Что такое сервопривод в автомобиле. Как устроен сервопривод

Пояснения к коду:

1. В этот раз мы присвоили имя для сервопривода в скетче, как servo ;
2. Команда servo.write(analogRead(A0)/4) передает значения для вала сервопривода — получаемое напряжение с потенциометра мы делим на четыре и оправляем данное значение на сервопривод.
3. Команда Serial.println (servo.read(10)) считывает значение угла поворота вала сервопривода и передает его на монитор порта.

Сервомоторы часто используются в различных проектах на Ардуино для различных функций: повороты конструкций, движение частей механизмов. Так как мотор серво постоянно стремится удерживать заданный угол поворота, то будьте готовы к повышенному расходу электроэнергии. Это будет особенно чувствительно в автономных роботах, питающихся от аккумуляторов или батареек.

Также часто читают:

Третий компонент аппаратуры управления - сервомашинка. В данной статье мы постараемся объяснить вам, что это за компонент, каково его назначение, устройство и принцип работы сервопривода.

Определение сервопривода

Рулевой сервопривод - устройство с электродвигателем, которое позволяет добиться точного управления форматом движения радиоуправляемой модели путем отрицательной обратной связи. Любой сервопривод в своем устройстве имеет датчик и блок управления, который поддерживает определенные значения на датчике в соответствии с внешним параметром.

Опишем более простым языком, как работает сервопривод:

• Сервопривод получает импульсный сигнал - управляющее значение, которое определяет угол поворота качалки сервы,
• Блок управления начинает сравнение поступившего параметра со значением на своем датчике,
• В зависимости от результата сравнения БУ возвращает сигнал, который предопределяет, какое действие необходимо выполнить: повернуть, ускориться или замедлиться, чтобы сравниваемые показатели стали одинаковыми.

Устройство сервопривода

Большинство современных рулевых машинок построены по одному принципу и состоят из таких составных частей: выходной вал, шестерни редуктора, двигатель постоянного тока, потенциометр, печатная плата и управляющая электроника.

Редуктор вместе с мотором образуют привод. Чтобы трансформировать поступающее напряжение в механический поворот, нужен электродвигатель. Редуктор же - конструкция из шестеренок - преобразует крутящий момент и служит для понижения скорости вращения двигателя, так как часто она настолько большая, что совсем не годится для практического применения.

Вместе с включением и выключением электродвигателя вращается и выходной вал, к которому закрепляется качалка - ее, в свою очередь, крепят к рулю модели. Именно качалка будет задавать движение нашей модели, а для этого в устройстве сервопривода предусмотрен потенциометр - датчик, способный превратить угол поворота обратно в электро-сигнал.

Однако, одним из главных элементов является плата управления, которая представляет собой электронную схему. Именно она получает электрический импульс, анализирует полученный сигнал с данными потенциометра и включает/выключает электродвигатель. Вот как устроен сервопривод и работа его элементов.

Кстати, в качестве мотора в устройстве сервопривода могут использоваться коллекторные, коллекторные Coreless и бесколлекторные двигатели.

Управление сервоприводом. Принцип работы.

Сервопривод получает импульсные сигналы, которые проходят по специальному проводу от приемника. Частота таких сигналов составляет 20мс, а их продолжительность может варьироваться в пределах 0,8-2,2мс. Чтобы у вас появилось четкое представление, как все-таки сигнал трансформируется в перемещение качалки, нужно проанализировать стандартную схему сервы.

где, ГОП - генератор опонного импульса (к нему подсоединен потенциометр), К - компататор, УВХ - устройство выборки-хранения, М - электрический мотор, который охватывается диагональю силового моста.

Теперь разберём более подробно, как работает сервопривод. Итак, импульсный сигнал поступает от ресивера на компататор и в то же время активирует ГОП. Продолжительность опорного импульса связано с положением потенциометра, который соединен с выходным валом физически. Когда качалка находится в средней позиции, длина сигнала составляет 1,5мс, если же положение крайнее - 0,8 или 2,2 мс. Управляющий сигнал и опорный импульс анализируются компататором, который рассчитывает их разностную величину (рассчет ведется по длительности импульсов). Именно длина разностного импульса и определяет насколько «ожидаемое» и «фактическое» состояние руля совпадает. Полученный показатель сохраняется в качестве потенциала в УВХ. Сложно?

Принцип работы сервопривода в разных условиях

Позиция качалки сервы соответствует состоянию стика пульта управления. Продолжительность опорного и управляющего импульсов одинакова. На всех выходах компататоров выставлено значение «0». Двигатель обесточен и качалка удерживает первоначальную позицию.

Пилот меняет положения стика, тем самым увеличивая управляющий импульс. На одном выходе компататора выведется разностный импульс, который будет сохранен в памяти УВХ. В этот момент на двигатель будет подано напряжение, станет вращаться, а вместе с ним и редуктор начнет движение, поворачивая качалку и потенциометр таким образом, чтобы продолжительность опорного импульса увеличивалась. Такие условия продлятся до тех пор, пока длины обоих импульсов не достигну одинаковых значений. Затем двигатель прекратит свое вращение.

Пилот отводит стик пульта в противоположную сторону, уменьшая при этом длину управляющего импульса. Управление сервоприводом на этом этапе схоже с процессом, описанном выше. На нижнем выходе компататора образуется разностный импульс, который запоминается УВХ и подает напряжение на двигатель. Мотор начинает вращаться, но уже в другую сторону, и продолжает работу до того момента, как длины импульсов снова не примут одинаковые значения.

Пилот не взаимодействует с пультом управления. Руль модели начинает поворачивать качалку сервопривода, так как учитывает нагрузку во время хода. Теперь меняется продолжительность опорного импульса, за счет чего разностный импульс посредством компататора и УВХ воздействует на двигатель и осуществляется подача момента на редуктор, что препятствует повороту качалки. Т.е. качалка удерживается в одном положении.

Мы разобрали работу сервопривода в упрощенном варианте. На самом деле существует множество нюансов по настройке и использования девайса, зная которые можно избежать поломок и неприятных ситуаций.

Теперь, зная, как устроен сервопривод, принцип его работы, можно отправляться и выбирать девайс для своей модели. Для этого вам нужно перейти в сайта «Planeta Hobby». Если же у вы не знаете, как правильно подобрать серву для своего самолета или авто, обращайтесь за советом нашего консультанта или читайте эту полезную статью.

Если еще совсем недавно синхронные электродвигатели применялись только в электроприводах большой мощности (во многих книгах экономически целесообразной мощностью называется мощность в 100 кВт и выше), при отсутствии необходимости регулировать частоту вращения и при длительном режиме работы, то в настоящее время эти, казавшиеся незыблемыми аксиомы, рушатся как карточный домик.

Сейчас современные синхронные двигатели в составе сервоприводов могут с успехом использоваться абсолютно во всех областях. И вполне может так сложится, что, как когдато частотно-регулируемый асинхронный электропривод в современных станках за очень короткое время практически полностью вытеснил двигатели постоянного тока из их традиционных областей применения, так и синхронный сервопривод может уже в самом ближайшем будущем стать эффективной заменой уже вполне привычном нам асинхронным электродвигателям, работающим в комплекте с частотными преобразователями. К этому есть все предпосылки. Единственное, что пока сдерживает триумфальное шествие синхронных сервоприводов - это их цена.

Давайте разберемся, чем так привлекательны современные сервоприводы использующие синхронные электродвигатели.

Что такое сервопривод

Сервопривод - это система привода, которая в широком диапазоне регулирования скорости обеспечивает динамичные, высокоточные процессы и обеспечивает хорошую их повторяемость. Это система, предназначенная для отработки момента, скорости и позиции с заданной точностью и динамикой. Классический сервопривод состоит из двигателя, датчика позиции и системы управления, имеющей три контура регулирования (по позиции, скорости и тока).

Где применяется сервопривод

Слово "серво" произошло от латинского слова "servus", что переводится как слуга, раб, помощник. В машиностроительных отраслях они были преимущественно вспомогательными приводами (приводы подач в станках, приводы роботов и т.п.). Однако сегодня ситуация изменилась, теперь и главные приводы реализуются с использованием сервотехники.

В настоящее время, сервоприводы применяются там, где недостаточно точности регулирования обычных общепромышленных преобразователей частоты. Применение высококачественных сервоприводов необходимо в высокопроизводительном оборудовании, где главным критерием является производительность. Сервоприводами оснащаются прецизионные системы поддержания скорости и позиционирования промышленных роботов и высокоточных станков. Сервоприводы также устанавливаются на координатно-сверлильных станках, на различных технологических транспортных системах, на различных вспомогательных механизмах и др. В приводах подач современных станков с ЧПУ обеспечивающих перемещения рабочих органов станка, на сегодняшний день применяются в основном шаговые двигатели либо сервоприводы.

Достоинства сервопривода:

1. Плавность и точность перемещений доступны даже на низких скоростях, разрешающая способность может выбираться пользователем в зависимости от решаемой задачи
2. Бесшумность работы
3. Надежность и безотказность, а следовательно, возможность использовать его в ответственных, не терпящих отказа устройствах.
4. Легкость монтажа конструкции.

Недостатки сервопривода:

1. Высокая стоимость
2. Сложность настройки, которая иногда делает применение сервопривода необоснованным.

То есть, сервоприводы на базе синхронного электродвигателя (серводвигателя), в настоящее время, наиболее целесообразно применять там, где требуется привод с высокой точностью и большой максимальной скоростью. Двигатель такого привода имеет встроенный датчик положения вала сигнал с которого подаётся на серво усилитель, а это существенно повышает точность и динамику сервопривода. Для создания одно или много координатных систем позиционирования используется специальный контроллер позиционирования.

Синхронные серводвигатели - это трехфазные синхронные электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов и датчиком положения ротора. Отличительная особенность синхронных серводвигателей - высокая выходная мощность при любой скорости в сочетании с небольшими размерами. Их основным достоинством является очень низкий момент инерции ротора относительно крутящего момента. Это позволяет реализовать очень высокое быстродействие. Достижимо время разгона на номинальную частоту вращения за десятки миллисекунд и реверс с полной скорости в пределах одного оборота вала двигателя.

Устройство и принцип работы синхронных электродвигателей с датчиком положения ротора очень хорошо рассмотрены в статье д.т.н. В. Понкратова "Вентильный электропривод: от стиральной машины до металлорежущего станка и электровоза" ("Электронные компоненты", #2 2007).

Серводвигатели могут различаться формой, размерами и конструкцией - от больших низкоскоростных прямопри-водных роторных двигателей с большим крутящим моментом до компактных устройств с малоинерционым ротором, обеспечивающим оптимальный разгон и торможение, безкорпусных двигателей, линейных двигателей, создающих большую тяговую силу при огромных ускорениях и скоростях.

Современные качественные серводвигатели выпускаются большим количеством производителей за рубежем. Фактически, каждая фирма выпускающая частотные преобразователе имеет в своем каталоге и ряд моделей севроприводов и севрводвигателей для них. Наииболее популярные модели синхронных серводвигателей выпускают немецкая LENZE (один из европейских лидеров в технологии привода и комплектных систем управления), Siemens, OMRON, Mitsubishi Electric, DELTA ELECTRONIСS и т. д.. На выпуске оригинальных моделей сервоприводов специализируются такие компании, как, Fagor Automation, Sew-Eurodrive, Rockwell Automation, Emerson Control Techniques, Baldor Electric и многие другие.

Управление серводвигателем осуществляется при помощи специального блока, который получает сигналы от датчика обратной связи, встроенного в сервомотор. Блок управления обычно имеет множество опций для работы от ПК, встроенные интерфейсы позволяют использовать его в промышленности. Многочисленные настройки и нюансы работы обычно загружаются в привод через ПК. Далее возможна автономная работа и управление без компьютера.

Конкретный пример: сервоприводы семейства ‘Position Servo’ компании Lenze построены по принципу «все в одном». От простого управления моментом до возможностей встроенного контроллера PLC. Возможны различные режимы управления: моментом, скоростью вращения, ведущим-ведомым с электронным редуктором. Перегрузочная способность – 300% от номинального тока в течение 2 секунд. Высокоскоростной обмен данными осуществляется по интерфейсам Ethernet или CANopen, датчики обратной связи – энкодер или резольвер. Сервоприводы Position Servo весьма компактны – привод на ток 12 А имеет габаритные размеры всего лишь 115 мм х 190 мм х 190 мм. По цене – сервопривод с синхронным вентильным двигателем на 3460 Вт, 3000 об.\мин. (макс. 5000 об.\мин.), степени защиты IP65 стоит 2300 рублей.

Сервопривод - самый передовой и современный вид двигателя. Он предназначен для использования в сферах управления движением, нуждающихся в высокой точности позиционирования. Знание того, как работает сервопривод, позволяет понять его растущую востребованность в автоматизации промышленных процессов и потребительской технике.

Доцифровая эра

Название Le-Servomoteur впервые использовалось Жозефом Фарко в 1868 году для описания гидравлических и паровых двигателей, применяемых в судостроении. Фактическое значение этого слова утрачено со временем, но можно предположить, что оно представляло собой каламбур из французского cerveau (мозг) и латинского servus (служить). В широком смысле этот термин был введён не для подчёркивания полезности или сложности моторов, а акцентировал внимание на их свойстве служить командам комплекса управления движителем. То есть привод имеет обратную связь с остальной системой и откликается на её сигналы.

В 1898 году Тесла экспериментировал с беспроводным управлением моделями кораблей, оснащёнными контакторными серводвигателями, а в 1911 Хобарт уже поместил термин «серводвигатель» в свой словарь. К 1915 году это слово прочно закрепилось в среде англоязычных инженеров-электриков, несмотря на французское происхождение. Дальнейшее развитие технологии до Второй мировой войны происходило более чем стремительно:

Эволюция точности

Шаговые двигатели использовались во время Второй мировой войны и после её окончания в ограниченном количестве. В 60-х годах прошлого столетия они пережили несколько усовершенствований и были повсеместны более двух десятков лет в качестве незаменимых элементов беспилотного управления, индикаторов сортировки вагонов и станций взвешивания, цифровых дифференциальных высотомерах и компьютерной периферии.

Первые бесколлекторные двигатели были разработаны в середине 50-х годов. Устранение механических щёток позволяло им работать в течение удивительно долгого времени с высокой надёжностью. У шаговых моторов появился сильный конкурент. Бесколлекторные двигатели оказались незаменимы в освоении космоса , что и определило их бурное развитие.

Появление доступных способов производства редкоземельных кобальтовых магнитов в 1960-х стало главной базой для технологического рывка моторов постоянного тока. Именно они, оснащённые приводами с контролируемой обратной связью, составляют бо́льшую часть производимых в мире серводвигателей. Микропроцессоры ворвались на рынок автоматики в начале 1970-х и смогли обеспечить почти идеальный контроль над движением механизмов.

Устройство и типы

Сервоприводом называют устройство, предназначенное совершать механическое действие с высокой точностью под непрерывным самоконтролем целевой позиции и параметров движения. Наличие системы обратной связи с чувствительным устройством для исправления отклонений от заданных параметров отличает его от других типов приводов. В более широком смысле этим термином обозначают современные электродвигатели, оснащённые сервоприводами. Упрощённо устройство сервопривода можно описать как замкнутую систему из четырёх элементов:

• датчик;
• двигатель;
• контроллер;
• система обратной связи.

Принцип работы серводвигателя выглядит так: на вход устройства подаётся команда к назначению нового состояния (координат, скорости и т. п.), прибор определяет текущее значение, сравнивает его с поступившим и производит управляющее воздействие на двигатель для уменьшения их разности.

Благодаря способностям поддерживать и контролировать заданные параметры, сервомеханизмы считаются наиболее передовыми приводами. Современные устройства сильно изменились в сравнении с первыми поколениями. Теперь это интеллектуальные приборы, выполненные с применением последних достижений в производстве магнитов и процессорной техники. В XXI веке прогресс позволил удешевить в несколько раз простые устройства без потери их качеств и создать технически сложные приводы переменной скорости и высокой точности для таких требовательных отраслей, как станкостроение.

В современной промышленности используют два типа серводвигателей: линейные и поворотные. Линейные позволяют добиться:

• больших скоростей и ускорений;
• высокой точности позиционирования.

Они обладают неоспоримыми преимуществами, но тем не менее популярны именно роторные сервоприводы. Это обусловлено главным образом тем, что линейные имеют склонность к перегреву. Тепло вызывает нежелательное расширение, создавая нагрузку на подшипники, смазку и датчики. С течением времени это негативно сказывается на продолжительности жизни компонентов.

Роторные двигатели делятся, в свою очередь, на сервоприводы позиционного и непрерывного вращения. Устройства позиционного вращения - самый распространённый тип. Выходной вал работает только в секторе круга, ограниченный физическими стопорами для предотвращения поворота за конструктивно заданные пределы.

Моторы непрерывного вращения очень похожи на позиционные с той разницей, что имеют возможность вращаться в любом направлении с разной скоростью в зависимости от входного сигнала.

Преимущества роторных серводвигателей, с точки зрения управления, выглядят так:

• крутящий момент пропорционален току;
• скорость пропорциональна приложенному напряжению.

И первые, и вторые востребованы в применении от детских игрушек до космической робототехники.

Сервоприводы, конечно же, продолжают совершенствоваться. Они появились и эволюционировали как результат тенденции к децентрализации автоматизированных систем. Удешевление процессоров ускоряет этот процесс. Количество функций, выполняемых современными сервоприводами, растёт и, судя по всему, будет продолжать расти. Новейшие устройства уже наделяются способностями к самонастройке и оптимизации параметров управления и могут изготавливаться с контроллерами процессов для удалённых установок.

Вполне возможно, сервоприводы будущего будут решать много смежных задач в машинах и механизмах, помогая избежать установки дополнительного оборудования.