Помогнете на развитието на сайта, споделяйки статията с приятели!
Малко вероятно е днес някой да бъде изненадан от броя на електрическите уреди, които заобикалят човек в ежедневието. Много от които отдавна са поели част от човешкия труд и задължения. Повсеместната автоматизация на процеси обхвана голямо разнообразие от индустрии, от автомобилната индустрия до домакинските устройства. Лъвският дял от натоварването по отношение на автоматичното управление на параметрите на работата на интелигентните машини поема сервото.
Какво е серво?
Под серво задвижване трябва да се разбира устройство, което осигурява възможност за управление на работния орган чрез обратна връзка. Самото име идва от латинското servus, което означава помощник. Първоначално серво задвижването се използва като спомагателно оборудване за различни металорежещи машини, машини и механизми. Въпреки това, с развитието на технологиите и непрекъснато нарастващата нужда от подобряване на точността на електронните устройства, те започнаха да играят много по-значима роля.
Дизайн и принцип на работа
Ориз. 1. Серво устройство
Устройството и принципът на работа на всяко серво може да е коренно различно от другите модели. Въпреки това, като пример, ще разгледаме най-подходящите опции.
Структурно може да се състои от:
- Задвижване - устройство, което привежда в движение работния орган. Може да се направи със синхронен или асинхронен двигател, пневматичен цилиндър и др.
- Трансмисионен механизъм - манивела или друга трансмисионна система, редуктор.
- Работен елемент - управлява движението в пространството, директно вала на скоростната кутия, трансмисионния механизъм и др.
- Сензор - сигнализира достигнатата позиция и предава информация по канала за обратна връзка.
- Захранване - може да се използва при директно свързване на сервото към мрежата, където е необходимо преобразуване на нивото и вида на напрежението.
- Блок за управление - предоставя управляващи сигнали към сервомотора за движение или корекция на позицията. За това се използват микропроцесори, микроконтролери и др. Например платката Arduino е много популярна.
Принципът на действие е подаване на управляващ импулс към асинхронен или синхронен двигател, който започва да се върти, докато работният орган заеме желаната позиция. Веднага след достигане на зададената позиция, желаният сигнал ще се появи на сензора за обратна връзка, който, преминавайки към контролния блок, ще прекъсне захранването на електромеханичното устройство.Серво движението ще спре, докато не бъдат получени нови електрически сигнали.
След това ще започне нов цикъл на работа на устройството, броят на командите и последователността на тяхното изпълнение се определят от програмираната програма.
Сравнение на стъпкови двигатели
Ориз. 2. Сравнение със серво на стъпков двигател
Може би сте чували, че същата функция често се изпълнява от стъпкови двигатели, но има значителна разлика между двете устройства. Стъпковото задвижване наистина извършва точното позициониране на обекта благодарение на точния брой импулси, подавани към електрическата машина, те са доста тихи и не създават излишен шум. В противен случай сервомоторите имат редица значителни предимства пред стъпковите двигатели:
- Може да се използва за задвижване на всякакъв вид електрически машини - синхронни, асинхронни, DC двигатели и т.н.
- Точността на механичното задвижване не зависи от износването на частите, появата на луфт, термични и механични промени в структурните елементи.
- Диагностиката на неизправностите става незабавно благодарение на обратната връзка.
- Скорост на въртене - всеки конвенционален електрически мотор се върти по-бързо от стъпково задвижване.
- Икономичност - въртенето на вала на стъпкова електрическа машина се извършва при максимално допустимото захранващо напрежение за осигуряване на максимален въртящ момент.
Но в допълнение към изброените предимства, има редица позиции, в които сервото е по-лошо от стъпковия двигател:
- Сложността на системата за управление и необходимостта от изпълнение на нейната работа - стъпковият двигател се управлява от конвенционален брояч на броя на импулсите.
- Необходимостта да се контролира както скоростта, така и да се вземат мерки за принудително спиране в правилната точка - това води до допълнителна енергия, софтуер и механични ресурси.
- Задължително е използването на допълнителен измервателен уред, който контролира положението на работния орган.
- Сервото е много по-скъпо, така че е по-евтино да се използва стъпков двигател.
Дестинация
Ориз. 3. Обхват
Серво задвижването се използва в голямо разнообразие от области на науката и технологиите, където електрическото задвижване, в допълнение към функцията за въртене на всякакви елементи, също трябва да извършва точно позициониране. На практика те се използват широко в CNC машини, автоматични вентили, електронни вентили, CNC фабрични машини, роботика.
В битовите системи сервомоторите се инсталират в отоплителните системи за регулиране на подаването на охлаждаща течност, гориво, управление на нагревателния елемент, управление на превключването между централни и автономни системи за енергийни ресурси и др.д. В колите се използват за отключване, заключване на багажник, електронни брави.
Разновидности
Поради дългогодишното развитие на серво задвижванията, днес можете да намерите различни видове устройства. Затова ще разгледаме най-често срещаните критерии за разделяне.
По тип устройство:
- асинхронни сервомотори - по-евтини от синхронните двигатели, могат да осигурят точност дори при ниски скорости на изходящия вал;
- синхронен - по-скъп вариант, но ускорява по-бързо, което увеличава скоростта на операциите;
- линейни - не използват класически електродвигатели, но са в състояние да развият високо ускорение.
Според принципа на действие се разграничават:
- електромеханично серво задвижване - движението се осигурява от електрическа машина и редуктор;
- хидромеханичен сервомотор - движението се извършва с помощта на бутален цилиндър, имат много по-висока скорост на движение;
Според материала на зъбното колело:
- полимер - устойчив на износване и лек, но не понася големи механични натоварвания;
- метал - най-тежкият вариант, износва се сравнително бързо, но може да издържи всяко натоварване;
- въглеродни влакна - имат средни характеристики по отношение на здравина и устойчивост на износване, в сравнение с предходните две, но имат по-висока цена.
Ориз. 4. По материал на зъбното колело
Според типа на вала на двигателя:
- с монолитен ротор - тежки серво, създават вибрации по време на въртене;
- кух ротор - най-леките модели, бързо реагират на команди и набират скорост, по-лесно се управляват;
- с безчетков ротор - нямат подвижни контакти, които създават допълнително съпротивление при въртене, най-скъпият вариант.
Ориз. 5. По тип вал
Спецификации
Когато избирате конкретен модел серво, трябва да се ръководите от основните технически параметри, които производителят посочва в паспорта на устройството.
Най-важните характеристики на един сервомотор са:
- Силата на вала на серво мотора - определя механичния момент и възможността за преместване на определена тежест, създаване на сила при рязане, фрезоване и др.
Ориз. 6. Сила върху вала
- Скорост на въртене - показва колко оборота на вала може да направи устройството за единица време.
- Стойност на захранващото напрежение - най-често захранването на сервото се осъществява от постоянен ток, въпреки че има модели с изходно напрежение за променлив ток. Захранването на сервото се осъществява от три проводника: захранващ, управляващ и общ.
- Ъгъл на въртене на серво - въртенето на изходния елемент, като правило, е налично на 180° и 360°.
- Скорост на въртене - разделена на сервосистеми с постоянно въртене и променлива честота.
Методи за контрол
Ориз. 7. Метод на серво управление
Според метода на управление може да има аналогови или цифрови сервоприводи, като първото от тях дава сигнали на различни честоти, което се задава от специална микросхема, която управлява работата на устройството. Цифровите сервосистеми от своя страна се отличават с наличието на процесор, който приема команди и ги реализира като различни режими на работа на задвижването.
Практическата им разлика е в наличието на мъртви зони при аналоговите методи, цифровите нямат този недостатък, освен това реагират по-бързо на промените и имат по-голяма точност. Цифровият метод на управление обаче има висока цена и консумира повече електроенергия за работата си.
Фигура 8 показва пример за серво управление с приложени импулси:
Ориз. 8. Верига за серво управление
Както можете да видите на фигурата, сигналът отива към референтния импулсен генератор (GOP), свързан към потенциометъра. След това сигналът отива към компаратора (K), който сравнява стойностите на изхода на веригата и тези, идващи от сензора на работното тяло. След това устройството за управление на моста (UM) отваря желаната двойка мостови транзистори, за да завърти вала на двигателя (M) по посока на часовниковата стрелка или обратно на часовниковата стрелка и може също да зададе силата, дължаща се на пълното или частично отваряне на прехода.
Предимства и недостатъци
Серво предимствата включват:
- Универсалност на устройството - може лесно да се инсталира в различни устройства, тъй като техническите характеристики рядко влияят на крайния резултат.
- Може да реализира широк диапазон на въртящ момент чрез използване на редуктор и промяна на съотношението.
- Силно ускорено, значително увеличаване на производителността и намаляване на времето за изпълнение.
- Прецизно позициониране чрез проверка на позицията на сензора.
- Не се страхува от претоварване, което увеличава експлоатационния живот, ви позволява да работите в извънредни ситуации.
Недостатъците включват:
- Сравнително висока цена - наличието на обратна връзка, сензори и друго спомагателно оборудване води до увеличаване на цената на сервото.
- Износване на зъбния механизъм - силно влошава точността и ефективността, трябва да се смени.
- По-сложна настройка на работата - изисква промяна на софтуерните параметри или пълна подмяна на сервото.