Конструкция

Конструкция сервоприводов может существенно различаться в зависимости от назначения. Однако, вне зависимости от области применения устройства содержат следующие узлы:

• Передаточный механизм.
• Электродвигатель.
• Датчики положения и скорости вращения вала.
• Частотный преобразователь.
• Контроллер.

Передаточный механизм служит для изменения скорости и момента на валу, к нему непосредственно подключается рабочий инструмент или исполнительное устройство. В ряде случаев передаточные механизмы обходятся дешевле безредукторного регулирования.

Электродвигатель – силовой элемент привода. Энергия вращения вала преобразуется в перемещение исполнительных устройств или инструментов.

Датчики служат для передачи на схему управления сигнала о положении вала или исполнительного механизма, частоты его вращения, момента.

Частотный преобразователь применяется для изменения частоты вращения, момента на валу двигателя путем изменения частоты тока или напряжения питания электродвигателя.

Контроллер предназначен для задания режимов работы привода, обработки сигналов с датчиков обратной связи, управления положением исполнительного механизма. Этот элемент нередко объединен с преобразователем частоты. Существуют специализированные ПЧ с интегрированными контроллерами для управления серводвигателями.

Управление сервоприводом Ардуино

Сегодня мы поговорим про серводвигатели или сервоприводы, можно сказать и так и так. Рассмотрим 2 модели двигателей.

1. С фиксированным углом 180° градусов
2. Сервопривод непрерывного вращения на 360° градусов.

Напишем простой скетч для управления движением одной и двумя сервами.

Если вы посмотрите видео, то там показано как я подключил лазер и управлял им двумя сервоприводами. И даже нарисовал квадрат. Правда на камеру снялось не очень хорошо, но движения были ровными и прямые и углы были чётко выражены.

Так что же такое сервопривод? Сервопривод — это механизм с электромотором и с управлением обратной связи, который может вращать механический привод на заданный угол с заданной скоростью.

Отличия сервопривода от шагового мотора.

• Шаговый двигатель просто считает «шаги», сколько он должен прошагать в секунду, чтобы оказаться в месте назначения.

Его недостатки — это возможность потери шагов при больших нагрузках.

• В сервоприводах используется механизм обратной связи, поэтому он может обрабатывать ошибки и исправлять их.

Такая система называется следящей. Про шаговый двигатель я уже делал видео, посмотреть можно на моём канале. Наиболее популярны типы сервоприводов:

• сервоприводы которые удерживают заданный угол
• сервоприводы поддерживающие заданную скорость вращения.

Управлять сервоприводом можно вручную, т.е. написав код самому или с помощью библиотеки Servo.h входящей в состав ARDUINO IDE, или библиотеки Servo2.h, если вам необходимо работать с приёмниками/ передатчиками работающими на частоте 433 МГц. Библиотека VirtualWire.h используют одно и то же прерывание, что и Servo.h. Это означает, что их нельзя использовать в одном проекте одновременно.

Мы рассмотри вариант с библиотекой, так как он намного проще.

Подключение сервопривода к Ардуино. Сервопривод обладает тремя контактами, провода которые идут к ним окрашены в разные цвета.

• Коричневый провод ведет к земле,
• красный – к питанию +5В,
• провод оранжевого или желтого цвета – сигнальный.

Не рекомендуется подключать мощные сервоприводы напрямую к плате , т.к. они потребляют большой ток, что может вывести из строя вашу Ардуино или вызовут другие симптому, например перегрузку платы или постоянном “дергании” сервопривода. Для питания лучше использовать внешние источники, обязательно объединяя земли двух контуров.

Ограничение по количеству подключаемых сервоприводов На большинстве плат Arduino библиотека Servo.h поддерживает управление не более 12 сервоприводами, на Arduino Mega это число вырастает до значения 48. При этом есть небольшой побочный эффект использования этой библиотеки: если вы работаете не с Arduino Mega, то становится невозможным использовать функцию analogWrite() на 9 и 10 контактах независимо от того, подключены сервоприводы к этим контактам или нет.

Управление движением сервопривода Управление движением сервопривода зависит от длинны импульсов. Частота импульсов 50Гц. — это значит, что импульс срабатывает каждые 20мс. Длительность импульса.

• 1520мкс = 90 градусов среднее положение
• 544мкс = 0 градусов
• 2400мкс = 180 градусов

В библиотеке Servo.h для Arduino по умолчанию выставлены следующие значения длин импульса: 544 мкс — для 0° и 2400 мкс — для 180°. Плата управления анализирует сигнал на управляющем проводе, и если информация об угле поворота содержащаяся в сигнале отличается от фактического положения вала, то он поворачивается до тех пор, пока его положение не сравняется с заданным. Скорость перемещения можно изменять либо путем изменения задержки между шагами функцией delay(), либо путем изменения шага, а именно правкой последнего значения в аргументах цикла — for (pos = 180; pos >= 0; pos -= 1)

Сервопривод SG90.

Характеристики и подключение SG-90 Если вы собрались купить самый дешевый и простой сервопривод, то SG 90 будет лучшим вариантом. Этот сервопривод чаще всего используется в управлении небольшими легкими механизмами с углом поворота от 0° до 180°.

Технические характеристики SG90:

• Скорость отработки команды 0,12с/60 градусов;
• Питание 4,8В; Питание 5 вольт допустимо.
• Рабочие температуры от -30°С до 60°С;
• Размеры 3,2 х 1,2 х 3 см;
• Вес 9 г.

Описание SG90.

Скорость поворота — это время поворота на угол 60°; Крутящий момент (кг/см) — эта величина говорит о том, какой вес в килограммах выдерживает двигатель, при длине рычага в 1 см от вала; Напряжение питания и потребляемый ток;

Такой сервопривод стоит недорого, поэтому он не обеспечивает точных настроек начальных и конечных позициях. Для того, чтобы избежать лишних перегрузок и характерного треска, в положении 0° и 180° градусов лучше выставлять крайние точки в 10° и 170°. При работе устройства важно следить за напряжением питания. При сильной нагрузке могут повредиться механические элементы зубчатых механизмов, т.к. они пластмассовые.

Сервопривод непрерывного вращения на 360 градусов.

Сервопривод MG995

Сервопривод MG995 является второй по популярности моделью сервоприводов, чаще всего подключаемых к проектам Arduino. Это относительно недорогие сервоприводы, обладающие гораздо лучшими характеристиками по сравнению с SG90. Они выпускаются в двух модификациях, как обычные сервопривода, так и сервоприводы непрерывного вращения. В таком варианте управлять поворотом на определённый угол очень затруднительно, а управлять можно только скоростью и направлением вращения. При этом важно отметить, что такой сервопривод не может поворачиваться на определенный угол и делать строго заданное количество оборотов.

Отличие сервоприводов непрерывного вращения отличается в том, что функция Servo.write(angle) задаёт не угол, а скорость вращения привода:

Например. Функция Servo.write(0) заставит сервопривод вращаться против часовой стрелки на полной скорости. Функция Servo.write(90) остановит двигатель, а Servo.write(180) будет вращать вал по часовой стрелке на полной скорости.

Описание работы скетчей показанных в видео, которые можно скачать в описании к видео.

Servo1 Подключаем сервомотор к пину 9 и программируем его на движение Устанавливаем в нулевое положение Затем двигаем на 90° градусов Потом ещё на 90° и оказываемся в положении 180° градусов. Это максимально значение для этого сервомотора. Потом возвращаемся в 90°, а затем снова в начальное положение. В ноль.

Servo2 Подключаем два сервомотора. Первый к пину 9 , второй к пину 10 Первую серву устанавливаем в начальное положение 0°, а вторую 180°. Теперь если поставить их рядом то они будут двигаться в противоположных направлениях.

Servo3 Подключаем два сервомотора. Первый к пину 9 , второй к пину 10 И подключаем два потенциометра по 10 кОм каждый. Два крайних вывода подключаем к питанию. Один к плюсу. Другой к земле. А средний контакт к Аналоговому входу А 1, другой к А 2 Первую и вторую серву устанавливаем в начальное положение 0°. Теперь можно управлять движением обоих сервомоторов просто вращая потенциометры.

Теперь посмотрим другой тип сервоприводов, а именно сервоприводы с непрерывным вращением. Они могут вращаться на 360 градусов, но у них есть недостаток, они не могут повернуться на определённый угол. У них можно управлять только скоростью вращения.

Servo4 Для Сервомоторов с непрерывным вращением также используется библиотека Servo.h Только управление происходит не по градусам, а управляется скоростью. 90° это полная остановка, А 0° и 180° это максимальные значения в одну и другую сторону. В примере показано, что сначала мотор двигается с максимально скоростью против часовой стрелки 4 секунды. Затем останавливается и ждёт 2 секунды. Затем плавно ускоряется по часовой стрелке до максимума. Потом остановка, и всё сначала.

Servo5 Теперь попробуем нарисовать лазером прямоугольник. Для этого подключим лазер, Он подключается как обычный светодиод. Если вы не знаете как подключить светодиод, то можете посмотреть моё видео, я там подробно описал как это сделать. Если вы смотрели предыдущие примеры, то для вас это не составит труда. В вкратце. Здесь в циклах for() мы даём команду сервомотору двигаться по определённому пути.

Servo6 Просто движение сервомоторов от минимальной до максимальной скорости. В этом примере я изменил скорость вращения в цикле for(). Теперь он будет делать по 3 шага вместо 1.

Servo7 Управление через COM Здесь я передаю градусы поворота. Первые — это для первого сервопривода, вторые для второго.

Области использования устройства

• изготовление бумаги и упаковок;
• изготовление листов из металла;
• обрабатывание материалов;
• производство транспортного оборудования;
• деревообрабатывающая промышленность;
• изготовление стройматериалов.

Конструкции щеточных и бесщеточных серводвигателей

Мы предлагаем рассмотреть основные различия в устройстве коллекторного и бесколлекторного серводвигателя, чтобы понять их преимущества и недостатки. Оба представляют собой электрические моторы, состоящие из ротора (вращающейся части) и статора (неподвижной части). Источником энергии для них служит электричество, подаваемое с трансформатора станка.

Щеточный электромотор

В статоре простейшего щеточного электродвигателя находится пара постоянных магнитов с противоположной полярностью. На его роторе, по бокам от оси, находятся две катушки с витками, намотанными в противоположные стороны. При подаче электричества катушки превращаются в электромагниты с разной полярностью. Притяжение между постоянными магнитами и электромагнитами, которые объясняются силой Лоренца, заставляет ротор вращаться. При их максимальном сближении силы Лоренца ослабевают, а ротор останавливается. Чтобы вращение продолжалось, в момент сближения магнитов происходит переключение полярности обмоток. Ближайшие друг к другу постоянный и электрический магниты уже имеют одноименную полярность, и вращение продолжается за счет их отталкивания. Если такое изменение полярности будет происходить циклически, вращение ротора будет продолжаться, а двигатель будет совершать полезную работу.

За переключение полярности обмоток отвечает коллекторно-щеточный узел. Он состоит из двух элементов:

Коллектор— токопроводящее кольцо, разделенное на сегменты изоляторами. Чаще всего изготавливается из медной проволоки. В роторах большинства щеточных моторов намотано несколько пар катушек, каждая из них подключена к «своим» сегментам на кольце.Щетки— проводники, к которым подводится сетевое питание.

Щетки закреплены на статоре неподвижно и пожимаются пружинами к коллектору. Коммутация (переключение обмоток) выполняется при проворачивании ротора: щетки последовательно соприкасаются с сегментами коллектора.

Щетки изготавливаются из графита, медно-графитного или медно-серебряного сплавов. Они являются самосмазывающимися, то есть имеют сравнительно невысокий коэффициент трения. Эксплуатация коллекторного двигателя требует регулярного осмотра коллекторно-щеточного узла. Щетки — изнашиваемые детали, которым требуется замена с определенной периодичностью. Нарушение электрического контакта при выработке приводит к искрению. Силы трения, возникающие в узле, несколько снижают КПД привода, приводят в нагреву, а для его охлаждения на вал ротора устанавливают крыльчатку (центробежный вентилятор).

Главное преимущество щеточного мотора — простота в управлении. Для них не нужно создавать сложных электронных систем. Мотор отличается сравнительно невысокой стоимостью и при регулярном обслуживании работает стабильно.

Бесщеточный электромотор

В бесщеточном серводвигателе постоянные магниты установлены на роторе, а катушки электромагнитов — на статоре. Чтобы полюса постоянно находились в оппозиции, обмотки статора коммутируются электронными ключами. Питание на катушки подается последовательно, и за согласование магнитные полей постоянного и электрического магнитов отвечает датчик положения, также называемый датчиком Холла. Это общий принцип работы для всех бесщеточных серводвигателей: постоянного и переменного тока.

Ключевое преимущество этого вида моторов заложено в отсутствии изнашиваемых токоведущих частей. Фактически ресурс такого электродвигателя ограничен расчетным сроком службы подшипников. Из-за отсутствия коллекторного узла размеры и вес бесщеточного мотора меньше в сравнении со щеточным аналогичной мощности. Из-за отсутствия трения возможна работа на более высоких частотах вращения. Двигатели без коллектора отличаются более низким уровнем шумов, могут работать в условиях запыленности, в атмосфере горючих газов.

Управление скоростью реализовано на базе электронного регулятора хода. В отличие от щеточных моторов, где для ограничения частоты вращения используется обычный резистор, переводящий избыточную мощность в тепло, здесь нет нагрева.

Сервопривод на основе бесщеточного двигателя имеет свои недостатки:

• требует организации более сложной системы управления на основе контроллера;
• стоит дороже.

Большинство бесколлекторных двигателей имеет трехфазное питание и три датчика положения (по одному на фазу).

Принцип работы сервоприводов

Работает устройство следующим образом. Контроллер программируется на определенный режим работы и выдает сигнал на преобразователь частоты. Устройство подает на электродвигатель напряжение необходимой частоты и величины. Силовой агрегат перемещает исполнительный механизм с заданной скоростью и моментом, соответствующим нагрузке. По достижении заданного положения рабочего органа, подается соответствующий сигнал с датчиков положения на контроллер, который останавливает двигатель.

Принцип действия сервопривода идентичен автоматическому регулятору с отрицательной обратной связью. Задается опорный сигнал, называемый нулевым, с которым сравнивается сигнал с датчика положения. При равенстве их величин, сервопривод останавливается, при отклонениях в отрицательную или положительную сторону, на двигатель подается напряжение пока рабочий инструмент или исполнительное устройство не займет требуемого положения.

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.

Какие сервоприводы применяются?

Широкое распространение серводвигателей повлекло за собой появление их различных видов, которые можно разделить по следующим критериям:

Типы привода: Вращательные Асинхронные – дешевые, точны, даже, при низких оборотах; Синхронные – более дорогие и быстрые при разгоне; Линейные – самый быстрый разгон, высокая точность, долговечность. Примеры: актуатор, линейный модуль (см. рис.), линейные серводвигатели.

Принцип действия: Электромеханический – электромотор и редуктор; Гидромеханический – поршневой цилиндр обеспечивает более высокую скорость передвижения. Материал редуктора: Полимерный – высокая износостойкость, малый вес, чувствительность к ударным нагрузкам; Металлический – изнашивается быстрее всех, но устойчив к механическим нагрузкам; Карбоновые – средний вариант между полимерными и металлическими.
Тип ротора: Монолитный ротор – вибрирует при вращении, невысокая точность;
Полый ротор – быстрое реагирование, простой контроль, небольшой вес, высокая цена;
Бесколлекторный ротор – не имеет подвижных контактов, самый дорогой, более высокий вращающий момент и скорость, в сравнении с коллекторными.
Способ управления: Аналоговый – простой и долговечный, малая ровность хода двигателя; Цифровой – ускоренная реакция на управляющий сигнал, повышенная точность.

Сравнение с шаговым двигателем

Другим вариантом точного позиционирования приводимых элементов без датчика обратной связи является применение шагового двигателя. В этом случае схема управления отсчитывает необходимое количество импульсов (шагов) от положения репера (этой особенности обязан характерный шум шагового двигателя в дисководах 3,5″ и CD/DVD при попытках повторного чтения). При этом точное позиционирование обеспечивается параметрическими системами с отрицательной обратной связью, которые образуются взаимодействующими между собой соответствующими полюсами статора и ротора шагового двигателя. Сигнал задания для соответствующей параметрической системы формирует система управления шаговым двигателем, активизирующая соответствующий полюс статора.

Так как датчик обычно контролирует приводимый элемент, электрический сервопривод имеет следующие преимущества перед шаговым двигателем

:

• не предъявляет особых требований к электродвигателю и редуктору — они могут быть практически любого нужного типа и мощности (а шаговые двигатели, как правило, маломощны и тихоходны);
• гарантирует максимальную точность, автоматически компенсируя: механические (люфты в приводе) или электронные сбои привода;
• постепенный износ привода, шаговому же двигателю для этого требуется периодическая юстировка;
• тепловое расширение привода (при работе или сезонное), это было одной из причин перехода на сервопривод для позиционирования головок в жестких дисках;
• обеспечивая немедленное выявление отказа (выхода из строя) привода (по механической части или электронике);

Недостатки в сравнении с шаговым двигателем

• необходимость в дополнительном элементе — датчике;
• сложнее блок управления и логика его работы (требуется обработка результатов датчика и выбор управляющего воздействия, а в основе контроллера шагового двигателя — просто счётчик);
• проблема фиксирования: обычно решается постоянным притормаживанием перемещаемого элемента либо вала электродвигателя (что ведёт к потерям энергии) либо применение червячных/винтовых передач (усложнение конструкции) (в шаговом двигателе каждый шаг фиксируется самим двигателем).
• сервоприводы, как правило, дороже шаговых.

Сервопривод, однако, возможно использовать и на базе шагового двигателя или в дополнение к нему до некоторой степени совместив их достоинства и устранив конкуренцию между ними (сервопривод осуществляет грубое позиционирование в зону действия соответствующей параметрической системы шагового двигателя, а последняя осуществляет окончательное позиционирование при относительно большом моменте и фиксации положения). // Проблемы фиксирования никакой нет в сервоприводе в отличие от шагового. Высокоточное позиционирование и удержание в заданной позиции обеспечивается работой электрической машины в вентильном режиме, суть которого сводится к её работе в качестве источника силы. В зависимости от рассогласования положения (и других координат электропривода) формируется задание на силу. При этом несомненным преимуществом сервопривода является энергоэффективность: ток подается только в том необходимом для того объеме, чтобы удержать рабочий орган в заданном положении. В противоположность шаговому режиму, когда подается максимальное значение тока, определяющее угловую характеристику машины. Угловая характеристика машины аналогична при малых отклонениях механической пружине, которая пытается «притянуть» рабочий орган в нужную точку. В шаговом приводе чем больше рассогласование положения, тем больше сила при неизменном токе. Очевидно, что автор ошибается в данном тезисе. Более того, известны примеры сложных систем управления электроприводом в шаговом режиме, которые не рассмотрены в данной статье, в частности микрошаговый режим.

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.

• гибридный шаговый двигатель с габаритами NEMA 23 и 34;
• преобразователь частоты на основе высокопроизводительного DSP процессора;
• блок управления (сервоконтроллер и программируемый логический контроллер в одном корпусе);
• датчик позиции вала мотора.

Базовым движущим элементом сервопривода — является электродвигатель (так называемый «сервомотор» или «серводвигатель«). Электродвигатель — это электромеханическое устройство (машина) для преобразования электрической энергии в механическую.

Электродвигатель (или электромотор) состоит из двух основных частей: из статора, часто неподвижной части и из ротора (или якоря) — подвижной вращающейся части. Электродвигатели бывают разных типов и конструкций. Каждый тип электродвигателя имеет свои особенности и, соответственно, эксплуатационные характеристики, которые определяют применение электродвигателя на практике.

Применение сервоприводов

— Шаговые электродвигатели — применяются в основном в бюджетных решениях сервоприводов.

Шаговый двигатель представляет собой бесколлекторное устройство электромеханического типа, имеющее несколько обмоток. На шаговый двигатель подаются короткие электроимпульсы, при помощи драйвера, которые последовательно активируют каждую из обмоток и приводят в движение ротор, вызывая угловые дискретные (или так называемые шаговые) перемещения. От сюда и берется название «шаговый» электродвигатель.

— Синхронные электродвигатели — универсальные сервоприводы для для высокоточных применений и пр.

— Асинхронные электродвигатели — универсальные сервоприводы для насосной и компрессорной техники, подъемных механизмов и пр.

— Линейные электродвигатели — относительно дорогие, сверхточные сервоприводы для скоростного перемещения полезной нагрузки, для высокоточных порталов, прецизионные станки, научное оборудование и пр.

Типы сервоприводов

Конструктивно сервопривод СПШ можно разделить на следующие основные блоки:

• гибридный шаговый двигатель с габаритами NEMA 23 и 34;
• преобразователь частоты на основе высокопроизводительного DSP процессора;
• блок управления (сервоконтроллер и программируемый логический контроллер в одном корпусе);
• датчик позиции вала мотора.

Сервопривод — конструктивные особенности

Если блок-схема на рисунке выше не реализуема, следующая болк-диаграмма разделяет серво-петли на внутреннюю и внешнюю:

Сервоприводы — в действии

Сервоприводы и сервомоторы для ЧПУ — в Сервотехнике!

Компания «Сервотехника» более 20 лет поставляет серводвигатели (сервомоторы) следующих производителей: асинхронные серводвигатели Fukuta, серводвигатели фирмы KEB (Германия), сервомоторы компании LS Mecapion и сервоприводы Wittenstein. Имеются собственные разработки серводвигателей, производимые внутри России на собственном заводе. Вся продукция сертифицирована и имеет официальную сервисную гарантию

Купить — Сервопривод (серводвигатель)

В Сервотехнике – Вы можете купить комплектные сервоприводы, серводвигатели/сервомоторы, высоконадежные промышленные частотные преобразователи, редукторы и мотор редукторы известных европейских производителей.

Данный механизм получил достаточно широкое применение в различных промышленных сферах. Например, чаще всего его можно увидеть в конструкциях станков/машин для создания таких материалов/предметов и их обработки как:

Виды сервоприводов

Сервоприводы различают по типу применяемого двигателя, передаточного механизма, назначению и техническим параметрам.

В качестве силовых агрегатов в устройствах используют:

• Двигатели постоянного тока.
• Асинхронные электрические моторы.
• Синхронные двигатели с обмотками статора или на постоянных магнитах.

Дополненная классификация двигателей сервоприводов представлена на рисунке:

К двигателям для современных сервоприводов предъявляют следующие требования:

• Высокая точность отработки управляющего сигнала. Электрические машины должны обладать низкой инерцией, иметь неизменные механические характеристики во всем диапазоне регулирования скорости.
• Обеспечивать неравномерность частоты вращения. Часть технологического оборудования регулируется по нелинейным законам, двигатель должен обеспечить их реализацию с минимальными ошибками.
• Иметь достаточную перегрузочную способность. Двигатель не должен перегреваться, выходить из строя при превышении нагрузки на валу.
• Обеспечивать высокую динамику. Скорость реакции силового агрегата сервопривода должна быть достаточной для нормального функционирования оборудования.
• Управляться как можно более простыми алгоритмами. Цена контроллера и ПО составляет значительную часть стоимости сервопривода. Упрощение управления без ущерба характеристикам позволяет снизить стоимость электроники.

В первых сервоприводах применялись электродвигатели постоянного тока с аналоговыми тахогенераторами, тиристорными или транзисторными преобразователями напряжения. Широкое использование таких электрических машин связано с относительно простым управлением. Скорость вращения напрямую зависит от величины напряжения, подаваемого на якорь, жесткость механических характеристик сохраняется во всем диапазоне угловой частоты ротора.

К недостаткам сервоприводов относятся: необходимость установки выпрямителя с преобразователем напряжения, высокая цена двигателей, наличие коллекторного узла, снижающего надежность схемы.

С появлением преобразователей частоты стало возможным применение в сервоприводах асинхронных двигателей. ПЧ с микроконтроллером позволяет реализовать практически любые законы регулирования с обратной связью по относительному и абсолютному положению ротора, моменту и скорости вращения.

Главное преимущество сервоприводов с асинхронными двигателями – относительно низкая цена. При значительных мощностях такие устройства намного дешевле сервоприводов с электродвигателями постоянного тока.

Следующий тип силовых агрегатов – синхронные двигатели. С появлением современных материалов для постоянных магнитов, которые не теряют свойств при нагреве и ударах, наибольшее распространение для сервоприводов получили синхронные электродвигатели на постоянных магнитах или СДПМ.

Главное достоинство таких электрических машин – маленькие размеры. Так, двигатель той же мощности синхронного типа с роторными обмотками имеет габариты в 2 раза превышающие размеры СДПМ.

Кроме того, такие электродвигатели:

• Обладают высоким к.п.д. во всем диапазоне скоростей вращения.
• Имеют возможность поддерживать заданный момент на валу независимо от нагрузки.
• Отличаются относительно простой конструкцией.
• Обладают невысокой инерцией.

В СДМП отсутствуют потери на возбуждение. Сфера применения электрических машин – сервоприводы малой и средней мощности, в том числе с очень высокими требованиями к стабильности скорости вращения.

Достоинства серводвигателей

Система абсолютного позиционирования

Основной смысл использования сервоприводов заключается в том, что они позволяют компьютеру устанавливать определенный угол, к которому будет двигаться двигатель.

Высокий крутящий момент на высокой скорости

Благодаря системе зубчатых передач сервоприводы способны создавать высокий крутящий момент, а также двигаться на высоких скоростях.

Высокий удерживающий момент

Другое преимущество использования сервопривода состоит в том, что когда он установлен под определенным углом, сервопривод будет противодействовать силам, пытающимся вывести его из установленного положения. Если сила, которая воздействует на сервопривод, слишком велика для удержания сервопривода, и двигатель перемещается из своего положения, после снятия силы он вернется назад.

Оценка характеристик серводвигателей

Управление сервоприводом SG90 без микроконтроллера

Попался под руку популярный недорогой сервопривод SG90. И задумалось управлять им, но без микроконтроллера. В этой статье я изложу ход мыслей разработчика при реализации одного из вариантов решения.
Кому интересно, прошу под кат.

Идея

Надо управлять сервоприводом, но без микроконтроллера.

Знания

Всем известно, что опыт и знания помогают творить и находить решения. На страницах Гиктаймса немало примеров использования сервопривода с применением контроллеров. В них подробно рассказано про систему управления сервоприводом. Примем этот опыт других разработчиков за знания необходимые нам для решения задачи. Сервопривод SG90 управляется ШИМ сигналом, параметры которого определяют положение ротора. Период ШИМ около 20 мС, длительность сигнала управления от 500 до 2100 мкС.

Задача

Идея и знания порождают задачу, которую необходимо решить. Сформулируем задачу для воплощения идеи. Это что-то вроде Технического Задания. Кажется, все просто, надо взять генератор импульсов с изменяемой скважностью, подключить питание к сервоприводу, а с генератора подать управляющий сигнал. Особо отметим, что в требованиях есть изменения скважности — то есть должны быть органы управления или пользовательский интерфейс.

Сфера применения сервоприводов

Оборудование применяется в различных автоматических устройствах и установках. Сервоприводы устанавливают:

• В промышленных роботах и манипуляторах.
• В грузоподъемном и упаковочном оборудовании.
• В автоматизированных станках.
• В особо точных исполнительных механизмах систем автоматического регулирования технологических параметров.
• В автоматических автомобильных трансмиссиях.

Сервоприводы позволяют повысить точность и производительность промышленного оборудования, автоматизировать производственные процессы, исключить влияние человеческого фактора.

Плюсы и минусы

Рассматриваемые силовые агрегаты обладают целым набором особенностей, и, если сравнивать их с шаговыми, можно выделить ряд достоинств.

В числе объективных преимуществ:

• точное, зачастую даже прецизионные позиционирования;
• быстрое повышение крутящего момента и понижение числа оборотов за счет использования редуктора;
• беспроблемная коррекция – внести в программу изменения можно за считаные минуты, отрегулировав перемещение рабочего инструмента по первым полученным практическим результатам;
• отличная переносимость физических, температурных и других нагрузок в течение длительного времени безостановочной эксплуатации;
• развитие значительных ускорений, обеспечивающее замечательную совместимость с быстродействующим оборудованием, например, с универсальными станками ижевского ;
• поддержание равномерного крутящего момента во всем рабочем диапазоне.

Использование сервопривода не тотальное только потому, что он также обладает некоторыми недостатками.

В списке относительных минусов:

• при наличии пластиковых шестеренок или деталей из мягкого металла редуктор становится «слабым звеном», выходящим из строя под интенсивными воздействиями;
• резистивные дорожки изнашиваются в сравнительно краткие сроки (актуально для моделей с потенциометром);
• такой силовой агрегат стоит дороже шагового;
• программа, подходящая для обеспечения высокой точности, на практике часто оказывается сложной в настройке.

Ясно, что преимущества оказывают гораздо более важное влияние, и именно они обуславливают значительную степень востребованности в самых различных сферах.

Функции современных сервоприводов

Большинство сервоприводов поставляют в виде готовых систем сервоусилитель-датчик- двигатель. Крупные производители, например Mitsubishi Electric, Schneider Electric предлагают сервисы выбора совместимых элементов.

Современные сервоприводы обеспечивают не только точное полеориентированное управление. Устройства:

• Могут встраиваться в АСУТП любой сложности, а также поддерживают автономное управление. Оборудование обеспечивает связь по унифицированным цифровым, аналоговым сигналам, безпотенциальным контактам, интерфейсам CANopen, PROFIBUS DP, RS 485, DeviceNet, EtherCAT, Modbus TCP, Ethernet Powerlink и другим.
• Легко осваиваются пользователями. Настройка устройств не представляет сложности, управление имеет интуитивно понятный интерфейс. Сервоприводы уже укомплектованы заводским ПО, имеет функции автоматического распознавания внешнего оборудования. При необходимости можно скачать нужные программы или обновить их с сервера производителя.
• Можно масштабировать и модернизировать. Ряд сервоприводов промышленного назначения имеет отрытую архитектуру. Оборудование легко адаптируется путем установки дополнительных элементов: датчиков, модулей и других.
• Имеют защиту от ненормальных режимов работы. Сервоприводы обеспечивают отключение при превышении допустимого значения тока, колебаний или отключения напряжения в сети, перегрузок при динамическом торможении. Оборудование также имеет защиту от перегрева электродвигателя, ошибок датчика, превышения допустимого рассогласования. Для поиска причины возникновения ненормального режима сервоприводы автоматически записывают время и дату аварии, код предположительной причины.

Современные сервосистемы отличаются разнообразием. Выпускают устройства для несложного оборудования с алгоритмом управления по 1оси, до сложных роботов с многоосевым управлением.