Аналоговый и цифровой сервопривод — Информационный …

Принципы работы и виды сервоприводов

Отличительной особенностью сервопривода является возможность управления через отрицательную обратную связь с использованием заданных параметров. Все оборудование данного типа можно разделить на две группы – сервоприводы постоянного тока и трехфазные сервоприводы переменного тока.

Устройство сервоприводов постоянного тока

Как правило, сервоприводы постоянного тока используются в маломощных устройствах позиционирования. Классическая область их применения – робототехника.

Конструкция современных сервоприводов довольно проста, но при этом весьма эффективна, так как позволяет обеспечить максимально точное управление движением. Сервопривод состоит из:

• двигателя постоянного тока
• шестерни редуктора
• выходного вала
• потенциометра
• платы управления, на которую подается управляющий сигнал

Двигатель и редуктор образуют привод. Редуктор используется для снижения скорости вращения двигателя, которую необходимо адаптировать для практического применения. К выходному валу редуктора крепится необходимая нагрузка. Это может быть качалка, вращающийся вал, тянущие или толкающие механизмы.

Для того, чтобы угол поворота превратить в электрический сигнал, необходим датчик. Его функции в сервоприводе постоянного тока с успехом выполняет потенциометр. Он выдает аналоговый сигнал (как правило, от 0 до 10 В) с дискретностью, ограниченной АЦП (аналогово-цифровым преобразователем), на который поступает этот сигнал.

Самой важной деталью сервопривода, пожалуй, является электронная плата сервоусилителя, которая принимает и анализирует управляющие импульсы, соотносит их с данными потенциометра, отвечает за запуск и выключение двигателя.

Принцип работы

Принцип действия устройств основан на использовании импульсного сигнала, который имеет три важные характеристики – частоту повторения, минимальную и максимальную продолжительность. Именно продолжительность импульса определяет угол поворота двигателя.

Импульсные сигналы, получаемые сервоприводом, имеют стандартную частоту, а вот их продолжительность в зависимости от модели может составлять от 0,8 до 2,2 мс. Параллельно с поступлением управляющего импульса активируется работа генератора опорного импульса, который связан с потенциометром. Тот, в свою очередь, механически сопряжен с выходным валом и отвечает за корректирование его положения.

Электронная схема анализирует импульсы с учетом длительности и на основе разностной величины определяет разницу между ожидаемым (заданным) положением вала и реальным (измеренным при помощи потенциометра). Затем производится корректировка путем подачи напряжения на питание двигателя.

Основные положения устройства

Если продолжительность опорного и управляющего импульсов совпадает, наступает так называемый нулевой момент. В это время двигатель сервопривода не работает, вал привода находится в исходном (неподвижном) положении.

При увеличении длительности управляющего импульса плата фиксирует разбежку показателей, двигатель получает напряжение и приходит в движение. В свою очередь, редуктор начинает воздействовать на выходной вал, который поворачивается таким образом, чтобы достигнуть увеличения продолжительности опорного импульса. Как только он сравняется с управляющим импульсом, двигатель прекратит свою работу.

При уменьшении длительности управляющего импульса происходит все то же самое, только с точностью до наоборот, так как двигатель начинает вращаться в обратную сторону. Как только импульсы сравнялись, двигатель останавливается.

Сервопривод переменного тока

В сервоприводах переменного тока используется синхронный двигатель с мощными постоянными магнитами. В таких двигателях частота вращения ротора совпадает с частотой вращения магнитного поля, наводимого в обмотке статора.

Принцип работы сервопривода на основе трехфазного синхронного электродвигателя состоит в следующем. На обмотки статора поступает трехфазное напряжение, которое создает внутри него вращающееся магнитное поле. Это поле взаимодействует с постоянными магнитами, расположенными в роторе. В результате ротор вращается с частотой магнитного поля.

На валу ротора закреплен энкодер с высокой разрешающей способностью. Сигнал от него поступает по отдельному кабелю на специальный вход сервоусилителя. В то же время на управляющий вход сервоусилителя подается сигнал управления. В результате сравнения этих двух сигналов выделяется сигнал рассогласования, величина которого прямо пропорциональна разнице между целевыми и актуальными показателями вращения двигателя. На основании данного сигнала формируется трехфазное напряжение с такими параметрами, которые обеспечивают максимально быстрое уменьшение рассогласования до нуля.

Режимы управления

Существуют три основных режима работы сервопривода переменного тока.

Режим управления положением. Главное в этом режиме – контроль за углом поворота вала ротора. Управление производится последовательностью импульсов, которые могут приходить, например, с контроллера. Этот режим используется для точного позиционирования различных узлов технологического оборудования.

Комбинация импульсов для управления положением может передавать информацию не только по положению, но также по скорости и направлению вращения двигателя. Для этого могут использоваться три типа сигналов: 1) квадратурные импульсы (со сдвигом фаз на 90 градусов), 2) импульсы вращения по или против часовой стрелки, действующие поочередно и 3) импульсы скорости и потенциал направления, подающиеся на два входа.

Как правило, во всех сервоусилителях входы управления именуются как PULSE, SIGN.

Режим управления скоростью. В данном случае управление производится аналоговым сигналом. Значения скорости также могут переключаться на фиксированные величины подачей сигналов на соответствующие дискретные входы. В случае использования разнополярного аналогового управляющего сигнала возможна смена направления вращения серводвигателя.

Режим управления скоростью схож с работой асинхронного двигателя, управляемого преобразователем частоты. Задаются такие параметры, как время разгона и замедления, максимальная и минимальная скорости и другие.

Режим управления моментом.

В этом режиме двигатель может вращаться либо стоять на месте, но при этом момент на валу будет заданным. Управление может производиться дискретным либо аналоговым двухполярным сигналом. Этот режим может использоваться для машин, где необходимо менять усилие прижима, давление и т. п.

Оценка текущего момента двигателя, необходимого для управления, производится за счет встроенного датчика тока.

Процесс рекуперации

Рекуперация происходит при изменении направления (знака) момента нагрузки по отношению к вращающему моменту серводвигателя. Если энергия рекуперации невелика, она накапливается на конденсаторах звена постоянного тока, повышая напряжение на них.

Если разница абсолютных значений моментов нагрузки и серводвигателя составляет значительную величину, напряжение на конденсаторах шины постоянного тока может превысить пороговый уровень. В этом случае энергия рекуперации сбрасывается в тормозной резистор.

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

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

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

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 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.

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.

• 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

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:

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.

Типы Сервоприводов.

На первый взгляд схема кажется довольно сложной. Я предлагаю взглянуть на эту схему на другом примере:
Представьте, что перед Вами стоит задача ехать на автомобиле со скоростью 55 км/ч. Именно это будет у нас задающим воздействием. Преобразование скорости в цифровую форму (например, дорожный знак) это – первый прямоугольник. Ногой (усилитель) мы давим на педаль – это сервопривод. Скорость автомобиля растет. Соответственно начинает поворачиваться стрелка спидометра – это обратная связь, преобразование скорости в угол стрелки спидометра – это квадрат (преобразование) . А вот перечеркнутый кружок это место где наш мозг сравнивает показания спидометра и дорожного знака и в зависимости от величины и знака выдает сигнал для ноги (усилителя) отпустить педаль или нажать на нее.
Вот так работает система автоматического регулирования с обратной связью.
А для модельного серво эта картинка будет такая:

У серво на вход с приемника подается прямоугольный импульс, длительность которого определяет угол поворота качалки серво. Значение через которое повторяются импульсы в стандарте PPM – 20 mсек. Длительность меняется от 1 до 2 mсек.

По габаритам серво делятся на 3 основных размера: микро, стандартные, большие для масштаба 1:4. Бывают и другого размера серво, однако перечисленные 3 вида покрывают 95% всех типоразмеров.
Характеристики:
Скорость поворота и усилие на валу – являются основными характеристиками серво. Как правило, первая величина указывает, за какое время, в секундах, серво поворачивает качалку на 60°. Усилие измеряется кг/см т.е. какое усилие развивает серво на конце качалки с рычагом от центра вращения 1 см. Например, если этот параметр у серво равен 1.2 кг/см, то усилие развиваемое серво на качалке в 2 раза длиннее, т.е. 2см будет равно 0.6 кг.
Вообще, этот параметр зависит в первую очередь от назначения серво и уже потом, от передаточного числа редуктора и применяемых в серво узлов.
Стоит заметить, что сейчас производят серво, которые работают с напряжением питания от 4.8 до 6 В. Как правило, на 6 В, характеристики серво чуть выше, чем на 4.8 В.

Аналоговые или цифровые:

Несколько лет назад, единственным типом серво был – аналоговый. Сейчас этих типов два – аналоговые и цифровые. В чем же разница между этими двумя типами? Давайте обратимся к официальной информации предоставленной фирмой Futaba.
За последние несколько лет, серво стали обладать значительно лучшими характеристиками, чем ранее – меньшими габаритами, более высокими скоростями вращения и более высокими значениями крутящих моментов. Последний виток развития – появление цифровых серво. У цифровых серво есть существенные эксплуатационные преимущества перед аналоговыми серво, даже с коллекторными моторами. Хотя существуют и некоторые недостатки. Давайте рассмотрим и сравним достоинства и недостатки:

Внешне аналоговые и цифровые серво практически не отличаются. Отличия заметны на платах. Теперь вместо специализированной микросхемы мы можем увидеть на плате микропроцессор, который анализирует сигнал с приемника и управляет двигателем. Неверно полагать, что аналоговые и цифровые серво решительно отличаются в физическом исполнении, они могут иметь одинаковые двигатели, механизмы и потенциометры (переменные резисторы). Основное же отличие заключается в способе обработки сигнала приемника и управления двигателем.

Двигатель аналогового (стандартного) сервомотора получает сигнал от усилителя сервомотора (в сервомоторе) в 50 раз в секунду. Этот сигнал определяет, когда начать вращаться двигателю и в какую сторону. Так как это только случается 50 раз в секунду, это — минимальное время реакции. Другими словами, если Вы, отклонили ручку на передатчик чуть – чуть, то на двигатель серво начали поступать короткие импульсы между которыми чуть меньше 20 мсек. Между этими импульсами на мотор ничего не поступает и не может изменить положение исполнительного механизма – этот промежуток времени называется «мертвой зоной». Цифровые серво используют более высокую частоту, сигнал в двигатель сервомотора поступает 300 раз в секунду. Так как этот сигнал получен двигателем сервомотора чаще, он в состоянии реагировать намного быстрее и держать его позицию лучше. Это означает лучшее центрирование и значительно более высокий момент. Однако такой метод управления двигателем увеличивает потребление энергии, поэтому батарея, которая использовалась раньше для питания аналоговой серво будет разряжена быстрее с цифровым серво.

На графике сравниваются две практически идентичные серво с точки зрения механики. Как мы видим из графика, цифровая серво S9450 гораздо быстрее аналоговой S9002 реагирует на управляющий сигнал и вращающий момент выше, а значит более точно положение исполнительного механизма.
Но за все приходится платить (в том числе и в прямом смысле). Стоимость цифровых серво значительно выше, чем стоимость стандартных серво. Кроме того цифровые серво, обладая всеми своими преимуществами имеют и большее энергопотребление. При использовании цифровых серво стандартная бортовая аккумуляторная батарея 600-700mA долго не выдержит, требуется более мощные аккумуляторные батареи 1000mA и больше. Но это не является проблемой, поскольку современные аккумуляторные батареи большой емкости выпускаются разными производителями и продаются в хобби-магазинах.

Любой, кто использовал цифровые серво скажет Вам, что различие настолько существенно, что он никогда не возвратился бы к стандартным серво, если имеются цифровые.

Итак, если Вы нуждаетесь в:
• более высокой разрешающей способности
• минимальных «мертвых зонах», более точном позиционировании
• быстром реагировании на команды
• постоянном усилии на валу в процессе его поворота
• увеличенной мощности
• и при этом имеете достаточно средств

Цифровые серво — решение ваших проблем!

Коллекторные и бесколлекторные двигатели в серво.

В основном в серво использовались 3 полюсные коллекторные двигатели в которых тяжелый ротор с обмотками вращается внутри магнитов.

Первое усовершенствование, которое было применено – увеличение количества обмоток до 5. Таким образом, вырос вращающий момент и скорость разгона. Второе усовершенствование – это изменение конструкции мотора. Стальной сердечник с обмотками очень сложно раскрутить быстро. Поэтому конструкцию изменили — обмотки находятся, снаружи магнитов и исключено вращение стального сердечника.

Таким образом, уменьшился вес двигателя, уменьшилось время разгона и возросла стоимость.
Ну и наконец, третий шаг – применение бесколлектроных двигателей. У бесколлекторных двигателей выше КПД т.к. нет щеток, и трущихся частей. Они более эффективны, обеспечивают большую мощность, скорость, ускорение, вращающий момент.

Шарикоподшипник против втулки

В серво есть одна ось, на которой крепятся качалка. Именно на нее ложатся все нагрузки. Эта ось проходит через шарикоподшипник или втулку. Использование шарикоподшипника уменьшает потери на трение, предупреждает образование люфта и…. естественно повышает стоимость серво.

Материал шестерней редуктора

Нейлоновые шестерни — больше всего распространены в серво. Они имеют отличное качество поверхности, малый вес, однако не выдерживают больших нагрузок и недолговечны.

Карбоновые шестерни – появились относительно недавно на рынке. Они почти в пять раз прочнее нейлоновых и у них выше износостойкость. После более чем 300 000 циклов фактически не видно следов износа. Серво с этими механизмами более дороги, но это окупается большой долговечностью. Карбоновые шестерни тоже легкие, однако металлические все равно прочнее.

Металлические шестерни – являются самыми тяжелыми. У них самый высокий уровень износа, однако, они обеспечивают беспрецедентную прочность. Если у Вас достаточно средств, Вы можете приобрести серво с механизмом из титана.

Таким образом, выбор серво с шестернями из определенного материала зависит от назначения серво. Для этого надо ответить на вопрос — где и для чего предполагается использовать серво? Например, для микро серво главное – это вес. И скорее всего Вы не будете использовать серво с металлическими шестернями. Идеальный пример с сервоприводом, в котором обоснованно используется металлический редуктор, будет рулевое серво радиоуправляемого внедорожного автомобиля или багги.

Вы этой статье мы рассмотрели принципы работы, разновидности узлов, и характеристики серво. И все таки остался один вопрос.
Идеальное серво, существует ли оно? Ответ зависит от того для чего Вы хотите использовать его. Вообще, идеальное серво это серво, которое поворачивается так быстро как Вам это нужно и в тоже время обладает высоким крутящим моментом, силой удержания, высокой точностью, малым весом и в тоже время дешевое. Как Вам известно, такое серво еще не изобретено! Каждая компания производитель будет делать все от них зависящее, что бы убедить Вас в том, что их серво превосходят по характеристикам все остальные. В конце концов, выбор серво сводится к области опыта использования и Ваших личных потребностей, потому, что независимо от того насколько хорошие показатели или цена написана на упаковке серво, Вы не будете использовать серво, если оно не выполняет свою задачу и не может сохранить Вашу модель в воздухе.