В машиностроении и управлении сервомеханизм (также называемый сервосистемой или просто серво ) — это система управления положением и его производными по времени , такими как скорость , механической системы . Он часто включает в себя серводвигатель и использует замкнутое управление для уменьшения установившейся ошибки и улучшения динамического отклика. [1] В замкнутом управлении отрицательная обратная связь с обнаружением ошибок используется для исправления действия механизма. [2] В приложениях с управлением перемещением он обычно включает в себя встроенный энкодер или другой механизм обратной связи по положению для обеспечения достижения желаемого эффекта на выходе. [3] Следование заданной траектории движения называется сервоуправлением , [4] где «серво» используется как глагол . Префикс серво происходит от латинского слова servus, означающего «раб». [1]
Термин правильно применяется только к системам, где сигналы обратной связи или коррекции ошибок помогают контролировать механическое положение, скорость, положение или любые другие измеряемые переменные. [5] Например, управление автомобильным стеклоподъемником не является сервомеханизмом, поскольку нет автоматической обратной связи, которая контролирует положение — оператор делает это путем наблюдения. Напротив, круиз-контроль автомобиля использует замкнутую обратную связь, что классифицирует его как сервомеханизм.
Обычный тип сервопривода обеспечивает управление положением . Обычно сервоприводы бывают электрическими , гидравлическими или пневматическими . Они работают по принципу отрицательной обратной связи, где управляющий вход сравнивается с фактическим положением механической системы, измеренным некоторым типом преобразователя на выходе. Любая разница между фактическим и требуемым 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 выход.
Управление скоростью с помощью регулятора — еще один тип сервомеханизма. Паровой двигатель использует механические регуляторы; еще одним ранним применением было управление скоростью водяных колес . До Второй мировой войны был разработан пропеллер постоянной скорости для управления скоростью двигателя для маневрирования самолетов. Управление топливом для газотурбинных двигателей использует либо гидромеханическое, либо электронное управление.
Позиционирующие сервомеханизмы впервые были использованы в военном управлении огнем и морском навигационном оборудовании. Сегодня сервомеханизмы используются в автоматических станках , антеннах спутникового слежения, самолетах с дистанционным управлением, автоматических навигационных системах на лодках и самолетах, а также системах управления зенитными орудиями. Другими примерами являются системы управления по проводам в самолетах , которые используют сервоприводы для приведения в действие поверхностей управления самолета, и радиоуправляемые модели , которые используют сервоприводы RC для той же цели. Многие камеры с автофокусировкой также используют сервомеханизм для точного перемещения объектива. Жесткий диск имеет магнитную сервосистему с точностью позиционирования менее микрометра. В промышленных машинах сервоприводы используются для выполнения сложных движений во многих приложениях.
Серводвигатель — это особый тип двигателя, который в сочетании с вращающимся энкодером или потенциометром образует сервомеханизм. Этот узел, в свою очередь, может быть частью другого сервомеханизма. Потенциометр обеспечивает простой аналоговый сигнал для указания положения, в то время как энкодер обеспечивает положение и, как правило, обратную связь по скорости, которые с помощью ПИД-регулятора позволяют более точно контролировать положение и, таким образом, быстрее достигать устойчивого положения (для заданной мощности двигателя). Потенциометры подвержены дрейфу при изменении температуры, тогда как энкодеры более стабильны и точны.
Серводвигатели используются как для высокопроизводительных, так и для низкопроизводительных приложений. На высоком уровне находятся прецизионные промышленные компоненты, которые используют вращающийся энкодер. На низком уровне находятся недорогие сервоприводы радиоуправления (RC-сервоприводы), используемые в радиоуправляемых моделях , которые используют двигатель свободного хода и простой датчик положения потенциометра со встроенным контроллером. Термин серводвигатель обычно относится к высокопроизводительным промышленным компонентам, в то время как термин сервопривод чаще всего используется для описания недорогих устройств, которые используют потенциометр. Шаговые двигатели не считаются серводвигателями, хотя они также используются для создания более крупных сервомеханизмов. Шаговые двигатели имеют неотъемлемое угловое позиционирование из-за их конструкции, и это обычно используется в разомкнутом контуре без обратной связи. Они обычно используются для приложений средней точности. [6]
Сервоприводы RC используются для приведения в действие различных механических систем, таких как рулевое управление автомобиля, поверхности управления на самолете или руль судна. Благодаря своей доступности, надежности и простоте управления микропроцессорами они часто используются в мелкомасштабных робототехнических приложениях. Стандартный приемник RC (или микроконтроллер) посылает сигналы широтно-импульсной модуляции (ШИМ) на сервопривод. Электроника внутри сервопривода преобразует ширину импульса в положение. Когда сервоприводу дается команда на вращение, двигатель питается до тех пор, пока потенциометр не достигнет значения, соответствующего заданному положению.
Регулятор парового двигателя Джеймса Уатта обычно считается первой системой обратной связи с электроприводом. Ветряная мельница с веерообразным хвостом является более ранним примером автоматического управления, но поскольку у нее нет усилителя или коэффициента усиления , ее обычно не считают сервомеханизмом.
Первым устройством управления положением с обратной связью был двигатель рулевого управления судна , использовавшийся для позиционирования руля больших судов на основе положения штурвала судна. Джон Макфарлейн Грей был пионером. Его запатентованная конструкция была использована на судне SS Great Eastern в 1866 году. Джозеф Фаркот может заслужить равную похвалу за концепцию обратной связи, с несколькими патентами между 1862 и 1868 годами. [7]
Телемотор был изобретен около 1872 года 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 свести ошибку к нулю. Механизм реверса мощности Рагоннета был универсальным воздушным или паровым сервоусилителем для линейного движения, запатентованным 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 , использующие амплидин в качестве усилителя мощности. Ламповые усилители использовались в ленточном накопителе 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 RPC использовался для управления артиллерийскими установками и наводчиками орудий.
Современные сервомеханизмы используют твердотельные усилители мощности, обычно построенные на основе MOSFET или тиристорных устройств. Небольшие сервоприводы могут использовать силовые транзисторы .
Считается, что это слово произошло от французского « Le Servomoteur » или «ведомый двигатель», впервые использованного Дж. Дж. Л. Фарко в 1868 году для описания гидравлических и паровых двигателей, используемых для управления судами. [10]
Простейший тип сервоприводов использует релейное управление . Более сложные системы управления используют 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]
Пропускная способность сервопривода показывает его способность отслеживать быстрые изменения входного управляющего сигнала.
