кроме перечисленных преимуществ есть ряд позиций, по которым сервопривод уступает шаговому двигателю:

  • Сложность системы управления и необходимость реализации ее работы – шаговый двигатель контролируется обычным счетчиком числа импульсов.
  • Необходимость контролировать как частоту вращения, так и принимать меры для принудительного затормаживания в нужной точке – это приводит к дополнительным затратам энергии, программных и механических ресурсов.
  • Обязательно используется дополнительный измерительный блок, контролирующий положение рабочего органа.
  • Сервопривод обладает значительно большей стоимостью, поэтому применение шагового двигателя обходится дешевле.

Назначение

Область применения
Рис. 3. Область применения

Сервопривод используется в самых различных направлениях науки и техники, где электрический привод, помимо функции вращения каких-либо элементов, должен выполнить и точное позиционирование. На практике они повсеместно используются в ЧПУ станках, автоматических задвижках, электронных клапанах, заводских станках с программным управлением, робототехнике.

В бытовых системах сервомоторы устанавливаются в системах отопления для регулировки подачи теплоносителя, топлива, управления нагревательным элементом, контроля переключения между центральными и автономными системами энергетических ресурсов и т.д. В автомобилях их используют для отпирания, запирания багажника, электронных блокировок.

Разновидности

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

По типу привода:

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

По принципу действия выделяют:

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

По материалу передаточного механизма:

  • полимерные – износоустойчивые и легкие, но плохо переносят большие механические нагрузки;
  • металлические – наиболее тяжелый вариант, относительно быстро изнашиваются, но могут выдерживать любые нагрузки;
  • карбоновые – имеют средние характеристики по прочности и износоустойчивости, в сравнении с двумя предыдущими, но имеют более высокую стоимость.
По материалу шестерней
Рис. 4. По материалу шестерней

По типу вала двигателя:

  • с монолитным ротором – тяжелые сервоприводы, создают вибрацию при вращении;
  • с полым ротором – самые легкие модели, быстро реагируют на команды и набирают обороты, их легче контролировать;
  • с бесколлекторным ротором – не имеют подвижных контактов, которые создают дополнительное сопротивление вращению, наиболее дорогой вариант.
По типу вала
Рис. 5. По типу вала

Технические характеристики

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

Наиболее значимыми характеристиками сервомотора являются:

  • Усилие на валу серводвигателя – определяет механический момент и способность перемещать определенный вес, создавать усилие при резке, фрезеровке и т.д.
Усилие на валу
Рис. 6. Усилие на валу
  • Скорость вращения – показывает, сколько поворотов вала может совершить устройство за единицу времени.
  • Величина питающего напряжения – чаще всего электроснабжение сервопривода выполняется постоянным током, хотя встречаются модели и с переменным током выходного напряжения. Подключение питания к сервоприводу осуществляется тремя проводами: питающим, управляющим и общим.
  • Угол вращения сервопривода – поворот выходного элемента, как правило, выпускается на 180° и 360°.
  • Скорость поворота – подразделяется на сервоприводы с постоянным вращением и с переменной частотой.

Способы управления

Способ управления сервоприводом
Рис. 7. Способ управления сервоприводом

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

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

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

Схема управления сервоприводом
Рис. 8. Схема управления сервоприводом

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

Преимущества и недостатки

К преимуществам сервопривода следует отнести:

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

К недостаткам следует отнести:

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

Комментарии и отзывы

Добавить комментарий

Adblock
detector