Сервопривод принцип работы. Сервопривод: принцип работы, виды и применение в автоматизации

Принцип работы

Принцип работы сервоприводов сводится к использованию импульсного сигнала, который изменяется по трем параметрам – частоте повторения, минимальной и максимальной продолжительности. Именно длительность импульса задает угол поворота мотора.

Сигналы, поступающие на сервопривод, имеют стандартную частоту, а их продолжительность может равняться от 0,8 до 2,2 мс (в зависимости от модели). Параллельно с получением управляющего импульса начинается работа генератора опорного импульса, который связан с датчиком обратной связи. Тот, в свою очередь, механически соединен с выходным валом и отвечает за изменение его положения.

Электронный блок анализирует импульсы по длительности и на основе полученных величин определяет разницу между заданным извне положением вала и реальным (измеренным датчиком). С учетом этого происходит корректировка работы путем подачи напряжения на питание двигателя.

Виды

Сервоприводы вращательного движения. Чаще всего используются в полиграфических, упаковочных станках, авиамоделировании. Делятся на:

• синхронные – дают возможность точно задавать степень поворота (с точностью до угловых минут), скорость, ускорение. Достигают максимальных оборотов быстрее асинхронных, дороже их в несколько раз;
• асинхронные — позволяют точно выполнять команды скорости даже на малых оборотах.

Сервоприводы линейного движения. Данные устройства могут развивать значительную скорость (до 70 м/с²), что делает их востребованными в автоматах монтажа электронных деталей на печатную плату. Делятся на плоские и круглые модели.

Также сервоприводы классифицируются по принципу действия на электромеханические, где движение обеспечивают мотор и редуктор, и электрогидромеханические, где действует система ил поршня и цилиндра. Вторая группа устройств дает более высокие показатели быстродействия.

Сервопривод или шаговый двигатель?

Сервопривод – это мотор с дополнительным датчиком контроля, обеспечивающим обратную связь. При работе двигатель удерживается в заданном положении, а все отклонения вала фиксируются и исправляются уже на следующем шаге. Шаговый двигатель – это электромотор, функционирующий на основе тандема плата-драйвер и обеспечивающий точность хода только на малых оборотах. Каждый вид оборудования используется в своих целях, и между собой эти виды двигателей не конкурируют.

Сравнительный анализ

Факторы выбора между сервоприводом и шаговым двигателем, их преимущества и недостатки наглядно представлены в таблице.

Выводы

Сервопривод и шаговый двигатель выбираются под каждую задачу, причем в одном станке или устройстве могут быть использованы одновременно оба вида.

Сервоприводы востребованы в тех механизмах, где необходимо точное позиционирование узлов для их синхронизации с другими деталями. В частности, сервоприводы широко применяются в обрабатывающих станках. Шаговые двигатели прочно заняли свою нишу в станках с ЧПУ (3D-принтеры, гравировальные машины, оборудование для металлообработки и лазерной резки) и в робототехнике.

Сервопривод для систем отопления. Для чего он нужен и принцип его работы

Для чего нужен сервопривод

При организации в помещениях контроля температурного и теплового комфорта в автоматическом режиме (систем радиаторного отопления или водяного теплого пола) термоэлектрические сервоприводы играют важную роль. Сервопривод нужен для регулирования количества теплоносителя, проходящего через термостатический клапан радиатора отопления или гребенки теплого пола. Сервопривод получает сигнал с термостата, и в зависимости от температуры в помещении закрывает или открывает клапан.

Применение сервопривода позволяет контролировать и поддерживать необходимую температуру автоматически с достижением  максимально комфортных условий в помещениях.

Устройство сервопривода

Устройство сервопривода выглядит следующим образом. Привод имеет наружный корпус (12), внутри которого расположен герметически закрытый сильфон (11)(специальная емкость с эластичными стенками), который соединен с толкательной манжетой (5) через подвижную платформу (4). Платформа приводится в движение прижимной пружиной (9), а пружина возвратная (10) предназначена для возврата платформы в первоначальное положение. Внутри сильфона закачан специальный наполнитель, очень быстро реагирующий на колебания температуры, и здесь же размещен, зачастую сделанный из нихромового сплава, нагревательный элемент (2). Нагревательный элемент подключается непосредственно к основному электрическому кабелю.

Принцип работы

Принцип работы сервопривода (электротермического привода) основан на свойстве теплового расширения тел при нагревании, в данном случае воздействии электрического тока.

Рассмотрим, как происходит процесс терморегуляции при работе сервопривода. В момент изменения (увеличения или падения) комнатной температуры, датчик комнатного термостата подает сигнал, замыкаются контакты, в результате происходит подача электрического напряжения на сервопривод.

Почему сервопривод перекрывает клапан?

Нихромовый элемент под воздействием электрического тока нагревается, выделяемая тепловая энергия передается термочувствительному веществу сильфона. Внутренний объем сильфона увеличивается, через подвижную платформу прижимная пружина начинает воздействовать на толкательную манжету.

В результате манжета перемещает шток термостатического клапана в нижнее положения, закрывая подачу теплоносителя в систему.

Почему сервопривод открывает клапан?

Происходит охлаждение системы отопления, комнатная температура начинает опускаться, и на комнатном термостате размыкаются контакты. Так как электричество на сервопривод не подается, тепловое воздействие не происходит, термочувствительный наполнитель начинает охлаждаться. Рабочий объем сильфона уменьшается в размерах, а под воздействием возвратной пружины толкательная манжета перемещается в первоначальное положение. Термостатический клапан переходит в открытое положение, пропуская теплоноситель в систему. Таким образом снова начинается прогрев.

Цикл открытия/закрытия термостатического клапана постоянно повторяется, и в итоге система отопления отдает такое количество тепла, которое необходимо для поддержания параметров комфортной температуры воздуха в помещениях.

Как мы указывали ранее, работа сервопривода устроена на преобразовании электрической энергии в тепловую, а тепловая энергия сервопривода механически воздействует на термостатический клапан. Поэтому сервоприводы имеют свое полное наименование термоэлектрические регуляторы.

Сервопривода отличаются по типу и по способу электрического питания.

По типу сервопривода разделяются на нормально закрытые (NC) и нормально открытые (NO). В чем разница?

В нормально закрытых сервоприводах (NC) при отсутствии электрического напряжения контактная платформа с прижимным кольцом находятся в нижнем положении, т. е. термостатический клапан будет перекрыт, и соответственно теплоноситель не поступает в систему. Такие сервопривода обычно применяются в системах, где напольное отопление является дополнительным. Например, если для основного обогрева помещений используется радиаторное отопление, а теплые полы выполняют функцию поддержания комфортной температуры пола.

В нормально открытых сервоприводах (NO) обратная ситуация – при отсутствии электрического напряжения платформа с прижимным кольцом находятся в верхнем положении, т.е. термостатический клапан будет открыт, и теплоноситель поступает в систему. Использование нормально открытых сервоприводов целесообразно в системах, где напольное отопление является основным, и период отопительного сезона длительный. Следует отметить, что в случае прекращения электрического напряжения, термостатические клапана будут в открытом положении, теплоноситель продолжит циркуляцию, и система останется в стадии обогрева.

По способу электрического питания

сервоприводы имеют напряжение 24 В постоянного тока, и 220В переменного. Применяются в зависимости от технических характеристик комнатных термостатов или клемных колодок (коммутаторов), с которых подается напряжение на термоэлектрические сервоприводы.

Как выбрать?

В заключение хочется отметить, что сервопривода к термостатическим клапанам желательно подбирать одного производителя, так как у различных производителей накидная гайка для подключения имеет разную резьбу, а также различаются размеры посадочного места непосредственно на клапане. В результате может сервопривод не корректно работать, или окажется что он полностью не совместим с термостатическим клапаном. Касательно выбора производителей следует учитывать, что автоматика должна служить длительный период, поэтому лучше сразу выбрать качественную арматуру и получать комфорт в течении нескольких лет. У многих европейских производителей, таких как Danfoss, Oventrop, Honeywell, Schlosser, Herz, Valtec, MNG, Heimeier, Rehau вся продукция сертифицирована, имеет установленные гарантийные обязательства, и обычно срок службы комплектующих составляет 10-20 лет.

Основы сервопривода и принцип работы

Основы сервопривода
Что такое сервопривод? Сервопривод представляет собой своего рода контроллер для управления сервосистемой. Его функция аналогична частотному эффекту обычного двигателя переменного тока, который является частью сервосистемы и в основном применяется в высокоточной системе позиционирования. Как правило, серводвигатель управляется тремя способами: местоположением, скоростью и крутящим моментом, чтобы реализовать высокоточное позиционирование системы трансмиссии.

Принцип работы сервопривода
Как работает сервопривод? Сервопривод использует процессор цифровых сигналов (DSP) в качестве ядра управления, реализуя сложный алгоритм управления, оцифровку, сетевое взаимодействие и интеллектуализацию. Силовое устройство обычно использует интеллектуальный силовой модуль (IPM) в качестве управляющей схемы базовой конструкции. Интегрированная схема привода IPM с защитой от перенапряжения и перегрузки по току, перегревом, недостаточным напряжением и защитой. Схема плавного пуска также добавлена ​​в основной контур, чтобы уменьшить воздействие на привод в процессе пуска.
Сначала блок силового привода выпрямляется трехфазной мостовой выпрямительной схемой для ввода трехфазной электрической или муниципальной энергии, и получается соответствующая мощность постоянного тока. Трехфазная мощность или электропитание после выпрямления могут управлять серводвигателем переменного тока через трехфазное синусоидальное преобразование частоты инвертора источника напряжения ШИМ. Весь процесс силового привода можно просто описать как процесс AC-DC-AC. Основной топологией выпрямительного блока (AC-DC) является трехфазная полная мостовая схема неуправляемого выпрямителя.

Методы управления сервоприводом
Сервопривод обычно имеет три метода управления: режим управления положением, режим управления крутящим моментом и метод управления скоростью.

1. Режим управления положением может определять скорость вращения, как правило, через частоту внешних входных импульсов и угол поворота по количеству импульсов. Некоторые сервосистемы могут задавать скорость и перемещение напрямую посредством связи. Поскольку режим положения может строго контролировать скорость и положение, он обычно используется в устройстве позиционирования.
2. Режим управления крутящим моментом назначается внешним аналоговым входом или прямым адресом для установки внешнего выходного крутящего момента вала двигателя. Крутящий момент можно изменить, немедленно изменив настройку аналога, и соответствующее значение адреса может быть реализовано путем изменения режима связи. Основное применение имеет строгие требования к материалу, подвергающемуся нагрузке в устройстве намотки и размотки, таком как устройство намотки или волоконно-оптическое оборудование. Установка крутящего момента должна быть изменена в любое время в соответствии с радиусом намотки, чтобы гарантировать, что сила материала не изменится при изменении радиуса намотки.
3. Режим скорости может управлять скоростью вращения посредством ввода аналоговой величины или частоты импульсов. ПИД-регулятор внешнего контура с верхним устройством управления можно позиционировать. Но сигнал положения двигателя или сигнал положения прямой нагрузки следует отправлять на верхнюю обратную связь для расчета. Режим положения также поддерживает прямой сигнал положения определения контура нагрузки. В этот момент кодер на конце вала двигателя может определять только скорость двигателя, а сигнал положения обеспечивается устройством обнаружения непосредственно на конце конечной нагрузки. Преимущество этого метода в том, что он может уменьшить ошибку в процессе промежуточной передачи и повысить точность позиционирования во всей системе.

ATO.com предлагает привод серводвигателя переменного тока, однофазный или трехфазный вход 220 В, трехфазный вход 380 В, который отлично подходит для приложений, требующих методов управления положением, скоростью и крутящим моментом. Все наши бесколлекторные серводвигатели переменного тока ATO мощностью от 50 Вт до 7,5 кВт будут идеально работать с этим типом сервопривода.

Основы серводвигателя, принцип работы и теория

Серводвигатель — это тип двигателя, который может вращаться с большой точностью. Обычно этот тип двигателя состоит из схемы управления, которая обеспечивает обратную связь о текущем положении вала двигателя, эта обратная связь позволяет серводвигателям вращаться с большой точностью. Если вы хотите повернуть объект на определенный угол или расстояние, то вы используете серводвигатель. Он просто состоит из простого двигателя, который работает через сервомеханизм . Если двигатель питается от источника постоянного тока, то он называется серводвигателем постоянного тока, а если это двигатель с питанием от переменного тока, то он называется серводвигателем переменного тока. В этом уроке мы будем обсуждать только серводвигатель постоянного тока , работающий . Помимо этих основных классификаций, существует множество других типов серводвигателей, основанных на типе зубчатой ​​передачи и рабочих характеристиках. Серводвигатель обычно поставляется с редукторным механизмом, который позволяет нам получить серводвигатель с очень высоким крутящим моментом в небольших и легких корпусах. Благодаря этим характеристикам они используются во многих приложениях, таких как игрушечные автомобили, радиоуправляемые вертолеты и самолеты, робототехника и т. д.

Серводвигатели измеряются в кг/см (килограмм на сантиметр), большинство серводвигателей для хобби рассчитаны на 3 кг/см, 6 кг/см или 12 кг/см. Этот кг/см показывает, какой вес ваш серводвигатель может поднять на определенное расстояние. Например: Серводвигатель 6 кг/см должен быть в состоянии поднять 6 кг, если груз подвешен на расстоянии 1 см от вала двигателя, чем больше расстояние, тем меньше грузоподъемность. Положение серводвигателя определяется электрическим импульсом, а его схема размещается рядом с двигателем.

Состоит из трех частей:

1. Управляемое устройство
2. Выходной датчик
3. Система обратной связи

Это замкнутая система, в которой используется система положительной обратной связи для управления движением и конечным положением вала. Здесь устройство управляется сигналом обратной связи, генерируемым путем сравнения выходного сигнала и эталонного входного сигнала.

Здесь опорный входной сигнал сравнивается с опорным выходным сигналом, и третий сигнал вырабатывается системой обратной связи. И этот третий сигнал действует как входной сигнал для управления устройством. Этот сигнал присутствует до тех пор, пока генерируется сигнал обратной связи или существует разница между опорным входным сигналом и опорным выходным сигналом. Таким образом, основной задачей сервомеханизма является поддержание выходной мощности системы на желаемом уровне при наличии шумов.

Принцип работы серводвигателя

Серводвигатель состоит из двигателя (постоянного или переменного тока), потенциометра, редуктора и схемы управления. Прежде всего, мы используем редуктор для снижения оборотов и увеличения крутящего момента двигателя. Скажем, в исходном положении вала серводвигателя положение ручки потенциометра таково, что на выходном порту потенциометра не генерируется электрический сигнал. Теперь на другой вход усилителя детектора ошибок подается электрический сигнал. Теперь разница между этими двумя сигналами, один из которых поступает от потенциометра, а другой поступает из других источников, будет обрабатываться в механизме обратной связи, и на выходе будет обеспечен сигнал ошибки. Этот сигнал ошибки действует как вход для двигателя, и двигатель начинает вращаться. Теперь вал двигателя соединен с потенциометром, и когда двигатель вращается, потенциометр и он будут генерировать сигнал. Таким образом, при изменении углового положения потенциометра изменяется его выходной сигнал обратной связи. Через некоторое время положение потенциометра достигает положения, при котором выход потенциометра совпадает с внешним сигналом. В этом состоянии не будет выходного сигнала от усилителя на вход двигателя, так как нет разницы между внешним приложенным сигналом и сигналом, генерируемым на потенциометре, и в этой ситуации двигатель перестанет вращаться.

Взаимодействие серводвигателей с микроконтроллерами:

Сопряжение серводвигателей для хобби, таких как серводвигатель s90, с микроконтроллером очень просто. Из сервоприводов выходит три провода . Из которых два будут использоваться для питания (положительный и отрицательный), а один будет использоваться для сигнала, который должен быть отправлен с MCU. Серводвигатель Metal Gear MG995 , который чаще всего используется для радиоуправляемых автомобилей, роботов-гуманоидов и т. д. Изображение MG995 показано ниже:

Цветовая маркировка вашего серводвигателя может отличаться, поэтому сверьтесь с соответствующей спецификацией.

Все серводвигатели работают напрямую с вашими шинами питания +5 В, но мы должны быть осторожны с величиной тока, который будет потреблять двигатель, если вы планируете использовать более двух серводвигателей, необходимо разработать соответствующий сервощит.

Все двигатели имеют три провода, выходящие из них. Из которых два будут использоваться для питания (положительный и отрицательный), а один будет использоваться для сигнала, который должен быть отправлен от MCU.

Серводвигатель управляется с помощью ШИМ (импульсный с модуляцией), который обеспечивается управляющими проводами. Есть минимальный импульс, максимальный импульс и частота повторения. Серводвигатель может поворачиваться на 90 градусов в любом направлении из нейтрального положения. Серводвигатель ожидает появления импульса каждые 20 миллисекунд (мс), и длина импульса будет определять, насколько далеко повернется двигатель. Например, импульс 1,5 мс заставит двигатель повернуться на 90°, например, если импульс короче 1,5 мс, вал сдвинется на 0°, а если он длиннее 1,5 мс, сервопривод повернется на 180°.

Серводвигатель работает по принципу PWM (широтно-импульсная модуляция)  , то есть его угол поворота контролируется длительностью импульса, подаваемого на его управляющий контакт. В основном серводвигатель состоит из двигателя постоянного тока , который управляется переменным резистором (потенциометром) и некоторыми шестернями . Высокоскоростная сила двигателя постоянного тока преобразуется в крутящий момент шестернями. Мы знаем, что РАБОТА = СИЛА X РАССТОЯНИЕ, в двигателе постоянного тока сила меньше, а расстояние (скорость) высокое, а в сервоприводе сила высокая, а расстояние меньше. Потенциометр подключен к выходному валу сервопривода, чтобы рассчитать угол и остановить двигатель постоянного тока на требуемом угле.

Серводвигатель может поворачиваться от 0 до 180 градусов, но может быть и до 210 градусов, в зависимости от производства. Этой степенью вращения можно управлять, подавая электрический импульс соответствующей ширины на его управляющий контакт. Сервопривод проверяет пульс каждые 20 миллисекунд. Импульс шириной 1 мс (1 миллисекунда) может повернуть сервопривод на 0 градусов, 1,5 мс может повернуть на 90 градусов (нейтральное положение), а импульс 2 мс может повернуть его на 180 градусов.

Все серводвигатели работают напрямую с вашими шинами питания +5 В, но мы должны быть осторожны с величиной тока, который будет потреблять двигатель, если вы планируете использовать более двух серводвигателей, необходимо разработать соответствующий сервощит.