Сервопривод: что это такое, устройство, принцип работы, виды

Что такое сервопривод?

Под сервоприводом следует понимать устройство, обеспечивающее возможность управления рабочим органом посредством обратной связи. Само название происходит от латинского servus, что означает помощник.

Первоначально сервопривод использовался как вспомогательное оборудование для различных станков, машин и механизмов. Но с развитием технологий и все возрастающей потребностью в повышении точности электронных устройств они стали играть гораздо более значительную роль.

Устройство и принцип работы

Устройство и принцип работы каждого сервопривода может кардинально отличаться от других моделей. Но в качестве примера мы рассмотрим наиболее актуальные варианты.

Конструктивно он может состоять из:

• Привод – устройство, приводящее рабочий орган в движение. Может быть выполнен синхронным или асинхронным двигателем, пневмоцилиндром и т.д.
• Трансмиссионный механизм — система зубчато-кривошипной или другой передачи, редуктор.
• Рабочий элемент — управляет движением в помещении, непосредственно вал редуктора, редукторный механизм и так далее
• Датчик – сигнализирует о достигнутом положении и передает информацию по каналу обратной связи.
• Источник питания — может использоваться при непосредственном подключении сервопривода к сети, где необходимо преобразование уровня и вида напряжения.
• Блок управления — подает управляющие сигналы на серводвигатель для перемещения или регулировки положения. Для этого используются микропроцессоры, микроконтроллеры и т д. Очень популярна, например, плата Arduino.

Принцип действия заключается в подаче управляющего импульса на асинхронный или синхронный двигатель, который начинает вращаться до тех пор, пока рабочий орган не окажется в нужном положении.

Как только будет достигнуто заданное положение, на датчике обратной связи появится нужный сигнал, который, перейдя на блок управления, отключит подачу питания на электромеханический блок. Движение сервопривода остановится до появления новых электрических сигналов.

Затем начнется новый цикл работы устройства, количество команд и порядок их выполнения определяется встроенной программой.

Сравнение с шаговым двигателем

Возможно, вы слышали, что одну и ту же функцию часто выполняют шаговые двигатели, но между этими двумя устройствами есть существенная разница.

Шаговый привод действительно выполняет точное позиционирование объекта за счет точного количества импульсов, подаваемых на электрическую машину, они достаточно тихие и не издают лишнего шума. В остальном сервоприводы имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с шаговыми двигателями:

• Может использоваться для привода всех типов электрических машин — синхронных, асинхронных, двигателей постоянного тока и т.д.
• Точность механического привода не зависит от износа деталей, появления люфтов, тепловых и механических изменений в элементах конструкции.
• Ошибочный диагноз возникает немедленно из-за обратной связи.
• Скорость вращения — любой обычный электродвигатель вращается быстрее шагового привода.
• Экономичность — вращение вала шаговой электрической машины осуществляется при максимально допустимом напряжении питания для обеспечения максимального крутящего момента.

Но помимо этих преимуществ есть ряд позиций, где сервопривод уступает шаговому двигателю:

• Сложность системы управления и необходимость реализации ее работы — шаговый двигатель управляется обычным счетчиком количества импульсов.
• Необходимость контролировать как скорость вращения, так и принимать меры по принудительному торможению в нужной точке – это приводит к дополнительным затратам энергии, программного обеспечения и механических ресурсов.
• Обязательно используйте дополнительный измерительный прибор, контролирующий положение рабочего органа.
• Сервопривод имеет гораздо более высокую стоимость, поэтому использование шагового двигателя обходится дешевле.

Назначение

Сервопривод используется в самых разных областях науки и техники, где электропривод, помимо функции вращения каких-либо элементов, должен выполнять еще и точное позиционирование. На практике они широко используются в станках с ЧПУ, автоматических клапанах, электронных клапанах, заводских станках с ЧПУ, робототехнике.

В бытовых системах серводвигатели устанавливаются в системах отопления для регулирования подачи теплоносителя, топлива, управления нагревательным элементом, управления переключением между центральной и автономной системами энергоресурсов и т д. В автомобилях они используются для отпирания и запирания багажников, электронные замки.

Виды сервоприводов

Их классифицируют в основном по типу используемого двигателя, выделяя:

• синхронные – отличаются быстрым набором оборотов, а также точностью вращения;
• асинхронные – их ключевой особенностью является высокая стабильность поведения вала;
• универсальные – комплектуются коллекторным блоком питания переменного или постоянного тока.

Первые особенно востребованы в автомобилестроении и активно устанавливаются в АКПП — для беспроблемного переключения передач. Актуальны они и для спецтехники, которая перевозит грузы весом более 100 кг. Второй и третий больше ориентированы на различное промышленное оборудование.

Если досконально рассматривать серводвигатель — что это такое, принцип работы, варианты — нужно учитывать его важнейшие рабочие параметры. В списке ключевых особенностей для всех моделей:

• крутящий момент (создаваемое усилие) — в паспорте должно быть написано, причем в двух значениях одновременно, для разных питающих напряжений;
• вариант прикладного импульса, т.к им можно управлять с помощью как цифровых, так и аналоговых сигналов;
• скорость — определяет время, за которое вал перемещается (по часовой или против часовой стрелки) на 60 градусов;
• поддерживаемый угол поворота – обычно это либо 180 0 (полупериод), либо 360 0 (полный); хотя сегодня есть модифицированные модели, где вращение непрерывное;
• материал редукторов – это может быть пластик, карбон, латунь или композит;
• напряжение – варьируется в пределах от 4,8 до 7,2 В (для основной группы силовых агрегатов);
• цвета проводов и распиновка — обычно все стандартно: черный — общий, красный — питание, белый (желтый или коричневый) — управление.

Еще несколько нюансов: устройство серводвигателя может предполагать наличие двигателя с сердечником. Это не лучший вариант, так как при работе возникают вибрации, снижающие точность вращения вала.

Поэтому практичнее выбирать модели, у которых кинетическая энергия ротора на практике будет минимальной, даже если они несколько дороже. Особенно это актуально в случаях, связанных с работой станков с ЧПУ, выполняющих сложные детали.

И несколько слов о редукторе: он может быть шестеренчатым или червячным. Первый сегодня более востребован, так как более доступен по цене и эффективно снижает скорость, обеспечивая необходимый крутящий момент. Второй, несмотря на лучшее передаточное число, выпускается и встречается реже, так как производство обходится более серьезными затратами.

Еще одним немаловажным фактором отличия видов являются габаритные размеры, а именно соотношение между ДхШхВ и массой. В соответствии с ними выделяют три группы силовых агрегатов:

• маленькие – 22 х 15 х 25 мм и до 25 г;
• стандартный (средний) – 40 х 20 х 37 мм и до 80 г;
• большие — 49 х 25 х 40 мм и до 90 г.

Следующее отличие в интерфейсе:

• аналоговый — микросхема обрабатывает импульсы;
• цифровые — сигналы считываются процессором.

Решая, для чего нужен сервопривод, помните, что нюансы в начинке, а внешнее исполнение может быть абсолютно одинаковым.

Ряд моделей также можно разделить по материалу шестерен – на следующие группы:

• с пластиком (нейлоном) – легкие, устойчивые к износу, но не к большим нагрузкам;
• с углеродным волокном – более прочный, при этом не имеет значительного веса, но и стоит в разы дороже предыдущих;
• с металлом (латунь, титан) — тяжелые, выдерживают даже самый сильный крутящий момент, но стираются друг об друга.

И, наконец, есть варианты с сердечником (коллектором) и без него. Первый имеет полый ротор из нескольких секций, между которыми при вращении возникают колебания. Поэтому они менее точны, чем те, у которых подвижная часть полая, а также тяжелее и дают большее время отклика, хотя и дешевле.

По типу используемого двигателя

• синхронные – для них характерен быстрый набор оборотов, а также точность вращения. В автомобилестроении особым спросом пользуется спецтехника, которая перевозит грузы весом более 100 килограммов.
• асинхронные – их ключевой особенностью является высокая стабильность поведения вала. Ориентирован на все виды промышленного оборудования.
• универсальные – комплектуются коллекторным блоком питания переменного или постоянного тока. Они также используются в промышленном оборудовании.

По виду редуктора

• шестиугольный. Самый популярный, так как доступен по цене и эффективно снижает скорость, обеспечивая нужный крутящий момент;
• отметка. Встречается редко, так как имеет серьезные производственные затраты.

По габаритным размерам

• маленькие – 22 х 15 х 25 мм и до 25 г;
• стандартный (средний) – 40 х 20 х 37 мм и до 80 г;
• большие — 49 х 25 х 40 мм и до 90 г.

По интерфейсу

• аналоговый — микросхема обрабатывает импульсы;
• цифровые — сигналы считываются процессором.

По материалу шестеренок

• пластик (нейлон) – легкий, устойчивый к износу, но не рассчитанный на большие нагрузки;
• углеволокно – довольно прочное, легкое, но в разы дороже всех остальных;
• металлические (латунь, титан) — тяжелые, выдерживают даже самый сильный крутящий момент, но быстро изнашиваются друг о друга.

По типу сердечников

• собирает
• бесщеточный

Применение сервоприводов

Сегодня они широко используются в ряде областей:

• в робототехнике и в создании манипуляторов; Для управления ими, в свою очередь, используется аппаратное и программное обеспечение Arduino;
• для реализации системы теплого пола – помогают автоматически регулировать температуру, понижая или повышая ее по мере необходимости;
• в автомобилестроении — для интеграции с замками, подачи жидкости в печку, переключения передач в автоматических коробках передач;
• в погрузочной технике — указывают режимы захвата, подъема, транспортировки, опускания и сбрасывания предметов различной массы и габаритов.

Это далеко не все возможные направления и ниши — эти силовые агрегаты действительно актуальны там, где необходимо точно управлять движением вала.

Особенности устройства сервопривода переменного тока

Это подвид синхронной модели, где ротор вращается с той же частотой, что и магнитное поле, создаваемое обмотками статора. На последний подается трехфазное напряжение, запускающее весь функциональный процесс.

На подвижной части закреплен энкодер, разрешающая способность которого относительно высока. С него на первый вход поступает один сигнал, а с электронной платы — другой, на второй. Эта пара сравнивается и разница между ними является показателем несоответствия, из которого необходимо установить команду на подачу соответствующего напряжения для скорейшего возникновения нулевого момента.

Когда вы читаете о том, как работает модель, то часто можете встретить в литературе термин «сервоусилитель»: что это такое? Это плата — устройство управления, и мы уже разобрались, что это такое и для чего оно нужно, так что не пугайтесь нового определения.

Режимы управления

Сервопривод может работать в трех различных форматах. Рассмотрим каждый из них.

Контроль положения

Здесь необходимо поддерживать заданный угол поворота вала, подавая последовательность сигналов. Пусть они исходят от контроллера — так можно обеспечить точное позиционирование, что особенно важно для узлов производственных машин.

Отметим, что с помощью набора импульсов не проблема указать информацию не только о положении в пространстве, но и о векторе вращения или скорости движения. Это можно сделать одним из трех способов — контроль напряжения:

• с фазовым сдвигом 90 градусов;
• на два входа одновременно (ЗНАК, ИМПУЛЬС — название по умолчанию);
• движение по часовой стрелке или против часовой стрелки.

Контроль скорости

Здесь сервоуправление представляет собой увеличение или уменьшение аналогового сигнала на дискретную величину при подаче на соответствующие обмотки. А если еще и двухполюсный, то быстро поменять направление вращения не составит труда.

Этот режим аналогичен работе асинхронной силовой установки с преобразователем частоты. Потому что в его рамках требуется постоянно ускоряться и тормозить, ставить минимум и максимум и тому подобное. Самое главное реализовать не слишком сложный алгоритм, чтобы не превращать обычную практическую задачу в непосильную работу по программированию.

Читайте также: Схема электросчетчика: индукционного и электронного

Контроль момента

В этом случае задача сервопривода — обеспечить стабильное число оборотов, независимо от того, вращается мотор или нет. Эта цель достигается за счет использования либо дискретного сигнала, либо аналогового биполярного сигнала. Метод более чем актуален для оборудования, требующего изменения давления, напряжения или других параметров в процессе эксплуатации.

Внимание, силовой агрегат должен быть дополнительно оснащен встроенным датчиком тока, ведь именно последний оценивает значение текущего момента, чтобы электроника впоследствии могла сравнить его с требуемым значением.

Процесс рекуперации

Часто начинается при смене режима работы серводвигателя: что это? Это обратная энергия, которая высвобождается при изменении знака (направления движения) по отношению к крутящему моменту. Обычно оно не слишком велико, но все же накапливается на конденсаторах, повышая тем самым напряжение в звене постоянного тока.

В тех же случаях, когда это несоответствие между абсолютными значениями достигает серьезного уровня, пороговый уровень пропускной способности шины будет нарушен. И тогда все лишнее будет сброшено в тормозной резистор.

Мы постарались рассмотреть все функции этих механизмов и подчеркнуть удобство и перспективность их использования. Также предлагаем посмотреть схемы сервоприводов, картинки и видео на эту тему — чтобы вы могли дополнить свою идею.

Разновидности

Благодаря многолетнему развитию сервоприводов сегодня можно встретить самые разные типы устройств. Поэтому рассмотрим наиболее распространенные критерии разделения.

Тип вождения:

• асинхронные сервоприводы – они дешевле, чем с синхронным электродвигателем, могут обеспечить точность даже при малых оборотах выходного вала;
• синхронный — более дорогой вариант, но быстрее разгоняется, что увеличивает скорость выполнения операций;
• линейные – не используют классические электродвигатели, но способны развивать большое ускорение.

По принципу действия это:

• электромеханический сервопривод – движение обеспечивается электрической машиной и зубчатым редуктором;
• гидромеханический серводвигатель – движение осуществляется с помощью поршневого цилиндра, у них значительно выше скорость хода;

По материалу передаточного механизма:

• полимер – прочный и легкий, но плохо переносит большие механические нагрузки;
• металл – самый тяжелый вариант, относительно быстро изнашивается, но выдерживает любые нагрузки;
• карбоновый – имеет средние свойства по прочности и износостойкости, по сравнению с двумя предыдущими, но имеет более высокую стоимость.

Тип вала двигателя:

• с монолитным ротором – тяжелый сервопривод, создает вибрацию при вращении;
• с полым ротором – самые легкие модели, быстро реагируют на команды и набирают скорость, ими легче управлять;
• с бесщёточным ротором – не имеют подвижных контактов, создающих дополнительное сопротивление вращению, самый дорогой вариант.

Технические характеристики

При выборе конкретной модели сервопривода необходимо руководствоваться наиболее важными техническими параметрами, которые производитель указывает в паспорте устройства.

Наиболее важными характеристиками серводвигателя являются:

• Усилие на валу серводвигателя — определяет механический крутящий момент и способность перемещать определенный вес, создавать усилие при резке, фрезеровании и т д
• Скорость вращения — показывает, сколько оборотов на валу агрегат может сделать в единицу времени.
• Величина питающего напряжения — чаще всего питание сервопривода осуществляется постоянным током, хотя есть модели с выходным напряжением переменного тока. Подключение питания к сервоприводу осуществляется тремя проводами: питающим, управляющим и общим.
• Угол поворота сервопривода. Вращение выходного элемента обычно доступно на 180° и 360°.
• Скорость поворота делится на постоянное вращение и работу сервопривода с переменной частотой.

Способы управления

По способу управления могут быть аналоговые или цифровые сервоприводы, первый из которых подает сигналы на разных частотах, которые задаются специальной микросхемой, управляющей работой устройства. Цифровые же сервоприводы отличаются наличием процессора, который получает команды и реализует их в виде различных режимов работы на приводе.

Их практическое отличие заключается в наличии мертвых зон у аналоговых методов, у цифровых этого недостатка нет, к тому же они быстрее реагируют на изменения и обладают большей точностью. Однако цифровой метод управления имеет высокую стоимость и потребляет больше энергии для работы.

Как видно на рисунке, сигнал поступает на генератор опорных импульсов (ГОП), подключенный к потенциометру. Затем сигнал поступает на компаратор (К), который сравнивает значения на выходе схемы и поступающие от датчика на рабочем органе.

После этого блок управления мостом (УМ) открывает нужную пару транзисторов моста для вращения вала двигателя (М) по или против часовой стрелки, а также может устанавливать мощность за счет полного или частичного открытия перехода.

Преимущества и недостатки

Преимущества сервопривода включают в себя:

• Универсальность устройства – легко устанавливается в самые разные устройства, так как технические особенности редко влияют на конечный результат.
• Может реализовать широкий диапазон крутящего момента за счет использования редуктора и изменения передаточного отношения.
• Обладает высоким ускорением, что значительно повышает производительность и сокращает время на выполнение работы.
• Точное позиционирование путем проверки местоположения положения на датчике.
• Не боится перегрузок, что увеличивает срок службы, позволяет работать в аварийных ситуациях.

К недостаткам относятся:

• Относительно высокая стоимость — наличие обратной связи, датчиков и другого вспомогательного оборудования вызывает удорожание сервопривода.
• Износ механизма трансмиссии — значительно ухудшает точность и эффективность, требует замены.
• Более сложная рабочая настройка — требует изменения программных параметров или полной замены сервопривода.

Чем отличается сервопривод от шагового двигателя?

Операционный ресурс	В шаговых двигателях нет подверженного износу коллекторного блока. У них также нет деталей, требующих регулярного обслуживания и замены	Серводвигатели коллектора необходимо регулярно обслуживать. Максимальный срок службы коллектора в сборе составляет 5000 часов непрерывной работы. При этом бесколлекторные серводвигатели по надежности не уступают шаговым двигателям
Точность движений исполнительного органа	Современные шаговые двигатели обеспечивают перемещение рабочей части с точностью до 0,01 мм. Отличие шагового двигателя от сервопривода в том, что при высокой (выше расчетной) нагрузке происходит пропуск шагов, что значительно снижает качество обработки	Сервопривод поворотного стола фрезерного станка или портала другого оборудования обеспечивает точность до 0,002 мкм. Последующее позиционирование обеспечивает высококачественную обработку независимо от нагрузки
Время разгона и скорость движения портала	Максимальная скорость перемещения рабочих органов при использовании шагового электродвигателя составляет 25 м. Время разгона — 120 об/мин в секунду	Сервопривод может перемещать портал со скоростью более 60 м/мин. Время разгона до 1000 об/мин за 0,2 сек
Реакция на принудительную остановку	Шаговые двигатели хорошо выдерживают механические перегрузки и не выходят из строя при аварийной остановке	Сервоприводы должны быть оснащены дополнительной защитой, отключающей электродвигатель при вынужденной остановке портала. В противном случае обмотки электрической машины могут сгореть
Цена	Благодаря простоте конструкции шаговый двигатель имеет относительно невысокую цену	Из-за датчиков обратной связи (энкодеров) и более сложной схемы управления сервопривод считается дорогостоящим оборудованием

 

Критерии выбора

Тип приводного двигателя для станков выбирают по следующим характеристикам:

• Спектакль.

По этому параметру сервоприводы значительно лучше шаговых двигателей. На станок с ЧПУ для обработки крупных деталей или заготовок из твердых материалов лучше установить серводвигатель, например ESTUN 1000 Вт. Такой электропривод обеспечит более высокую скорость обработки твердых материалов. Для небольшого промышленного оборудования (например, стационарного фрезерного станка) средней точности, предназначенного для обработки мягких материалов, лучше выбрать шаговый двигатель.

• Операционные затраты.

Программирование и настройка сервопривода на станке с ЧПУ требует очень квалифицированного специалиста. Такая станция значительно дороже в обслуживании, соответственно затраты на эксплуатацию будут выше.

• Точность.

Сервоприводы для станков с ЧПУ необходимы для высокоточной автоматизированной обработки. Такой привод позволяет позиционировать рабочий орган с точностью до 0,02 мкм, а максимальная точность шагового электродвигателя составляет 0,01 мм.

• Цена.

Стоимость шагового двигателя намного ниже цены сервопривода. При небольшом бюджете лучше предпочесть первый вариант.

• Уровень шума.

По этому показателю серводвигатели предпочтительнее. Работа шаговых двигателей сопровождается звуком, соответствующим частоте шагов при разных оборотах.

Поэтому выбор сервопривода или шагового двигателя в качестве привода фрезерно-гравировального станка и оборудования плазменной резки должен производиться исключительно исходя из экономической и технической целесообразности.

Фрезерные станки с ЧПУ для малого бизнеса Чтобы создать и развивать успешный бизнес по фрезерованию с ЧПУ, важно иметь значительные конкурентные преимущества, такие как превосходное качество продукции и разумные цены. В этой статье мы расскажем, какие станки с ЧПУ подходят для малого бизнеса, какова стоимость того или иного оборудования и насколько выгоден этот вид деятельности

Технические характеристики и область применения фрезерных станков с ЧПУ Станки с ЧПУ оказали существенное влияние на металлообрабатывающую промышленность и работу с другими материалами. Программируемые настройки обеспечивают повышенную точность фрезерования, что приводит к значительному увеличению производительности труда.

Обработка заготовок происходит непрерывно и строго по заданной программе, а результат работы получается очень точным. В статье мы рассмотрим важнейшие технические характеристики фрезерных станков с ЧПУ и их основные направления

Фрезы для деревообрабатывающих станков с ЧПУ Рабочим режущим инструментом для станков с ЧПУ является фреза. Конструктивно это вращающаяся деталь с острыми зубьями. Фрезы с ЧПУ по дереву изготавливаются из разных сплавов и делятся на категории.

Их выбор зависит от особенностей обрабатываемой поверхности, вида работ и степени твердости древесины.

Характеристики шагового двигателя Шаговый двигатель представляет собой бесщеточный двигатель с несколькими обмотками и работает по синхронному принципу. Принцип работы шагового двигателя заключается в поочередном включении обмоток, обеспечивающих вращение/остановку ротора

Технические характеристики сверлильных станков с ЧПУ Современные сверлильные станки с ЧПУ применяются в отраслях, где выполняются большие объемы обработки деталей различного назначения, например на мебельных фабриках. Сегодня производители предлагают покупателям модели сверлильных станков с ЧПУ во всем их функциональном разнообразии