Серводвигатель (или серводвигатель , или просто сервопривод ) [1] представляет собой поворотный или линейный привод , который позволяет точно контролировать угловое или линейное положение, скорость и ускорение в механической системе . [1] [2] Он является частью сервомеханизма и состоит из подходящего двигателя , соединенного с датчиком обратной связи по положению. Для этого также требуется относительно сложный контроллер, часто специальный модуль, разработанный специально для использования с серводвигателями.
Серводвигатели не относятся к конкретному классу двигателей, хотя термин «серводвигатель» часто используется для обозначения двигателя, подходящего для использования в системе управления с обратной связью . 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 для управления своим движением и конечным положением. Входным сигналом для его управления является сигнал (аналоговый или цифровой), представляющий заданное положение выходного вала.
Двигатель соединен с каким-либо датчиком положения для обеспечения обратной связи по положению и скорости. В простейшем случае измеряется только положение. Измеренное положение выхода сравнивается с положением команды внешнего входа контроллера. Если выходное положение отличается от требуемого, генерируется сигнал ошибки , который затем заставляет двигатель вращаться в любом направлении, чтобы привести выходной вал в соответствующее положение. По мере приближения позиций сигнал ошибки уменьшается до нуля, и двигатель останавливается.
В самых простых серводвигателях используется только определение положения с помощью потенциометра и импульсное управление двигателем; двигатель всегда вращается на полной скорости (или останавливается). Этот тип серводвигателя не получил широкого применения в промышленном управлении движением , но он составляет основу простых и дешевых сервоприводов , используемых в радиоуправляемых моделях .
Более сложные серводвигатели используют абсолютный энкодер (тип поворотного энкодера ) для расчета положения валов и определения скорости выходного вала. [3] Для управления скоростью двигателя используется привод с регулируемой скоростью. [4] Оба этих усовершенствования, обычно в сочетании с алгоритмом ПИД-управления , позволяют серводвигателю быстрее и точнее переводиться в заданное положение с меньшим перерегулированием . [5]
Серводвигатели обычно используются в качестве высокопроизводительной альтернативы шаговому двигателю . Шаговым двигателям присуща способность контролировать положение, поскольку они имеют встроенные выходные ступени. Это часто позволяет использовать их в качестве регулятора положения с разомкнутым контуром без какого-либо энкодера обратной связи, поскольку их сигнал привода определяет количество шагов вращения, но для этого контроллер должен «знать» положение шагового двигателя. двигатель при включении. Таким образом, при первом включении питания контроллер должен будет активировать шаговый двигатель и повернуть его в известное положение, например, до тех пор, пока он не активирует концевой выключатель. Это можно наблюдать при включении струйного принтера ; контроллер переместит держатель струйной печати в крайнее левое и правое положение, чтобы установить конечные положения. Серводвигатель может немедленно повернуться на любой угол, заданный контроллером, независимо от исходного 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 мощности, в противном случае пропущенные шаги под нагрузкой могут привести к ошибкам позиционирования, и систему, возможно, придется перезапустить или перекалибровать. Энкодер и контроллер серводвигателя требуют дополнительных затрат, но они оптимизируют производительность всей системы (по скорости, мощности и точности) относительно мощности базового двигателя. В более крупных системах, где мощный двигатель составляет все большую часть стоимости системы, преимущество имеют серводвигатели.
В последние годы растет популярность шаговых двигателей с замкнутым контуром. [ нужна цитация ] Они действуют как серводвигатели, но имеют некоторые различия в программном управлении для обеспечения плавного движения. Основным преимуществом шагового двигателя с обратной связью является его относительно низкая стоимость. Также нет необходимости настраивать ПИД-регулятор в шаговой системе с замкнутым контуром. [6]
Первые серводвигатели были разработаны с синхронизаторами в качестве энкодеров. [7] Большая работа была проделана с этими системами при разработке радиолокационной и зенитной артиллерии во время Второй мировой войны . [8]
Простые серводвигатели могут использовать резистивные потенциометры в качестве датчика положения. Они используются только на самом простом и дешевом уровне и составляют тесную конкуренцию шаговым двигателям. Они страдают от износа и электрических помех на дорожке потенциометра. Хотя можно было бы электрически дифференцировать сигнал положения для получения сигнала скорости, ПИД-регуляторы , которые могут использовать такой сигнал скорости, обычно требуют более точного энкодера.
В современных серводвигателях используются энкодеры вращения , абсолютные или инкрементные . Абсолютные энкодеры могут определять свое положение при включении питания, но они более сложны и дороги. Инкрементные энкодеры проще, дешевле и работают на более высоких скоростях. Инкрементальные системы, такие как шаговые двигатели, часто сочетают в себе присущую им способность измерять интервалы вращения с простым датчиком нулевого положения для установки их положения при запуске.
Вместо серводвигателей иногда используется двигатель с отдельным внешним линейным энкодером. [9] Эти системы двигатель + линейный энкодер позволяют избежать неточностей в трансмиссии между двигателем и линейной кареткой, но их конструкция усложняется, поскольку они больше не представляют собой предварительно упакованную систему заводского изготовления.
Тип двигателя не имеет решающего значения для серводвигателя, можно использовать разные типы. [10] В простейших случаях используются коллекторные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами из-за их простоты и низкой стоимости. Небольшие промышленные серводвигатели обычно представляют собой бесщеточные двигатели с электронной коммутацией. [11] Для крупных промышленных серводвигателей обычно используются асинхронные двигатели переменного тока , часто с преобразователями частоты, позволяющими контролировать их скорость. Для достижения максимальной производительности в компактном корпусе используются бесщеточные двигатели переменного тока с полями постоянных магнитов, которые представляют собой фактически большие версии бесщеточных электродвигателей постоянного тока . [12]
Модули привода для серводвигателей являются стандартным промышленным компонентом. Их конструкция представляет собой раздел силовой электроники , обычно основанный на трехфазном МОП-транзисторе или IGBT H-мосте . Эти стандартные модули принимают в качестве входных данных одно направление и количество импульсов (расстояние вращения). Они также могут включать в себя функции контроля перегрева, превышения крутящего момента и обнаружения остановки. [13] Поскольку тип энкодера, передаточное число редуктора и общая динамика системы зависят от приложения, труднее изготовить общий контроллер в виде готового модуля, и поэтому они часто реализуются как часть основного контроллера.
Большинство современных серводвигателей спроектированы и поставляются на основе специального модуля контроллера одного и того же производителя. Контроллеры также могут быть разработаны на базе микроконтроллеров , чтобы снизить стоимость крупномасштабных приложений. [14]
Интегрированные серводвигатели спроектированы таким образом, чтобы двигатель, драйвер, энкодер и сопутствующая электроника находились в одном корпусе. [15] [16]
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
СМИ, связанные с серводвигателями, на Викискладе?