Серводвигатель ( или серводвигатель или просто сервопривод ) [1] — это вращательный или линейный привод , который позволяет точно управлять угловым или линейным положением, скоростью и ускорением в механической системе . [1] [2] Он является частью сервомеханизма и состоит из подходящего двигателя, соединенного с датчиком для обратной связи по положению , и контроллера (часто специального модуля, разработанного специально для серводвигателей).
Серводвигатели не являются отдельным классом двигателей, хотя термин серводвигатель часто используется для обозначения двигателя, подходящего для использования в замкнутой системе управления. Серводвигатели используются в таких приложениях, как робототехника , станки с ЧПУ и автоматизированное производство .
Серводвигатель — это сервомеханизм с замкнутым контуром , который использует обратную связь по положению (линейное или вращательное) для управления своим движением и конечным положением. Входом для его управления является сигнал (аналоговый или цифровой), представляющий желаемое положение выходного вала.
Двигатель сопряжен с некоторым типом позиционного энкодера для обеспечения обратной связи по положению (и потенциально также обратной связи по скорости в более сложных конструкциях). Контроллер сравнивает измеренное положение с желаемым положением, чтобы сгенерировать сигнал ошибки , который при обратной связи заставляет двигатель вращаться в направлении, необходимом для приведения вала в желаемое положение. Сигнал ошибки уменьшается до нуля по мере приближения к желаемому положению, останавливая двигатель.
Простые серводвигатели используют только позиционное зондирование с помощью потенциометра и реверберационное управление своим двигателем; двигатель вращается только на полной скорости или останавливается. Этот тип серводвигателя не так широко используется в промышленном управлении движением , но он составляет основу простых и дешевых сервоприводов, используемых для радиоуправляемых моделей . [3]
Более сложные серводвигатели используют абсолютный энкодер (тип вращающегося энкодера ) для расчета положения вала и определения скорости выходного вала. [4] Для управления скоростью двигателя используется привод с переменной скоростью. [5] Оба эти усовершенствования, обычно в сочетании с алгоритмом ПИД-регулирования , позволяют быстрее и точнее приводить серводвигатель в заданное положение с меньшими перерегулированиями . [6]
Серводвигатели обычно используются как высокопроизводительная альтернатива шаговому двигателю . Шаговые двигатели обладают некоторой присущей способностью управлять положением, поскольку они имеют встроенные выходные шаги. Это часто позволяет использовать их в качестве управления положением с разомкнутым контуром, без какого-либо энкодера обратной связи, поскольку их сигнал привода определяет количество шагов движения для вращения, но для этого контроллеру необходимо «знать» положение шагового двигателя при включении питания. Поэтому при первом включении питания контроллер должен будет активировать шаговый двигатель и повернуть его в известное положение, например, пока он не активирует концевой выключатель. Это можно наблюдать при включении струйного принтера ; контроллер будет перемещать носитель струйной печати в крайнее левое и правое положение, чтобы установить конечные положения. Серводвигатель может немедленно повернуться на любой угол, который ему задаст контроллер, независимо от начального положения при включении питания, если используется абсолютный энкодер .
Отсутствие обратной связи шагового двигателя ограничивает его производительность, поскольку шаговый двигатель может управлять только нагрузкой, которая находится в пределах его возможностей, в противном случае пропущенные шаги под нагрузкой могут привести к ошибкам позиционирования, и систему, возможно, придется перезапускать или перекалибровывать. Энкодер и контроллер серводвигателя являются дополнительными расходами, но они оптимизируют производительность всей системы (для всех скоростей, мощности и точности) относительно производительности базового двигателя. В более крупных системах, где мощный двигатель представляет собой растущую долю стоимости системы, серводвигатели имеют преимущество.
В последние годы растет популярность шаговых двигателей с замкнутым контуром. [7] Они действуют как серводвигатели, но имеют некоторые различия в программном управлении для получения плавного движения. Главным преимуществом шагового двигателя с замкнутым контуром является его относительно низкая стоимость. Также нет необходимости настраивать ПИД-регулятор в системе шагового двигателя с замкнутым контуром. [8]
Первые серводвигатели были разработаны с синхронизаторами в качестве энкодеров. [9] Большая работа была проделана с этими системами при разработке радаров и зенитной артиллерии во время Второй мировой войны . [10]
Простые серводвигатели могут использовать резистивные потенциометры в качестве позиционного энкодера. Они используются только на самом простом и дешевом уровне и находятся в тесной конкуренции с шаговыми двигателями. Они страдают от износа и электрических помех в дорожке потенциометра. Хотя можно было бы электрически дифференцировать их позиционный сигнал для получения сигнала скорости, ПИД-регуляторы , которые могут использовать такой сигнал скорости, обычно требуют более точного энкодера.
Современные серводвигатели используют вращающиеся энкодеры , как абсолютные , так и инкрементальные . Абсолютные энкодеры могут определять свое положение при включении питания, но они более сложны и дороги. Инкрементальные энкодеры проще, дешевле и работают на более высоких скоростях. Инкрементальные системы, такие как шаговые двигатели, часто сочетают свою присущую способность измерять интервалы вращения с простым датчиком нулевого положения для установки своего положения при запуске.
Вместо серводвигателей иногда используется двигатель с отдельным внешним линейным энкодером. [11] Эти системы двигатель + линейный энкодер позволяют избежать неточностей в трансмиссии между двигателем и линейной кареткой, но их конструкция усложняется, поскольку они больше не являются предварительно упакованной заводской системой.
Тип двигателя не имеет решающего значения для серводвигателя, и могут использоваться различные типы. [12] В простейшем случае используются щеточные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами, ввиду их простоты и низкой стоимости. Небольшие промышленные серводвигатели обычно представляют собой электронно-коммутируемые бесщеточные двигатели. [13] Для больших промышленных серводвигателей обычно используются асинхронные двигатели переменного тока , часто с частотно-регулируемыми приводами , позволяющими контролировать их скорость. Для максимальной производительности в компактном корпусе используются бесщеточные двигатели переменного тока с постоянными магнитными полями, фактически большие версии бесщеточных электродвигателей постоянного тока . [14]
Модули привода для серводвигателей являются стандартным промышленным компонентом. Их конструкция представляет собой отрасль силовой электроники , обычно основанную на трехфазном мосте MOSFET или IGBT H. Эти стандартные модули принимают одно направление и количество импульсов (расстояние вращения) в качестве входных данных. Они также могут включать функции контроля перегрева, превышения крутящего момента и обнаружения остановки. [15] Поскольку тип энкодера, передаточное отношение редуктора и общая динамика системы зависят от приложения, сложнее изготовить общий контроллер в виде готового модуля, поэтому они часто реализуются как часть основного контроллера. [16]
Большинство современных серводвигателей разработаны и поставляются вокруг специального модуля контроллера от того же производителя. Контроллеры также могут быть разработаны вокруг микроконтроллеров , чтобы снизить стоимость для приложений большого объема. [17]
Интегрированные серводвигатели спроектированы так, чтобы включать двигатель, драйвер, энкодер и связанную с ним электронику в одном корпусе. [18] [19]
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
Медиа, связанные с серводвигателями на Wikimedia Commons