В машиностроении и технике управления сервомеханизм (также называемый сервосистемой или просто сервоприводом ) представляет собой систему управления положением и ее производными по времени , такими как скорость , механической системы . Он часто включает в себя серводвигатель и использует управление с обратной связью для уменьшения установившейся ошибки и улучшения динамического отклика. [1] При управлении с обратной связью для корректировки действия механизма используется отрицательная обратная связь , распознающая ошибки. [2] В приложениях с управлением смещением он обычно включает в себя встроенный энкодер или другой механизм обратной связи по положению, чтобы гарантировать, что выходной сигнал достигает желаемого эффекта. [3] Следование заданной траектории движения называется сервоприводом , [4] где «серво» используется как глагол . Префикс « серво» происходит от латинского слова «servus» , означающего «раб». [1]
Этот термин правильно применяется только к системам, в которых сигналы обратной связи или исправления ошибок помогают контролировать механическое положение, скорость, положение или любые другие измеримые переменные. [5] Например, автомобильный стеклоподъемник не является сервомеханизмом, поскольку здесь нет автоматической обратной связи, которая контролирует положение — оператор делает это путем наблюдения. Напротив, круиз-контроль автомобиля использует обратную связь с обратной связью, что классифицирует его как сервомеханизм.
Распространенный тип сервопривода обеспечивает управление положением . Обычно сервоприводы бывают электрическими , гидравлическими или пневматическими . Они работают по принципу отрицательной обратной связи, когда управляющий вход сравнивается с фактическим положением механической системы, измеренным датчиком определенного типа на выходе. Любая разница между фактическими и желаемыми значениями («сигнал ошибки») усиливается (и преобразуется) и используется для управления системой в направлении, необходимом для уменьшения или устранения ошибки. Эта процедура является одним из широко используемых приложений теории управления . Типичные сервоприводы могут давать вращательный (угловой) или линейный выходной сигнал.
Регулирование скорости с помощью регулятора — это еще один тип сервомеханизма. В паровом двигателе используются механические регуляторы; Еще одним ранним применением было управление скоростью водяных колес . До Второй мировой войны винт постоянной скорости был разработан для управления частотой вращения двигателя маневрирующих самолетов. В средствах контроля топлива газотурбинных двигателей используется либо гидромеханическое, либо электронное управление.
Сервомеханизмы позиционирования впервые были использованы в военном оборудовании управления огнем и морской навигации . Сегодня следящие механизмы применяются в станках-автоматах , антеннах спутникового слежения, самолетах с дистанционным управлением, автоматических навигационных системах на лодках и самолетах, системах управления зенитно-артиллерийскими установками . Другими примерами являются электродистанционные системы в самолетах , в которых для приведения в действие рулевых поверхностей самолета используются сервоприводы, а также радиоуправляемые модели , в которых для той же цели используются сервоприводы с дистанционным управлением. Многие камеры с автофокусировкой также используют сервомеханизм для точного перемещения объектива. Жесткий диск оснащен магнитной сервосистемой с точностью позиционирования субмикрометра. В промышленных машинах сервоприводы используются для выполнения сложных движений во многих приложениях.
Серводвигатель — это особый тип двигателя, который в сочетании с поворотным энкодером или потенциометром образует сервомеханизм. Этот узел, в свою очередь, может являться частью другого сервомеханизма. Потенциометр выдает простой аналоговый сигнал для указания положения, а энкодер обеспечивает обратную связь по положению и обычно по скорости, что с помощью ПИД-регулятора позволяет более точно контролировать положение и, следовательно, быстрее достигать стабильного положения (при заданной мощности двигателя). . Потенциометры подвержены дрейфу при изменении температуры, тогда как энкодеры более стабильны и точны.
Серводвигатели используются как в высокопроизводительных, так и в низкопроизводительных приложениях. На верхнем уровне находятся прецизионные промышленные компоненты, в которых используется поворотный энкодер. На нижнем уровне находятся недорогие сервоприводы с радиоуправлением (RC-сервоприводы), используемые в радиоуправляемых моделях , в которых используется свободно вращающийся двигатель и простой датчик положения потенциометра со встроенным контроллером. Термин « серводвигатель» обычно относится к высокопроизводительному промышленному компоненту, тогда как термин « сервопривод» чаще всего используется для описания недорогих устройств, в которых используется потенциометр. Шаговые двигатели не считаются серводвигателями, хотя они также используются для создания более крупных сервомеханизмов. Шаговым двигателям присуще угловое позиционирование из-за их конструкции, и оно обычно используется в разомкнутом контуре без обратной связи. Они обычно используются для приложений средней точности. [6]
RC-сервоприводы используются для приведения в действие различных механических систем, таких как рулевое управление автомобиля, поверхности управления самолетом или руль направления лодки. Благодаря своей доступности, надежности и простоте управления с помощью микропроцессоров они часто используются в небольших робототехнических приложениях. Стандартный RC-приемник (или микроконтроллер) посылает на сервопривод сигналы широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Электроника внутри сервопривода преобразует ширину импульса в нужное положение. Когда сервопривод получает команду на вращение, на двигатель подается питание до тех пор, пока потенциометр не достигнет значения, соответствующего заданному положению.
Регулятор парового двигателя Джеймса Уатта обычно считается первой системой обратной связи с приводом. Ветряная мельница является более ранним примером автоматического управления, но, поскольку она не имеет усилителя или коэффициента усиления , ее обычно не считают сервомеханизмом.
Первым устройством управления положением с обратной связью был корабельный рулевой двигатель , использовавшийся для позиционирования руля больших кораблей в зависимости от положения корабельного штурвала. Джон Макфарлейн Грей был пионером. Его запатентованная конструкция была использована на пароходе SS Great Eastern в 1866 году. Джозеф Фаркот, возможно, заслуживает равной похвалы за концепцию обратной связи, поскольку в период с 1862 по 1868 год он получил несколько патентов. [7]
Телемотор был изобретен примерно в 1872 году Эндрю Беттсом Брауном , что позволило значительно упростить сложные механизмы между диспетчерской и двигателем. [8] Паровые рулевые двигатели имели характеристики современного сервомеханизма: вход, выход, сигнал ошибки и средство усиления сигнала ошибки, используемое для отрицательной обратной связи, чтобы довести ошибку до нуля. Механизм реверса мощности Рагонне представлял собой сервоусилитель общего назначения с воздушным или паровым приводом для линейного движения, запатентованный в 1909 году. [9]
Электрические сервомеханизмы использовались еще в 1888 году в телеавтографе Элиши Грея .
Электрические сервомеханизмы требуют усилителя мощности. Во время Второй мировой войны были разработаны электрические сервомеханизмы управления огнем , в которых в качестве усилителя мощности использовался амплидин . Ламповые усилители использовались в стримере UNISERVO для компьютера UNIVAC I. Королевский флот начал экспериментировать с дистанционным управлением питанием ( RPC ) на HMS Champion в 1928 году и начал использовать RPC для управления прожекторами в начале 1930-х годов. Во время Второй мировой войны РПК использовался для управления артиллерийскими установками и наводками орудий.
В современных сервомеханизмах используются полупроводниковые усилители мощности, обычно построенные на основе МОП-транзисторов или тиристоров . Небольшие сервоприводы могут использовать силовые транзисторы .
Считается, что слово произошло от французского « Le Servomoteur » или «ведомый двигатель», впервые использованного Дж. Дж. Л. Фаркотом в 1868 году для описания гидравлических и паровых двигателей, используемых в управлении судами. [10]
Самый простой тип сервоприводов использует управление «взрыв-взрыв» . В более сложных системах управления используются пропорциональное управление, ПИД-регулирование и управление в пространстве состояний, которые изучаются в современной теории управления .
Сервоприводы можно классифицировать по их системам управления с обратной связью: [11]
Полоса пропускания сервопривода указывает на способность сервопривода следовать быстрым изменениям входного командного сигнала.
