Шаговый электродвигатель - это синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками, в котором ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора.
Шаговые двигатели можно отнести к группе бесколлекторных двигателей постоянного тока. Шаговые двигатели, имеют высокую надежность и большой срок службы, что позволяет использовать их в индустриальных применениях. При увеличении скорости двигателя, уменьшается вращающийся момент.
Шаговые двигатели делают больше вибрации, чем другие типы двигателей, поскольку дискретный шаг имеет тенденцию хватать ротор от одного положения к другому. За счет этого шаговый двигатель во время работы очень шумный. Вибрация может быть очень сильная, что может привести двигатель к потери момента. Это связано с тем, что вал находится в магнитном поле и ведет себя как пружина. Шаговые двигатели работают без обратной связи, то есть не используют Энкодеры или резольверы для определения положения.
Типы:
Существует четыре главных типа шаговых двигателей:
- Шаговые двигателя с постоянным магнитом
- Гибридный шаговые двигателя
- Двигатели с переменным магнитным сопротивлением
- Биполярные и униполярные шаговые двигатели
Преимущества Шагового двигателя:
- Устойчив в работе
- Работает в широком диапазоне фрикционных и инерционных нагрузок и скоростей, скорость пропорциональна частоте входных импульсов.
- Нет необходимости в обратной связи
- Намного дешевле других типов двигателей
- Подшипники - единственный механизм износа, за счет этого долгий срок эксплуатации.
- Превосходный крутящий момент при низких скоростях или нулевых скоростях
- Может работать с большой нагрузкой без использования редукторов
- Двигатель не может быть поврежден механической перегрузкой
- Возможность быстрого старта, остановки, реверсирования
Главным преимуществом шаговых приводов является точность. При подаче потенциалов на обмотки, шаговый двигатель повернется строго на определенный угол. Шаговый привод, можно приравнять к недорогой альтернативе сервоприводу, он наилучшим образом подходит для автоматизации отдельных узлов и систем, где не требуется высокая динамика.
Недостатки шагового двигателя:
- Постоянное потребление энергии, даже при уменьшении нагрузки и без нагрузки
- У шагового двигателя существует резонанс
- Из-за того что нет обратной связи, можно потерять положение движения.
- Падение крутящего момента на высокой скорости
- Низкая ремонтопригодность
Применение.
Шаговые двигателя имеет большую область применения в машиностроении, станках ЧПУ, компьютерной технике, банковских аппаратах, промышленном оборудовании, производственных линиях, медицинском оборудовании и т.д.
Что такое серво двигатель и принцип его работы:
Серводвигателя
делятся на категории щеточные (коллекторные) и без щеточные (без коллекторные) . Щеточные (коллекторные) серводвигатели могут быть постоянного тока, без коллекторные серводвигатели могут быть постоянного и переменного тока. Серводвигатели с щетками (коллекторные), имеют один недостаток каждые 5000 часов необходима замена щеток. На серводвигателях всегда есть обратная связь, это может быть энкодер или резольвером. Обратная связь необходима, чтобы достичь необходимой скорости, либо получить нужный угол поворота. В случаях высоких нагрузок и если скорость окажется ниже требуемой величины, ток пойдет на увеличение, пока скорость не достигнет нужной величины, если сигнал скорости покажет, что скорость больше, чем нужно, ток, пойдет на уменьшение. При использовании обратной связи по положению, сигнал о положении можно использовать чтобы остановить двигатель, после того, как ротор двигателя приблизится к нужному угловому положению.
АС серводвигатель
- двигатель переменного тока. В ценообразовании двигатель переменного тока дешевле двигателя постоянного тока. По принципу работы эти двигатели разделяются на синхронные и асинхронные двигатели и коллекторные.
В синхронных двигателях переменного тока ротор и магнитное поле вращается синхронно с одинаковой скоростью и в одном направлении с статором, а в асинхронных двигателях переменного тока ротор вращается несинхронно по отношению с магнитным полем. В асинхронном двигателе из-за отсутствия коллектора (щетки) регулировка оборотов происходит за счет изменения частоты и напряжения.
DC серводвигател
ь - двигатель постоянного тока.
Серводвигатели постоянного тока из за своих динамических качеств могут быть использованы приводом непрерывного действия. Серводвигатели постоянного тока могут постоянно работать в режимах старт, остановка и работать в обоих направлениях вращения. Обороты и развиваемый крутящий момент можно изменять путем изменения величины напряжения тока питания или импульсами.
Преимущества серводвигателей:
- При малых размерах двигателя можно получить высокую мощность
- Большой диапазон мощностей
- Отслеживается положение, за счет использования обратной связи
- Высокий крутящий момент по отношении к инерции
- Возможность быстрого разгона и торможения
- При высокой скорости, высокий крутящий момент
- Допустимый предел шума при высоких скоростях
- Полное отсутствия резонанса и вибрации
- Точность позиционирования
- Широкий диапазон регулирования скорости.
- Точность поддержания скорости и стабильность вращающего момента.
- Высокий статический момент Мо при нулевой скорости вращения.
- Высокая перегрузочная способность: Mmax до 3.5Mo, Imax до 4Io
- Малое время разгона и торможения, высокое ускорение (обычно > 5 м/с 2).
- Малый момент инерции двигателя, низкий вес, компактные размеры.
Пример работы двигателя:
На данном примере я перескажу вам принцип работы серводвигателя. После того, как вы сгенерировали управляющую программу, она создается в системе G-кодов, то есть ваша линия, окружность или любой созданный вами объект конвертируется в перемещение по координатам X,Y, Z на определённое расстояние. За расстояние отвечают импульсы, которые подаются через блок управления на двигатель. При перемещении любой из осей, например на 100 мм, драйвер (блок управления) подает определённое напряжение на двигатель, вал двигателя (ротор). Вал двигателя соединен с ходовым винтом (ШВП), вращение оборотов двигателя отслеживается энкодер. При вращении ходового винта по любой из осей, потому что при использовании серво, энкодеры (обратная связь) устанавливаются на тех осях, где вы хотите определить положение, на энкодер подаются импульсы, которые считываются системой управления ЧПУ. Системы ЧПУ программируются так, что ни понимают что, например, для перемещения на 100 мм необходимо получить определенное количество импульсов. Пока система ЧПУ не получит нужное количество импульсов на вход драйвера (блока управления) будет подаваться напряжение задания (рассогласование). Когда портал станка проедет заданные 100 мм, система ЧПУ получит нужное количество импульсов и напряжение на входе драйвера упадет до 0 и двигатель остановится. Прошу вас заметить, что преимущество обратной связи в том, что если по какое то либо причине произойдет смещение портала станка, энкодер отправит на систему управления нужное количество импульсов, для подачи нужного напряжения на согласования драйвера (блока управления), и двигатель поменяет угол. Для того что разногласие было равно 0, это помогает удерживать станок в заданной точке с высокой точностью. Не все типы двигателей способны, обеспечивать динамику разгона, нужный крутящий момент и т. п.
Сравнительная характеристика по основным параметрам |
||
|---|---|---|
| Шаговые двигатели | Серво двигателя | |
|
Срок эксплуатации и обслуживание |
Шаговые двигатели – нет щеток, это увеличивает срок эксплуатации до многих лет, единственным слабым местом являются подшипники, могут работать в большом диапазоне высоких температур. Срок эксплуатации в разы дольше любого типа двигателя. |
Из всех видов серво двигателей, самые дешевые это двигателя коллекторного типа (со щетками), они менее надежны, чем шаговые двигатели и требуют замены щеток примерно через 5000 часов непрерывной работы. |
|
Очень тяжело повредить и износить подшипник. Как и в любом двигателе возможно повреждение обмотки двигателя. Из низкой цены проще купить новый шаговый двигатель. |
В некоторых случаях проще и дешевле купить новый двигатель, а не пытаться его отремонтировать. |
|
|
Точность перемещений |
При использование точных механизмов, может быть не ниже +/- 0.01 мм |
сервоприводы имеют высокую динамическую точность до 1-2мкм и выше (1 мкм = 0.001 мм) |
|
Скорость перемещения |
В лазерно гравировальных станках скорость 20 – 25 метров в минуту. Если мы говорим о фрезерных станках ЧПУ с тяжелыми порталами и балками. Максимальная скорость перемещения до 9 м/мин. |
С использованием сервоприводов в станках с ЧПУ возможно достижение скоростей до 60 м/мин при использование высокосортной механике. |
|
Скорость разгона |
до 120 об/мин за секунду |
до 1000 об/мин за 0,2 секунды |
|
Потеря шагов при повышении скорости и нагрузки |
При высоких скоростях и высоких нагрузках происходит потеря шагов. Эта не проблема возможна при воздействии внешних факторов: ударов, вибраций, резонансов и т.п. |
У серво двигателей присутствует обратная связь, что полностью исключает потерю шагов. |
|
Принудительная остановка (столкновение с препятствием) |
Принудительная остановка шагового двигателя не вызывает у него никаких повреждений |
В случае принудительной остановки серводвигателя, драйвер мотора должен правильно среагировать на данную остановку. В противном случае по обратной связи подается сигнал на доработку не пройденного расстояния, повышается ток на обмотках, двигатель может перегреться и сгореть! |
|
Разница в цене |
По цене шаговый двигатель намного дешевле своего товарища серво двигателя. |
Минимум в 1,5 раз дороже шагового двигателя. |
Каждый тип двигателя предназначен для своей задачи. В некоторых случаях нужно использовать шаговых двигатель, а для некоторых задач необходимо использовать только серво двигатель. В фрезерных станках ЧПУ широко используются оба типа двигателей, просто у каждого из них есть свои задачи, и иногда не целесообразно переплачивать за серво, при небольших объемах производства.
Подведем черту сравнения серводвигателей и шаговых двигателей:
Как и было сказано раньше, шаговый двигатель не может вам дать высокую скорость и мощность и поэтому одно из его применений - в станках ЧПУ недорого сегмента, например фрезерных деревообрабатывающих станках с ЧПУ «АртМастер» 2112, 2515, 3015 базовой комплектации. Данный вид станков на средней скорости покроет большой ассортимент работ: обработки дерева, пластика, ДСП, МДФ, легких металлов и других материалов.Если же вас не устраивают скоростные характеристики, Вам необходимо рассмотреть фрезерные деревообрабатывающие станки с ЧПУ «АртМастер» 2112, 2515, 3015(авт.) и высокоскоростной фрезерный деревообрабатывающий станок «АртМастер 3015 Racer» .
Вы всегда должны для себя понимать, что сервомоторы позволяют вам с экономить время на холостых переходах, при этом вы не должны забывать правильно оптимизировать количество проходов. Скорость фрезеровки всегда зависит от мощности режущего инструмента (электрошпинделя) и типа фрезы. Мы не сможете получить хорошую скорость фрезеровки при низком качестве инструмента. Вы получите либо брак в изделии, либо Вам потребуется постоянная замена режущего инструмента. То есть при использовании высоких скоростей, при обработке материала вы не должны забывать о качестве и типе
Современные технологии требуют использования более совершенных приводов. Объективным решением является использование серводвигателей. Они способны обеспечить высокую работоспособность оборудования, при этом производя минимум шума. Для более ровного хода сервомотора используются инверторы, обеспечивающие плавные переходы между ходовыми режимами. Главным преимуществом такого двигателя является широкий спектр характеристик, которые, можно изменять дистанционно.
Устройство и разновидности серводвигателей
Конечно же, серводвигатели, как и любое наиболее современное оборудование, имеют несколько классификаций, которые способствуют выбору наиболее оптимального варианта. Таким образом, серводвигатели делятся на два основных подвида:
1. Коллекторные. В качестве питания используется лишь постоянный ток.
2. Безколлекторные. Возможно использования как переменного, так и постоянного тока.
АС-маркировка серводвигателей переменного тока. Такой вид двигателей является более дешёвым. На рынке представлены два вида серводвигателей переменного тока:
1. Синхронный. Вращение ротора и магнитного поля совпадают и имеют одно направление относительно статора.
2. Асинхронный. Направление вращения ротора противоположно вращению магнитного поля.
При этом управление , осуществляется за счёт изменений параметров подаваемого тока.
DC - такую маркировку имеют серводвигатели, обладающие, в качестве привода, постоянной подачей тока. Такие серводвигатели чаще всего применяют для непрерывной работы, так как они более стабильны. Однако управление такого рода двигателями также осуществляется за счёт изменения параметров подаваемого тока.
Принцип работы и управление серводвигателями
Конечно же, довольно важно рассмотреть общие аспекты работы серводвигателей, ведь вне зависимости от приводящих механизмов, важна их техническая составляющая.
Первым аспектом, который важно отметить является условие работы серводвигателя строго в системе G-кодов. Другими словами движущие элементы двигателя ориентируются по 3 основным осям координат (соответственно это X,Y,Z). При этом за разность в значениях координат отвечают импульсы энергии, которые подаются на двигатель. При каком-либо смещении, относительно оси координат, рабочие параметры серводвигателя также изменяются.
Системы ЧПУ, при работе таких механизмов, как серводвигатели, остаются идеально сбалансированными, что обеспечивает высокую производительность без потерь в качестве. Однако не стоит полностью полагаться на датчики ЧПУ и необходимо самостоятельно проверять работу серводвигателей. При всей надёжности подобного оборудования контроль оператора ЧПУ необходим, при этом желательно, чтобы работник (оператор) имел специальное образование.
В соответствии с вышеприведёнными данными, использование таких устройств, как серводвигатели, на оборудовании ЧПУ является наиболее эффективным. При их эксплуатации повышается не только качество продукции, но и максимально оптимизируется труд операторов. Кроме того, более совершенные приводы оборудования, несомненно, повышают его производительность, что имеет большую степень значения для компаний-производителей, не имеющих обширных производственных площадей и прочих территориальных и финансовых возможностей. При всём этом количество сотрудников не возрастёт.
Стоимость серводвигателей определяется мощностью устройства, так как мощностной уровень сказывается на производительности функционирования всего оборудования, работающего при помощи данных механизмов. Также, немалую роль играет компактность и легкость в установочном обслуживании серводвигателей.
Технический прогресс и конкуренция приводят к постоянному росту производительности и повышению степени автоматизации технологического оборудования. При этом возрастают требования, предъявляемые к регулируемым электроприводам, по таким параметрам, как диапазон регулирования частоты вращения, точность позиционирования и перегрузочная способность.
Для обеспечения предъявляемых требований разработаны высокотехнологичные устройства современного электропривода - сервоприводы. Это такие системы привода, которые в широком диапазоне регулирования скорости гарантируют высокоточные процессы движения и реализуют их хорошую повторяемость. Сервоприводы являются наиболее высокотехнологичной ступенью электропривода.
От постоянного тока к переменному
Долгое время в управляемых приводах в основном применялись двигатели постоянного тока. Это было связано с простотой реализации закона управления по напряжению якоря. В качестве управляющих устройств использовались магнитные усилители, тиристорные и транзисторные регуляторы, а в качестве системы обратной связи по скорости применялись аналоговые тахогенераторы.
Тиристорный электропривод представляет собой управляемый тиристорный преобразователь, питающий . Силовая схема электропривода состоит из: согласующего трансформатора TV; управляемого выпрямителя, собранного из 12 тиристоров (V01… V12), включенных по шестифазной однополупериодной -встречно-параллельной схеме; токоограничивающих дросселей L1 и L2 и электродвигателя М постоянного тока с независимым возбуждением. ТV имеет две силовые обмотки и экранированную от них обмотку для питания цепей управления. Первичная обмотка соединена в треугольник, вторичная - в шестифазную звезду с нулевым выводом.
Недостатками такого привода являются сложность системы регулирования, наличие щеточных токосъемников, снижающих надежность двигателей, а также высокая стоимость.
Прогресс в электронике и появление новых электротехнических материалов изменили ситуацию в области сервоприводной техники. Последние достижения позволяют компенсировать сложность управления приводом переменного тока с помощью современных микроконтроллеров и быстродействующих высоковольтных силовых транзисторов. , изготовленные из сплавов неодим?железо?бор и самарий?кобальт, благодаря их высокой энергоемкости, существенно улучшили характеристики синхронных двигателей с магнитами на роторе при одновременном снижении массогабаритных показателей. В итоге улучшились динамические характеристики привода при снижении его габаритов. Тенденция перехода к асинхронным и синхронным двигателям переменного тока особенно заметна в сервосистемах, которые традиционно выполнялись на базе электроприводов постоянного тока.
Асинхронный сервопривод
Асинхронный электродвигатель является самым массовым в промышленности благодаря простой и надежной конструкции при невысокой цене. Однако этот тип двигателя является сложным объектом управления с точки зрения регулирования момента и частоты вращения. Применение высокопроизводительных микроконтроллеров, реализующих векторный алгоритм управления, и цифровых датчиков скорости с высокой разрешающей способностью, позволяют получить диапазон регулирования скорости и точностные характеристики асинхронного электропривода не хуже, чем у синхронного сервопривода.
Асинхронные электроприводы переменного тока с частотным регулированием изменяют частоту вращения вала асинхронного короткозамкнутого электродвигателя с помощью транзисторных или тиристорных преобразователей частоты, которые преобразуют одно- или трехфазное напряжение с частотой 50 Гц в трехфазное напряжение с переменной частотой в диапазоне от 0,2 до 400 Гц.
На сегодняшний день представляет собой малогабаритное устройство (значительно меньшее, чем аналогичный по мощности асинхронный электродвигатель) на современной полупроводниковой базе, управляемое встроенным микропроцессором. позволяет решать различные задачи автоматизации производства и экономии электроэнергии, в частности, бесступенчатое регулирование частоты вращения или скорости подачи технологических машин.
С точки зрения стоимости асинхронный сервопривод имеет неоспоримое превосходство при больших мощностях.
Синхронный сервопривод
Синхронные серводвигатели - это трехфазные синхронные электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов и фотоэлектрическим датчиком положения ротора. В них применяют роторы типа «беличья клетка» или с постоянными магнитами. Их основным достоинством является низкий момент инерции ротора относительно развиваемого крутящего момента. Эти двигатели работают в сочетании с сервоусилителем, включающим выпрямитель на силовых диодах, блок конденсаторов и инвертор на базе силовых транзисторных ключей. Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения сервоусилитель снабжен блоком конденсаторов, а для преобразования накопленной в конденсаторах энергии в моменты торможения - разрядным транзистором и балластным сопротивлением, что обеспечивает эффективное динамическое торможение.
Частотно-регулируемые синхронные сервоприводы обладают высоким быстродействием, хорошо сочетаются с импульсными системами программного управления и могут использоваться в различных отраслях промышленности, где требуются следующие качества привода:
позиционирование рабочих органов с высокой точностью;
поддержание крутящего момента с высокой точностью;
поддержание скорости перемещения или подачи с высокой точностью.
Основными производителями синхронных серводвигателей и регулируемых приводов на их базе являются фирмы Mitsubishi Electric (Япония) -и Sew-Evrodrive (Германия).
Фирма Mitsubishi Electric выпускает гамму маломощных сервоприводов серии -Melservo-C, содержащую пять типоразмеров с номинальной мощностью от 30 до 750 Вт, номинальной частотой вращения 3000 об./мин. и номинальным моментом от 0,095 до 2,4 Нм.
Фирмой выпускается также гамма -частотно-регулируемых сервоприводов средней мощности с номинальной мощностью от 0,5 до 7,0 кВт, номинальной частотой вращения 2000 об./мин. и номинальным моментом от 2,4 до 33,4 Нм.
Сервоприводы серии MR-C фирмы Mitsubishi успешно заменяют шаговые двигатели, поскольку их системы управления полностью совместимы (импульсный вход), но при этом лишены недостатков, присущих шаговым моторам.
Сервоприводы MR-J2(S) отличаются от остальных встроенным микроконтроллером с расширенной памятью, которая содержит до 12 программ управления. Такой сервопривод работает без потери точности во всем диапазоне рабочих скоростей. Одним из существенных преимуществ устройства является его способность компенсировать «накопленные ошибки». Сервоусилитель просто выставляет серводвигатель «в ноль» через определенное число рабочих циклов или по сигналу от датчика.
Фирма Sew-Evrodrive поставляет как отдельные компоненты, так и комплектные сервоприводы с полным набором дополнительного оборудования. Основной областью применения этих устройств являются приводы подач и быстродействующие позиционные системы станков с программным управлением.
Приведем основные характеристики синхронных серводвигателей фирмы Sew-Evrodrive:
пусковой момент - от 1 до 68 Нм, а при наличии вентилятора принудительного охлаждения - до 95 Нм;
перегрузочная способность - отношение максимального момента к пусковому - до 3,6 раза;
высокая степень защиты (IР65);
встроенные в обмотку статора терморезисторы контролируют нагрев двигателя и исключают его выход из строя при любом виде перегрузки;
импульсный фотоэлектрический датчик 1024 имп./об. обеспечивает диапазон регулирования частоты вращения до 1:5000
Сделаем выводы:
в области регулируемых сервоприводов наметилась тенденция замены электроприводов постоянного тока с аналоговыми системами регулирования на электроприводы переменного тока с цифровыми системами регулирования;
регулируемые асинхронные электроприводы на базе современных малогабаритных преобразователей частоты позволяют с высокой степенью надежности и эффективности решать различные задачи автоматизации производства и экономии электроэнергии. Эти приводы целесообразно применять для бесступенчатого регулирования скорости подачи в деревообрабатывающих станках и машинах;
асинхронные сервоприводы имеют неоспоримые преимущества перед синхронными при больших мощностях и крутящих моментах более 29?30 Н/м (например, привод вращения шпинделей в лущильных станках);
при необходимости высокого быстродействия (длительность автоматического цикла не превышает нескольких секунд) и величине развиваемых моментов до 15?20 Н/м следует применять регулируемые сервоприводы на базе синхронных двигателей с различными типами датчиков, которые позволяют регулировать частоту вращения до 6000 об./мин. без снижения момента;
частотно-регулируемые сервоприводы на базе синхронных двигателей переменного тока позволяют создавать быстродействующие системы позиционирования без применения ЧПУ.
Сервоприводом (англ. servo) называется такой привод, точное управление которым осуществляется через отрицательную обратную связь, и позволяет таким образом добиться требуемых параметров движения рабочего органа.
Механизмы этого типа имеют датчик, отслеживающий конкретный параметр, например скорость, положение или усилие, а также блок управления (механические тяги или электронную схему), задача которого - поддерживать в автоматическом режиме необходимый параметр в процессе работы устройства, в зависимости от сигнала с датчика в каждый момент времени.
Исходное значение рабочего параметра задается посредством управления, например или при помощи другой внешней системы, куда вводится численное значение. Так, сервопривод автоматически исполняет поставленную задачу, - опираясь на сигнал с датчика, он точно подстраивает заданный параметр, и поддерживает его устойчиво на исполнительном органе.
Многие усилители и регуляторы с отрицательной обратной связью могут быть отнесены к сервоприводам. Например, к сервоприводам относятся тормозная система и рулевое управление в автомобилях, где усилитель ручного привода обязательно имеет отрицательную обратную связь по положению.
Основные компоненты сервопривода:
Привод;
Датчик;
Блок управления;
Конвертер.
В качестве привода может использоваться например пневмоцилиндр со штоком или электродвигатель с редуктором. Датчиком обратной связи может быть или, например, . Блок управления - индивидуальный инвертор, преобразователь частоты, сервоусилитель (англ. Servodrive). В блок управления может сразу входить и датчик управляющего сигнала (конвертер, вход, датчик воздействия).
В самом простом виде блок управления для электрического сервопривода строится на базе схемы сравнения значений сигналов задаваемого и сигнала, идущего с датчика обратной связи, по результатам которого на электродвигатель подается напряжение соответствующей полярности.
Если требуется плавный разгон или плавное торможение, с целью избежать динамических перегрузок электродвигателя, то реализуют более сложные схемы управления на микропроцессорах, способные позиционировать рабочий орган более точно. Так к примеру устроен привод позиционирования головок в жестких дисках.
Точное управление группами или одиночными сервоприводами достигается применением контроллеров ЧПУ, которые, кстати, могут быть построены на программируемых логических контроллерах. Сервоприводы на основе таких контроллеров достигают по мощности 15 кВт, и могут развивать крутящий момент до 50 Нм.
Сервоприводы вращательного движения бывают синхронными, с возможностью исключительно точного задания скорости вращения, угла поворота и ускорения, и асинхронными, в которых скорость очень точно поддерживается даже на предельно низких оборотах.
Синхронные сервоприводы способны весьма быстро разгоняться до номинальных оборотов. Также распространены круглые и плоские сервоприводы линейного движения, позволяющие достигать ускорений вплоть до 70 м/с².
Принципиально сервоприводы подразделяются на электрогидромеханические и электромеханические. У первых движение порождается системой поршень-цилиндр, и быстродействие получается очень высоким. Вторые используют просто электромотор с редуктором, однако быстродействие получается ниже на порядок.
Область применения сервоприводов сегодня весьма широка, благодаря возможности исключительно точного позиционирования рабочего органа.
Здесь и механические задвижки, и клапаны, и рабочие органы различных инструментов и станков, особенно с ЧПУ, включая автоматы для заводского изготовления печатных плат, и различные промышленные роботы, и многие другие точные приборы. Очень популярны высокоскоростные сервоприводы в среде авиамоделистов. Конкретно у сервомоторов примечательна характерная равномерность движения и эффективность в плане энергопотребления.
Изначально в качестве приводов сервомоторов применялись моторы трехполюсные коллекторные, где ротор содержал обмотки, а статор - постоянные магниты. Мало того, имелся коллекторно-щеточный узел. Позже количество обмоток возросло до пяти, и крутящий момент стал больше, а разгон - быстрее.
Следующая стадия совершенствования - обмотки разместили снаружи магнитов, так уменьшился вес ротора, и сократилось время разгона, однако возросла стоимость. В итоге был сделан ключевой шаг совершенствования - отказались от коллектора (в частности распространение получили приводные моторы с постоянными магнитами на роторе), и двигатель получился бесщеточным, еще более эффективным, поскольку ускорение, скорость, и крутящий момент стали теперь еще выше.
В последние годы весьма популярными становятся сервомоторы , благодаря чему открываются широкие возможности как для любительского авиа и роботостроения (квадрокоптеры и т.д.), так и для создания точных станков.
В большинстве своем обычные сервоприводы для работы использует три провода. Один из них для питания, второй сигнальный, третий - общий. На сигнальный провод подается управляющий сигнал, согласно которому требуется установить положение выходного вала. Положение вала определяется схемой с потенциометром.
Контроллер по сопротивлению и значению сигнала управления определяет, в каком направлении нужно осуществить вращение, чтобы вал пришел в требуемое положение. Выше напряжение снимаемое с потенциометра - больше крутящий момент.
Благодаря высокой энергоэффективности, возможности точного управления, и отличным рабочим характеристикам, именно сервоприводы на базе бесколлекторных моторов все чаще можно встретить как в игрушках, так и в бытовой технике (сверхмощные пылесосы с фильтрами HEPA) и в промышленном оборудовании.
– это привод, вал которого может встать в заданное положение или поддерживать заданную скорость вращения. Другими словами, валом сервопривода можно управлять, например, задавая ему положение в градусах или определенную частоту вращения.Сервоприводы используются в самых разных областях, например, в робототехнике они помогают моделировать различные движения роботов. Сервоприводы – эффективное решение для перемещения механизмов в пространстве.
Устройство сервопривода
Если говорить об основных элементах сервопривода, то он состоит из блока управления, мотора и датчика.
Управление происходит через печатную плату, к которой подключен мотор постоянного тока и потенциометр (датчик). Внутри блока управления также находятся шестерни редуктора.
Фактически сам привод представляет собой электрический мотор с редуктором, именно электромотор преобразует электричество в механическое действие. Но скорость вращения мотора не всегда подходит для достижения поставленных целей. Чтобы было возможно управлять вращением мотора, используется редуктор. В итоге он понижает скорость вращения выходного вала до нужного значения. Потенциометр контролирует получаемый на выходе результат.
Также из сервопривода выходят три провода. Два из них питают мотор, третий провод используется для подачи сигнала, который несет в себе заданное значение.
Принцип работы
При включении электромотора запускается вращение выходного вала. К нему можно подключить или присоединить то, чем в дальнейшем планируется управлять.
Сервопривод получает заданное значение, после этого сравнивает данное значение со значением на своем датчике. В случае расхождения блок управления стремится достичь и поддержать заданное значение, чтобы оно по возможности совпадало со значением, которое поступает с датчика.
Основные технические характеристики сервопривода
Крутящий момент (Усилие на валу) . Измеряется в кг/см. Представляет собой произведение силы на длину рычага. На практике крутящий момент отвечает за ускорение выходного вала и его способность преодолевать сопротивление вращению. Чем выше крутящий момент, тем больше возможностей у мотора реализовать свой потенциал.
Скорость поворота . Означает скорость, с которой выходной вал сервопривода меняет свое положение. Угол изменения положения указывается в градусах.
Угол поворота . Это максимальный угол, на который может повернуться выходной вал. Наиболее распространенные значения для этой характеристики: 180° и 360°.
Габариты сервопривода . Сервоприводы бывают маленькие, стандартные и большие. Стандартные сервоприводы самые недорогие. При отклонении габаритов от стандартных значений цена, как правило, меняется пропорционально такому отклонению.
Материал шестерней . Шестерни редуктора производятся из пластика, карбона, металла. Пластиковые шестерни легкие, но не предназначены для серьезных нагрузок. Карбоновые шестерни более прочные, но и более дорогие. Металлические шестерни – самые тяжелые, идеально подходят для максимальных нагрузок.
Виды сервоприводов
Сервоприводы бывают цифровые и аналоговые.
По внешнему виду они почти не отличаются друг от друга. Основное отличие заключается в принципе управления мотором. У аналоговых сервоприводов управление происходит с помощью специальной микросхемы, цифровые сервоприводы обладают микропроцессором. Микросхема и микропроцессор способны принимать и анализировать управляющие импульсы. Только на микросхему они обычно поступают с частотой 50 Гц, а на микропроцессор – с частотой 200 Гц и более. В результате этого цифровой сервопривод мобильнее и четче реагирует на управляющий сигнал.
Цифровые сервоприводы – это новый шаг в развитии техники, и они характеризуются рядом преимуществ. К таким преимуществам относятся: высокая точность позиционирования, возможность более быстрого управления приводом, возможность поддержания постоянного крутящего момента.
Подключение к Arduino
Для достижения самых разных целей робототехники к программируемому контроллеру Arduino может быть подключен сервопривод. Подключение осуществляется через кабели, которые выходят из сервопривода. Обычно это три кабеля: красный; коричневый или черный; желтый, оранжевый или белый.
Красный кабель отвечает за питание сервопривода. Коричневый - за заземление. Желтый – подключается непосредственно к плате Arduino и предназначен для передачи управляющего сигнала.
Подключение сервопривода к плате Arduino производится через ШИМ-выводы.
Итак, черный провод подключается к любому GND-пину.
Красный кабель питания (VTG) - к соответствующему выводу для подключения питания.
Белый сигнальный кабель – к ШИМ-выводу.
Питание сервоприводов
Большинство плат Arduino рассчитано на 500 мА. Исходя из этого, сервопривод является достаточно энергоемким компонентом, так как потребляет более 100 мА. Если в ходе проекта требуется использование мощного сервопривода или нескольких сервоприводов, то необходимо позаботиться об их дополнительном питании. Проблема дополнительного питания сервоприводов может быть решена следующим образом:
Обеспечить питание сервопривода от дополнительно приобретенного блока питания, например, 5 или 6 В;
При отсутствии блока питания с нужным напряжением, можно использовать стабилизатор.
Напрямую к Arduino можно подключать только маломощный сервопривод. В противном случае пользователя ожидают разные побочные эффекты: от перезагрузки платы до перегорания отдельных компонентов.
Количество сервоприводов
Количество подключаемых к плате Arduino сервоприводов ограничено. Большинство моделей Arduino предусматривает подключение 12 сервоприводов, Arduino Mega позволяет подключить до 48 сервоприводов.
Управление сервоприводом
Библиотека Servo
Библиотека для сервопривода содержит в себе набор дополнительных команд, которые позволяют вводить программу в упрощенном виде.
На сегодняшний день уже написаны программы для самых разных целей.
Библиотеки можно подобрать по ссылке .На платах Arduino за исключением модели Arduino Mega обращение к библиотеке отключает функцию analogWrite(PWM) на пинах 9 и 10. Наличие подключения сервопривода или отсутствие такового при этом роли не играет. На платах Arduino Mega можно подключить до 12 сервомоторов без отключения функции PWM.
Для управления сервоприводом предусмотрена библиотека Servo.h.
Вызывается она через #include
Управляющий сигнал
Для управления сервоприводом управляющий сигнал приобретает решающее значение. Он представляет собой импульс, который имеет нужную ширину и посылается с соответствующей частотой. Ширину импульса можно вбивать в программном коде вручную, методом подбора достигнув точного угла, или использовать команды библиотеки, указывая нужный угол в градусах. У разных марок сервоприводов ширина импульса для поворота выходного вала на определенный угол может быть различна.
Импульсы отвечают как за движение сервопривода, так и за его неподвижное положение. Работа сервопривода происходит в замкнутом цикличном кругу посылаемых импульсов.
Управляющие команды
Управление сервоприводом через библиотеку основано на следующих командах:
Если в работе сервопривода возникают нарушения, то, как правило, об этом говорят соответствующие шумы: жужжание, потрескивание и прочее. Ниже рассмотрим основные причины таких шумов.
Невозможность поворота на заданный угол
Бывают случаи, когда поворот сервопривода на заданный угол невозможен. Например, на его пути возникает какая-либо преграда. Этой преградой может стать закрепленное на сервоприводе устройство или его часть. Упираясь в преграду, сервопривод начинает характерно жужжать. Чтобы решить данную проблему, в программу вносятся команды, ограничивающие перемещение сервопривода путем изменения угла перемещения.
Настройки начальной и конечной позиции
Иногда необходимо подкорректировать координаты начальной или конечной позиции. Это нужно когда значения датчика и фактического положения выходного вала расходятся относительно конечной позиции последнего. Например, выходной вал находится в конечной позиции, но датчик считает, что он еще ее не достиг и пытается заставить выходной вал продолжить движение. Возникает характерный шум. В этом случае начальная позиция не обязательно должна начинаться с 0°С, а конечная не обязательно должна заканчиваться на 180°C. Эти предельные значения можно немного сдвинуть на 5-10°C, и проблема будет решена.
Заключение
На сегодняшний день сервопривод – это необходимый элемент в робототехнике, с помощью которого воплощаются многие творческие проекты. Этот умный управляемый моторчик предназначен для моделирования движения. Пользоваться его функциями достаточно просто, уже написано множество программ, которые могут быть использованы в качестве трафарета для воплощения собственных идей. Сервопривод подключается к программируемому контроллеру Arduino. Все тонкости этого процесса подробно освещены как в этой статье, так и в других статьях, выложенных в сети.
Современные магазины предлагают большой выбор сервоприводов. Зная нужные характеристики, легко подобрать подходящую модель.
