Сервоприводы

Сервопривод (сервомотор) -  типы и принцип работы

Сервопривод является одним из широко используемых устройств с переменной скоростью в промышленном производстве и автоматизации процессов, и строительных технологиях по всему миру.

Хотя сервомоторы не являются особым классом двигателей, они предназначены для использования в приложениях управления движением, которые требуют высокоточного позиционирования, быстрого реверсирования и исключительной производительности.

Они широко используются в робототехнике, радиолокационных системах, автоматизированных производственных системах, станках, компьютерах, станках с ЧПУ, системах слежения и т. Д.

Что такое сервоприводы (сервомоторы)?

Сервопривод представляет собой линейный или поворотный привод, который обеспечивает быструю точность управления положением для приложений управления позицией с замкнутым контуром. В отличие от крупных промышленных двигателей, сервомотор не используется для непрерывного преобразования энергии.

Сервоприводы имеют высокую скорость реакции из-за низкой инерции и разработаны с малым диаметром и длиной ротора. Тогда,  как они работают?

Работают они с сервомеханизмом, который использует обратную связь по положению для управления скоростью и конечным положением двигателя. Внутри сервомотор объединяет двигатель, цепь обратной связи, контроллер и другую электронную схему.

Он использует датчик скорости для обеспечения обратной связи по скорости и положения. Этот сигнал обратной связи сравнивается с входным командным положением (желаемое положение двигателя, соответствующее нагрузке), и выдает сигнал ошибки (если существует разница между ними).

Сигнал ошибки, доступный на выходе детектора ошибок, недостаточен для управления двигателем. Таким образом, детектор ошибок, сопровождаемый сервоусилителем, повышает уровень напряжения и мощности сигнала ошибки, а затем поворачивает вал двигателя в нужное положение.

Типы сервоприводов

В основном они подразделяются на сервоприводы переменного и постоянного тока в зависимости от источника питания, используемого для его работы. Электродвигатели постоянного тока используются для простых применений благодаря их стоимости, эффективности и простоте.

Они лучше всего подходят для небольших приложений. С развитием микропроцессора и силового транзистора сервопривода переменного тока используются чаще из-за их высокоточного контроля.

Сервоприводы постоянного тока

Они состоят из небольшого двигателя постоянного тока, потенциометра обратной связи, коробки передач, электронной схемы электродвигателя и электронного контура управления обратной связью. Он более или менее похож на обычный двигатель постоянного тока.

Статор состоит из цилиндрической рамы и магнит прикреплен к внутренней части рамы.

Ротор состоит из щетки и вала. Коммутатор и металлическая опорная рама ротора прикреплены к внешней стороне вала, и обмотка якоря свернута в металлической опорной раме ротора.

Кисть построена с катушкой якоря, которая передает ток в коммутатор. В задней части вала детектор встроен в ротор для определения скорости вращения.

С этой конструкцией просто спроектировать контроллер, используя простые схемы, поскольку крутящий момент пропорционален величине тока, протекающего через арматуру.

Также мгновенная полярность управляющего напряжения, определяет направление крутящего момента, развиваемого двигателем. Типы серводвигателей постоянного тока включают в себя последовательные компоненты, блок шунтирующего управления, блок с раздельными сериями и двигатель шунтирования постоянного тока.

Принцип работы сервопривода постоянного тока

Сервомотор постоянного тока представляет собой сборку из четырех основных компонентов: двигатель постоянного тока, устройство определения положения, редуктор и схему управления. На приведенном ниже рисунке показаны детали, которые состоят из сервомоторов RC, в которых используется небольшой двигатель постоянного тока для обеспечения максимальной скорости и положения груза.

Напряжение постоянного тока устанавливается на значение, соответствующее желаемому выходу. Это напряжение можно применять, используя другой потенциометр, ширину импульса управления преобразователя напряжения или через счетчики, в зависимости от схемы управления.

Циферблат на потенциометре создает соответствующее напряжение, которое затем подается как один из входов в усилитель ошибки.

В некоторых схемах управляющий импульс используется для создания опорного напряжения постоянного тока, соответствующего желаемому положению или скорости двигателя, и применяется к преобразователю ширины импульса к напряжению.

В этом преобразователе конденсатор начинает зарядку с постоянной скоростью, когда импульс высок. Затем заряд на конденсаторе подается на буферный усилитель, когда импульс низкий, и этот заряд дополнительно подается на усилитель погрешности.

Таким образом, длина импульса определяет напряжение, подаваемое на усилитель погрешности, в качестве желаемого напряжения для получения желаемой скорости или положения.

В цифровом управлении микропроцессор или микроконтроллер используются для генерации ШИМ-плюсов с точки зрения рабочих циклов для получения более точных сигналов управления.

Сигнал обратной связи, соответствующий текущему положению нагрузки, получается с помощью соответствующего датчика . Этот датчик обычно является потенциометром, который генерирует напряжение, соответствующее абсолютному углу вала, через зубчатый механизм. Затем на выходе усилителя ошибки, подается значение напряжения обратной связи.

Усилитель ошибок, является усилителем с отрицательной обратной связью и уменьшает разницу между его входами. Он сравнивает, связанное с текущим положением (полученное потенциометром) с желаемым напряжением, связанным с положением (полученным от преобразователя импульсов до преобразователя), и вызывает ошибку либо положительного, либо отрицательного напряжения.

Это значение подается на якорь. Если ошибка больше, тем больше выходное напряжение подается на якорь двигателя.

Пока существует ошибка, усилитель усиливает напряжение  и соответственно усиливает якорь. Двигатель вращается до тех пор, пока ошибка не станет равной нулю. Если она отрицательная, напряжение якоря изменяется и, следовательно, арматура вращается в противоположном направлении.

Сервоприводы переменного тока

Они в основном представляют собой двухфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором и используются для использования в маломощных условиях. В настоящее время трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором были модифицированы таким образом, что их можно использовать в сервосистемах большой мощности.

Основное различие между стандартным асинхронным электродвигателем с делительной фазой и двигателем переменного тока заключается в том, что ротор короткозамкнутого серводвигателя выполнен с более тонкими проводящими стержнями, так что сопротивление двигателя выше.

На основе конструкции имеются два различных типа серводвигателей переменного тока, они представляют собой синхронный серводвигатель и индукционный.

Синхронный сервопривод переменного тока, состоит из статора и ротора. Статор состоит из цилиндрической рамы и сердечника статора. Обмотка якоря, намотанная вокруг сердечника статора, и конец катушки соединены с проводником, через который подается ток.

Ротор состоит из постоянного магнита и, следовательно, они не полагаются на ротор переменного тока, который индуцирует ток. И следовательно, они также называются бесщеточными серводвигателями из-за структурных характеристик.

При возбуждении поля статора ротор следует за вращающимся магнитным полем на синхронной скорости. Если статорное поле останавливается, ротор также останавливается. При использовании этого ротора с постоянным магнитом не требуется ток ротора и, следовательно меньше теплоотдача.

Кроме того, они имеют высокую эффективность из-за отсутствия тока на роторе. Чтобы знать положение ротора относительно статора, кодер находится на роторе и действует, как обратная связь с контроллером.

Конструкция сервопривода переменного тока индукционного типа, идентична конструкции двигателя общего назначения. В нем статор состоит из сердечника статора, обмотки якоря и свинцового провода, в то время как ротор состоит из вала и сердечника ротора, который построен с помощью проводника, аналогичного ротору с короткозамкнутым ротором.

Принцип работы этого серводвигателя аналогичен нормальному асинхронному двигателю. Опять же, контроллер должен знать точное положение ротора с помощью датчика для точной регулировки скорости и положения.

Принцип работы сервопривода переменного тока

Принципиальная схема сервосистемы для двухфазного асинхронного двигателя показана на рисунке ниже. В этом случае опорный вход, при котором вал двигателя должен поддерживаться в определенном положении, подается на ротор синхрогенератора как механический входной сигнал. Этот ротор подключен к электрическому входу с номинальным напряжением на фиксированной частоте.

Три статорных клеммы синхронного генератора подключаются соответственно к клеммам трансформатора управления. Угловое положение двухфазного двигателя передается на ротор управляющего трансформатора через устройство зубчатой ​​передачи и представляет собой условие управления альфа.

Первоначально существует разница между положением вала синхронизирующего генератора и положением вала трансформатора. Эта ошибка отражается как напряжение на управляющем трансформаторе. Это напряжение ошибки подается на сервоусилитель, а затем на фазу управления двигателем.

При управляющем напряжении ротор двигателя вращается в нужном направлении до тех пор, пока ошибка не станет нулевой. Таким образом обеспечивается требуемое положение вала в серводвигателях переменного тока.

В качестве альтернативы современные сервоприводы переменного тока являются встроенными контроллерами, такими как ПЛК, микропроцессоры и микроконтроллеры для достижения переменной частоты и переменного напряжения для управления двигателем.

В основном, для регулирования требуемой частоты и напряжения используются широтно-импульсная модуляция и методы пропорционального интегрально-производного (ПИД). Ниже приведена блок-схема системы серводвигателей переменного тока с использованием программируемых логических контроллеров, регуляторов положения и сервоуправления.

                      Разница между двумя видами сервоприводов

 

Сервопривод постоянного тока

Сервопривод переменного тока

Он обеспечивает высокую мощность.

Обеспечивает низкий выход от 0,5 Вт до 100 Вт

Он имеет больше проблем с устойчивостью.

Он имеет менее стабильные проблемы

Это требует частого обслуживания из-за наличия коммутатора.

Оно требует меньшего обслуживания из-за отсутствия коммутатора

Он обеспечивает высокую эффективность.

Эффективность меньше и составляет от 5 до 20%

Срок службы зависит от срока службы ресурса щеток

Срок службы зависит от срока службы подшипника

Он включает в себя постоянный магнит в его конструкции.

Использует постоянный магнит, в то время как индукционный тип его не требует.

Эти двигатели используются для применения в больших мощностях.

Эти двигатели используются для приложений с малой потребляемой мощностью

 

Компания "Промтэк" предлагает программируемые логические контроллеры только самых известных мировых производителей, такие как: ДельтаЭлектроникс (Delta Electronics, Inc.), Simens simatix, Pepperl+Fuchs, Шнайдер Schneider Electric и т.д.

С гарантией качества!