Servopohon: co to je, typy, princip činnosti servomotoru – jak to funguje a schéma zařízení servomotoru s fotografií

Pojďme k mechanismu, který je instalován v řadě strojů a aktivně se podílí na automatizaci výrobních procesů. Podívejme se, co znamená servopohon: struktura a princip činnosti, obvody a oblasti použití – všechny tyto a další důležité body jsou v centru naší pozornosti. Po přečtení informací budete vědět, co je tato pohonná jednotka zač, jak se liší od ostatních typů, proč a kdy ji používat.

Ujasněme si to hned: jeho poptávka není omezena na průmyslový sektor, potřebuje ho nejen zařízení. Funguje v topných zařízeních a klimatizačních systémech, v automobilech a dokonce i v amatérských rádiových instalacích. Relevantní všude tam, kde je potřeba nastavit pohyb a upravit zrychlení nebo zpomalení.

Servopohon – co to je?

Tento koncept obvykle znamená mechanismus vybavený elektromotorem, který lze umístit v požadovaném úhlu a zaaretovat v jedné poloze. Tato definice však není dostatečně obsáhlá, takže může a měla by být doplněna.

Toto je také pohonná jednotka, řízená prostřednictvím negativní zpětné vazby. Právě to druhé umožňuje citlivě ovládat zadané parametry pohybu. A prostě musí mít snímač – poloha, zatížení, rychlost – a řídící jednotku, která potřebné podmínky automaticky udržuje.

Mezi nejrozšířenější dnes patří modely, které zachovávají nastavený úhel a/nebo intenzitu technologické operace.

Zařízení servomotoru

Obecně má následující funkční jednotky:

1. Samotný pohon je motor, který přeměňuje elektrickou energii na mechanickou energii (rotační sílu); Pro snížení otáček na požadovanou úroveň je vybaven převodovkou, která přenáší točivý moment.
2. Kodér je snímač zpětné vazby, který převádí úhel natočení na řídicí signál, který řídí otáčení výstupního hřídele (k němu je připojen nástroj nebo nějaký jiný orgán pro provádění akce). K řešení tohoto problému se dobře hodí i potenciometr, který při pohybu jezdce proporcionálně mění svůj odpor a zajišťuje tak přesné polohování.
3. Elektronické plnění, které přijímá vstupní parametry, čte a porovnává hodnoty a provádí operace zapnutí/vypnutí, je také to, z čeho se servopohon skládá; všechny EPE jsou umístěny na desce s plošnými spoji, která pomáhá udržovat zpětnou vazbu a ve skutečnosti je nejdůležitější součástí motoru.
4. Elektroinstalace – nastaví se připojení napájení (dva kabely) a dodání řídícího signálu (další), zajišťující správnou polohu hřídele, potažmo použitého nástroje.

Tato konfigurace je dostatečně jednoduchá, aby zajistila nepřetržitou údržbu režimů a zůstala spolehlivá. Žádný takový uzel, který by se stal „slabým článkem“, prostě neexistuje, takže problémy s provozem vznikají poměrně zřídka. Trvání zdroje je také usnadněno specifiky fungování, k jejichž vlastnostem přejdeme.

Jak funguje servopohon?

Princip jeho fungování je založen na využití pulzního signálu, který má tři klíčové vlastnosti – frekvenci, nejkratší a nejvyšší trvání a právě ta druhá, tedy délka, nastavuje úhel natočení. Může být v rozsahu 0,8-2,2 ms. Jakmile dorazí na plošný spoj, aktivuje kodér (potenciometr) a přes mechanický převod i výstupní hřídel.

Elektronický obvod porovnává skutečnou polohu hřídele s naprogramovanou. V tomto případě jsou možné 3 stavy. A první z nich je nulový točivý moment, tedy úplná náhoda, což znamená, že pohonná jednotka nefunguje (zastavila se). U druhého je řídicí signál vyšší než referenční signál, což vyvolává rotaci v jednom směru, u třetího je nižší, což má za následek pohyb rotující části v druhém směru.

Princip činnosti servomotoru tedy spočívá v následujícím:

• pohon přijímá vstupní impuls, například příkaz ke změně úhlu;
• řídicí jednotka koreluje přijatý signál se skutečnými hodnotami získanými snímačem;
• Na základě výsledků analýzy tato deska vydává povel – pohyb po nějakém vektoru, zrychlení nebo zpomalení – a je nezbytně zaměřen na přivedení skutečné figury k danému a potřebnému.

Porovnání se provádí na základě rozdílových hodnot a zohledňuje parametr trvání, a proto určuje rozložení ukazatelů s maximální přesností. Tato funkce umožňuje zajistit potřebné polohování nástroje.

Typy serv

Jsou klasifikovány hlavně podle typu použitého motoru, se zvýrazněním:

• synchronní – vyznačuje se rychlým zvýšením rychlosti a přesností otáčení;
• asynchronní – jejich klíčovou vlastností je vysoká stabilita chování hřídele;
• univerzální – vybavené komutátorovou napájecí jednotkou, ať už AC nebo DC.

První jmenované jsou obzvláště žádané v automobilovém průmyslu a jsou aktivně instalovány v automatických převodovkách pro bezproblémové řazení. Jsou také relevantní pro speciální zařízení přepravující náklady o hmotnosti nad 100 kg. Druhý a třetí jsou více zaměřeny na různá průmyslová zařízení.

Pokud se na servomotor podíváme komplexně – co to je, jeho princip činnosti, jeho typy – pak je třeba věnovat pozornost jeho hlavním provozním parametrům. Seznam klíčových vlastností všech jejích modelů:

• kroutící moment (vytvořená síla) – musí být zapsán do pasu, a to ve dvou množstvích najednou, pro různá napájecí napětí;
• možnost dodávaného impulsu, protože jej lze ovládat pomocí digitálního i analogového signálu;
• rychlost – určuje dobu, po kterou se hřídel pohybuje (ve směru nebo proti směru hodinových ručiček) o 60 stupňů;
• podporovaný úhel natočení – obvykle je to buď 180 0 (poloviční cyklus) nebo 360 0 (plný); i když dnes existují upravené modely, ve kterých je rotace kontinuální;
• materiál pro převody – může to být plast, uhlík, mosaz nebo kompozit;
• napětí – pohybuje se v rozmezí od 4,8 do 7,2 V (pro hlavní skupinu pohonných jednotek);
• barvy vodičů a vývody jsou obvykle všechny standardní: černá – obecná, červená – napájení, bílá (žlutá nebo hnědá) – ovládání.

Několik dalších nuancí: konstrukce servomotoru může vyžadovat přítomnost motoru s jádrem. Toto není nejlepší volba, protože jeho provoz způsobuje vibrace, které snižují přesnost otáčení hřídele. Proto je praktičtější volit modely, u kterých bude kinetická energie rotoru v praxi minimální, i když jsou poněkud dražší. To platí zejména v případech s provozem CNC strojů, které vyrábějí složité díly.

A pár slov k převodovce: může být ozubená nebo šneková. První je dnes více žádaný, protože je cenově dostupnější a poměrně účinně snižuje rychlost otáčení a poskytuje požadovaný točivý moment. Druhý, navzdory lepšímu převodovému poměru, se vyrábí a je méně obvyklý, protože jeho výroba má za následek vážnější náklady.

Dalším důležitým faktorem rozdílu mezi typy jsou celkové rozměry, a to poměr DxŠxV a hmotnost. V souladu s nimi se rozlišují tři skupiny pohonných jednotek:

• malé – 22 x 15 x 25 mm a do 25 g;
• standardní (střední) – 40 x 20 x 37 mm a do 80 g;
• velké – 49 x 25 x 40 mm a do 90 g.

Další rozdíl je v rozhraní:

• analog – impulsy jsou zpracovávány mikroobvodem;
• digitální – signály jsou čteny procesorem.

Při rozhodování, k čemu je servopohon potřeba, nezapomeňte, že nuance jsou ve výplni, ale vnější design může být naprosto stejný.

Různé modely lze také rozdělit podle materiálu ozubených kol – do následujících skupin:

• s plastem (nylon) – lehký, odolný proti opotřebení, ale ne proti velkému zatížení;
• s uhlíkovými – odolnější, nemají významnou hmotnost, ale také stojí několikrát více než předchozí;
• s kovem (mosaz, titan) – těžký, vydrží i ten nejzávažnější kroutící moment, ale tře se o sebe.

A nakonec jsou možnosti s jádrem (kolektorem) a bez něj. První z nich mají dutý rotor v několika sekcích, mezi kterými dochází při rotaci k vibracím. Proto jsou méně přesné než ty, jejichž pohyblivá část je dutá, a také jsou těžší a poskytují delší odezvu, i když jsou levnější.

Aplikace serv

Dnes jsou široce používány v různých oblastech:

• v robotice a vytváření manipulátorů; k jejich ovládání zase využívají hardware a software Arduino;
• implementovat systém vyhřívané podlahy – pomáhají automaticky regulovat teplotu, podle potřeby ji snižovat nebo zvyšovat;
• v automobilovém průmyslu – pro integraci se zámky, dodávání kapaliny do topení, řazení v automatických převodovkách;
• v nákladním zařízení – nastavují režimy uchopování, zvedání, přepravy, spouštění a uvolňování předmětů velmi rozdílných hmotností a rozměrů.

To nejsou všechny možné oblasti a výklenky – tyto pohonné jednotky jsou ve skutečnosti relevantní všude tam, kde je nutné přesně řídit pohyb hřídele.

Vlastnosti zařízení AC Servo Drive

Jedná se o podtyp synchronního modelu, ve kterém se rotor otáčí stejnou frekvencí, jaká je vlastní magnetickému poli vytvářenému vinutím statoru. Do posledně jmenovaného je odesláno třífázové napětí, čímž se spustí celý proces fungování.

K pohyblivé části je připevněn kodér, jehož rozlišení je poměrně vysoké. Jeden signál je z něj vysílán na první vstup a další signál je posílán z elektronické desky na druhý. Tato dvojice je porovnávána a rozdíl mezi nimi je indikátorem nesouladu, na základě kterého je nutné nastavit povel k dodání příslušného napětí pro co nejčasnější výskyt nulového momentu.

Při čtení o tom, jak model funguje, se v technické literatuře často můžete setkat s pojmem „servozesilovač“: co to je? Tato deska je řídicí jednotka a už jsme zjistili, co to je a k čemu je potřeba, takže se nové definice nebojte.

Výhody a nevýhody

Uvažované pohonné jednotky mají celou řadu funkcí, a pokud je porovnáme s krokovými, lze identifikovat řadu výhod.

Mezi objektivní výhody:

• přesné, často dokonce přesné polohování;
• rychlé zvýšení točivého momentu a snížení rychlosti pomocí převodovky;
• bezproblémová korekce – změny v programu lze provádět v řádu minut úpravou pohybu pracovního nástroje podle prvních získaných praktických výsledků;
• vynikající odolnost vůči fyzikálním, teplotním a jiným zátěžím po dlouhou dobu nepřetržitého provozu;
• vývoj významných zrychlení zajišťujících vynikající kompatibilitu s vysokorychlostními zařízeními, například s univerzálními obráběcími stroji od výrobce Iževsk – závod Sarmat;
• udržování rovnoměrného točivého momentu v celém provozním rozsahu.

Použití servopohonu není úplné jen proto, že má také některé nevýhody.

V seznamu relativních mínusů:

• v přítomnosti plastových ozubených kol nebo měkkých kovových částí se převodovka stává „slabým článkem“, který selže při intenzivních nárazech;
• odporové stopy se opotřebují v relativně krátké době (relevantní pro modely s potenciometrem);
• taková pohonná jednotka je dražší než kroková jednotka;
• program vhodný pro vysokou přesnost se v praxi často ukazuje jako obtížně nastavitelný.

Je zřejmé, že přínosy mají mnohem důležitější dopad a jsou zodpovědné za významnou míru poptávky v různých oblastech.

Režimy ovládání

Servo provoz lze provádět ve třech různých formátech. Podívejme se na každou z nich.

Ovládání polohy

Zde musíte udržovat daný úhel otáčení hřídele tím, že dáváte sekvenci signálů. Nechte je vycházet z ovladače – lze tak zajistit přesné polohování, což je důležité zejména u součástí výrobních strojů.

Upozorňujeme, že pomocí sady impulsů není problém upřesnit informace nejen o poloze v prostoru, ale také o vektoru rotace nebo rychlosti pohybu. To lze provést jedním ze tří způsobů – nasměrováním napětí:

• s fázovým posunem 90 stupňů;
• na dva vstupy najednou (SIGN, PULSE – standardní názvy);
• pohyb ve směru nebo proti směru hodinových ručiček.

Ovládání rychlosti

Zde je servořízení zvýšení nebo snížení analogového signálu o diskrétní hodnotu, když je aplikováno na odpovídající vinutí. A pokud je navíc multipolární, pak není těžké rychle změnit směr otáčení.

Tento režim připomíná provoz asynchronní pohonné jednotky s frekvenčním měničem. Protože v jeho rámci je nutné neustále provádět zrychlování a zpomalování, nastavovat minima a maxima a podobně. Hlavní věcí je implementovat nepříliš složitý algoritmus, aby se z běžného praktického úkolu nestal zdrcující programovací úkol.

Řízení točivého momentu

V tomto případě je účelem serva poskytovat stabilní rychlost bez ohledu na to, zda se motor točí nebo ne. Tohoto cíle je dosaženo dodáním buď diskrétního signálu nebo analogového bipolárního signálu. Metoda je více než relevantní pro zařízení, která během provozu vyžadují změnu tlaku, tlaku nebo jiných parametrů.

Pozor, pohonná jednotka musí být navíc vybavena vestavěným proudovým snímačem, protože právě ten vyhodnocuje hodnotu aktuálního točivého momentu, aby jej pak mohla elektronika porovnat s požadovanou hodnotou.

Proces obnovy

Často se spouští při přepínání provozních režimů servomotoru: co to je? Jedná se o vratnou energii, která se uvolní, když se znaménko (směr pohybu) změní vzhledem k točivému momentu. Obvykle není příliš velký, ale stále se shromažďuje na kondenzátorech, čímž se zvyšuje napětí na stejnosměrném meziobvodu.

V případech, kdy tato nerovnost absolutních hodnot dosáhne vážné úrovně, dojde k prolomení prahové úrovně kapacity sběrnice. A pak bude veškerý přebytek vyhozen do brzdového odporu.

Snažili jsme se zvážit všechny vlastnosti těchto mechanismů a zdůraznit pohodlí a vyhlídky jejich použití. Doporučujeme také podívat se na schémata servopohonů, fotografie a videa na toto téma, abyste mohli svůj nápad dokončit.