Управление серводвигателями с помощью микроконтроллеров AVR AtMega32. Сервопривод. Сервоприводы с современными синхронными электродвигателями Где взять сервопривод

Сервомоторы (серводвигатели ) представляют собой специализированные электродвигатели, оснащенные так называемой отрицательной обратной связью, с помощью которой осуществляется точное управление всеми параметрами движения. Ее суть состоит в том, что в процессе работы этих устройств происходит постоянное сравнение выходных параметров функционирования с изначально заданными входными. Происходит это на основе управляющих сигналов, генерируемых в режиме реального времени сервоконтроллерами, имеющими в своей конструкции энкодеры, то есть датчики обратной связи.

Таким образом, в конструкцию всех современных сервомоторов входит собственно электродвигатель и управляющий блок. В совокупности они представляют собой сервоприводы, с помощью которых конструкторам технических устройств удается решать целый ряд важных задач. Наиболее часто серводвигатели (сервоприводы) применяются в тех случаях, когда требуется в автоматическом режиме осуществлять точное позиционирование одних рабочих элементов конструкции разнообразного оборудования (например, станков с числовым программным управлением, прессо-штамповочного оборудования, роботизированных сборочных конвейеров и т. п.) относительно других.

Все выпускаемые ведущими мировыми производителями серводвигатели можно разделить на две большие группы: со щетками и без щеток. В сервоприводах могут использоваться как синхронные, так и асинхронные электродвигатели, а также синхронные линейные двигатели. Кроме того, в сервоприводах могут использоваться как корпусные, так и бескорпусные электродвигатели, причем во втором варианте исполнения роль корпуса играет пакет пластин статора, что позволяет максимально эффективно использовать весь их профиль, и при этом существенно уменьшить размеры и вес устройств в целом.

Большинство современных серводвигателей, работающих по принципу обратной связи, управляется сигналами, сформированными энкодером из нескольких системных. Одной из основных особенностей сервосистем является то, что они способны усиливать выходные сигналы, которые изначально, как правило, имеют гораздо меньшую мощность, чем входные (это необходимо для того, чтобы их можно было сравнить). Таким образом, при работе сервосистем их контуры в прямом направлении передают энергию, а в обратном – информацию, требуемую для точного управления.

Основными техническими характеристиками сервомоторов являются их динамика, равномерность движения и энергоэффективность. В последние годы все более широкое применение находят синхронные серводвигатели, которые выгодно отличаются от асинхронных более высокой динамикой, возможностью длительной работы на низких скоростях без принудительного охлаждения и более высокой устойчивостью к перегрузкам. В то же самое время асинхронные двигатели, используемые в сервоприводах, имеют перед синхронными двигателями такое преимущество, как полное отсутствие пульсации при вращении.

Многие задают вопрос: сервопривод - что это такое? Классическая конструкция сервопривода включает в себя двигатель, датчик позиционирования и трехконтурную управляющую систему (регуляция позиции, скорости и тока).

Слово «серво» имеет латинское происхождение «servus», дословно переводится как «раб», «помощник», «прислужник».

В машиностроительной отрасли устройства выступали в роли вспомогательных компонентов (привод подачи в станке, роботе и т.д.). Однако сегодня ситуация поменялась, и главное назначение сервопривода заключено в реализации в области сервомеханизмов.

Установка сервопривода оправдана в том случае, когда обычные регулируют точность работы в недостаточной мере.

Применение приборов высокого качества необходимо в оборудовании, отличающемся высоким уровнем производительности.

В этой статье будет рассказано про сервопривод, что это такое и как он функционирует.

Области использования устройства

В современном мире, когда автоматизация заняла прочные позиции во всех областях машиностроения, конструкция всех механизмов заметно унифицировалась. При этом применяются современные индивидуальные приводы.

Для того, чтобы понять, сервопривод, что это такое, следует знать сферу применения устройства.

Устройства содержат прецизионные конструкции поддержания скорости в и станках с высокой точностью. Они монтируются на сверлильных оборудованиях, в различных системах транспорта и механизмах вспомогательного характера.

Самое широкое применение приборы нашли в следующих сферах:

  • изготовление бумаги и упаковок;
  • изготовление листов из металла;
  • обрабатывание материалов;
  • производство транспортного оборудования;
  • изготовление стройматериалов.

Сервоприводы на багажник автомобиля

Существует множество моделей сервоприводов для багажника машины от разных производителей. Рассмотрим функциональность такого устройства, как сервопривод багажника от отечественного производителя «Автозебра». Устройство рассчитано на российские автомобили, но не только. К примеру, оно может использоваться в автомобиле «Рено Логан».

По отзывам пользователей, эта конструкция отличается удобством. Она позволяет, не выходя из авто, осуществлять открывание и закрывание багажника.

Управление устройством осуществляет посредством кнопки, вмонтированной в салон автомобиля или же в

Причина широкого использования прибора

Причиной частого применения сервоприводов стали:

  • возможность получения управления, отличающегося высокой точностью и стабильным функционированием;
  • широкий диапазон контроля скорости;
  • высокий уровень устойчивости к помехам;
  • маленький размер и вес устройства.

Принцип функционирования сервопривода

Как же работает устройство? Сервопривод, принцип работы которого основан на обратной связи с одним или более системными сигналами, регулирует объект. Выходной показатель устройства поступает на вход, где идет сравнение с задающим действием.

Особенности механизма

Устройство сервопривода обладает двумя основными особенностями:

  • способностью повышать мощность;
  • обеспечением обратной информационной связи.

Усиление требуется с той целью, что нужная на выходе энергия очень высока (поступает из внешнего источника), а на входе ее показатель незначителен.

Обратная связь — это не что иное, как контур с замкнутой схемой, в котором сигналы не согласованы на входе и выходе. Этот процесс применяется для управления.

Отсюда вытекает вывод: контур при прямом направлении служит передатчиком энергии, а при обратном направлении — передатчиком информации, которая нужна для точности управления.

Питание и цоколевка разъемов устройства

Сервопривод, принцип работы которого применим в радиоуправляемых конфигурациях, обычно обладает тремя проводами:

  1. Сигнализирующим. По нему осуществляется передача управляющего импульса. Как правило, провод окрашен в белый, желтый или же красный цвет.
  2. Питающим. Показатель его мощности составляет от 4,8 до 6 В. Зачастую, это красный провод.
  3. Заземляющим. Провод черный или коричневый.

Размеры приводов

По размерам агрегаты подразделяются на три категории:

  • микроприводы;
  • стандартные модификации;
  • крупные устройства.

Встречаются сервоприводы и с другими показателями размеров, однако вышеперечисленные виды составляют 95% от всех устройств.

Основные характеристик изделия

Работа сервопривода характеризуется двумя основными показателями: скоростью поворота и усилия на валу. Первая величина служит показателем времени, которое измеряется в секундах. Усилие мерится в кг/см, то есть, какой уровень усилия развивает механизм от центра вращения.

Вообще данный параметр находится в зависимости от основного назначения устройства, а уже потом от числа передач редуктора и используемых в устройстве узлов.

Как уже упоминалось, сейчас выпускают механизмы, функционирующие при показателе напряжения питания от 4,8 до 6 В. Чаще этот показатель равен 6 В. Однако не все модели рассчитаны на широкий диапазон напряжений. Иногда двигатель сервопривода работает лишь при 4,8 В или же только при 6 В (последние конфигурации производятся крайне редко).

Аналоговые и цифровые модификации

Несколько лет тому назад все сервосхемы были аналоговыми. Сейчас появились и цифровые конструкции. В чем же разница их работы? Давайте обратимся к информации официального характера.

Из отчета фирмы Futaba следует, что за последнее десятилетие сервоприводы стали отличаться более хорошими техническими показателями, чем раньше, а также малыми размерами, высоким уровнем скорости вращения и показателем элементов кручения.

Последний виток развития — появление устройства на цифровой основе. Эти агрегаты обладают существенными преимуществами даже перед моторами коллекторного типа. Хотя имеются и некоторые минусы.

Внешне аналоговые и цифровые устройства неразличимы. Отличия фиксируются лишь на платах устройств. Вместо микросхемы на цифровом агрегате можно увидеть микропроцессор, анализирующий сигнал приемника. Он и управляет двигателем.

Совершенно неправильно говорить о том, что аналоговая и цифровая модификация в корне различаются при функционировании. Они могут обладать одинаковыми двигателями, механизмами и потенциометрами

Основным отличием является способ переработки поступающего сигнала приемника и управление двигателем. В оба сервопривода поступает одинаковый по мощности сигнал радиоприемника.

Таким образом, становится понятно, сервопривод, что это такое?

Принцип работы аналоговой модификации

В аналоговой модификации полученный сигнал сравним с текущим положением сервомотора, а затем на двигатель поступает сигнал усилителя, вызывающий перемещение двигателя в заданную позицию Показатель частоты процесса составляет 50 раз за одну секунду. Это минимальный показатель времени реагирования. Если же вы отклоните ручку на передатчике, то на сервопривод начнут поступать короткие импульсы, промежуток между которыми станет равняться 20 м/сек. Между импульсами на мотор ничего не поступает, и воздействие извне может изменить функционирование устройства в любую сторону. Этот временной промежуток называется «мертвая зона».

Принцип работы цифровой конструкции

Цифровыми устройствами используется специальный процессор, функционирующий на высоких частотах. Он обрабатывает сигнал приемника и посылает импульсы управления в двигатель с показателем частоты в 300 раз в секунду. Так как показатель частоты значительно выше, то и реакция заметно быстрее и держит позицию лучше. Это вызывает оптимальное центрирование и высокий уровень кручения. Но такой метод требует больших затрат энергии, поэтому батарея, используемая в аналоговом механизме, в этой конструкции будет разряжаться намного быстрее.

Однако все пользователи, которые хоть однажды столкнулись с цифровой моделью, говорят о том, что ее различие с аналоговой конструкцией настолько значительно, что они никогда бы больше не употребляли последнюю.

Заключение

Вашим выбором станут цифровые аналоги, если вам требуются:

  • высокий уровень ;
  • минимальное количество «мертвых зон»;
  • точный уровень позиционирования;
  • быстрая реакция на команду;
  • беспеременное усилие на валу при повороте;
  • высокий уровень мощности.

Теперь вы знаете, что такое сервопривод и как его использовать.

Сервопривод (следящий привод) - привод с управлением через отрицательную обратную связь, позволяющую точно управлять параметрами движения.
Сервоприводом является любой тип механического привода (устройства, рабочего органа), имеющий в составе датчик (положения, скорости, усилия и т. п.) и блок управления приводом (электронную схему или механическую систему тяг), автоматически поддерживающий необходимые параметры на датчике (и, соответственно, на устройстве) согласно заданному внешнему значению (положению ручки управления или численному значению от других систем).
Материал из Википедии - свободной энциклопедии

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 току).

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 .

Универсальный сервопривод

Универсальный сервопривод характеризуется богатым набором функций, возможностью управления серводвигателями различного типа (как синхронными, так и асинхронными), возможностью работы с различными датчиками обратной связи, а также наличием ряда опций и расширений. Рассмотрим универсальный Сервопривод на примере KEB F5-Multi (Германия) и Control Techniques Unidrive SP. (Англия)

Сервопривод на базе KEB F5-Multi

Сервопривод КЕВ" align="RIGHT" width="20%" border="0">

Контроллер элеткропривода с контуром обратной связи для синхронных и асинхронных двигателей. Специально разработан для для работы в замкнутом контуре, возможны ращличные варианты обратной связи с:

    резольвером

    энкодером

    Sin-Cos датчиком положения

    абсолютным датчиком положения

    EnDat, Hiperface или тахогенератором

Основные возможности и характеристики:

    широкий диапазон мощностей

    напряжение питания 220 или 380 В

    возможно питание постоянным током

    бессенсорное управление двигателем

    гальванически развязанные аналоговые и цифровые входы/выходы

    релейные и транзисторные программируемые выходы

Возможна реализация концепции децентрализованного управления системой приводов, благодаря наличию:

    регулирования скорости вращения и вращающего момента

    управления позиционированием

    режимов согласованного вращения

Кулачковых переключателей

Электронного кулачкового диска

Одноосевого позиционирования

Позиционирования поворотного стола

Все привода поддерживают последовательные интерфейсы Profibus, CAN, Sercos, InterBus, DeviceNet, Modbus, Ethernet, Ethercat, Powerlink, Profinet и KEB-HSP5 / DIN 66019-II.


Исполнительный и специальный Сервопривод

Исполнительный сервоприод работает под управлением контроллера движения, имеет ограниченный набор функций и настроек, прост в работе. В следствии этого исполнительный сервоприод является более экономичным. Рассмотрим исполнительные cервоприводы на примере синхронных cервоприводов Mecapion.

Исполнительный сервопривод Mecapion

Синхронные Сервоприводы Mecapion (ex. Metronix) - базовый продукт для системных решений в области промышленной автоматизации давно знакомый российским потребителям.

Основные особенности cервоприводов Metronix

    диапазон мощностей от 0,03 до 11 кВт

    встроенный комплект рекуператора, позволяющий возвращать энергию в сеть, и встроенный ключ сброса энергии при динамических торможениях

    тестовый режим работы преобразователей частоты

    функции устранения вибраций при вращении двигателя и его останове позволяют исключить работу преобразователя частоты в колебательном режиме как при наладке, так и в эксплуатации

    возможность использования как относительных, так и абсолютных инкрементальных датчиков положения

    выбор режима работы системы управления - управление по скорости или по моменту

    наличие расширенного пакета программного обеспечения позволяет легко и быстро менять функции преобразователя частоты и решать на его базе различные технические задачи (в т. ч. по реализации управления приводами подачи)

    наличие в линейке продукции Metronix двигателей с полым валом позволяет исключить из кинематической схемы промежуточное устройство - соединительную муфту

    программируемые выходы позволяют строить системы с высокой степенью защиты от различных нештатных ситуаций и с максимальной информативностью для оператора

Серия VS - стандартная общепромышленная, реализует управление по скорости, моменту (±10 В) и положению (step/dir).

Преобразователи частоты серии VS могут работать в следующих режимах:

    управление позицией при использовании внешнего контроллера, задающего последовательность импульсов.

    управление скоростью по аналоговому входу или дискретным входам.

    управление моментом по аналоговому входу в режиме ограничения максимального момента.

    управление скоростью/позицией.

    управление скоростью/моментом.

    управление позицией/моментом.

Специальная серия VP предназначена для выполнения специальных задач:

    линейно-координатное позиционирование с возможностью выбора до 64 позиций шестью дискретными входами (VP1), типичная сфера применения - обеспечение линейного перемещения в системах с трансмиссией на ШВП

    угловое позиционирование с возможностью выбора до 32 позиций пятью дискретными входами (VP2), типичная сфера применения - поворотные столы, роторные конвейерные линии, устройства автоматической смены инструмента и т. п.

    позиционирование с использованием подачи дотягивания (VP3), типичная сфера применения - упаковочные машины, всевозможные виды подающих устройств с позиционированием как по сигналу с энкодера на валу двигателя, так и по по метке внешнего дискретного датчика

    программируемое пошаговое позиционирование с возможностью выбора до 8 программ тремя дискретными входами (VP5), каждая программа может иметь до 100 шагов (позиций), сохраняемых в памяти преобразователя частоты

    для связи преобразователя частоты VS и персонального (промышленного) компьютера используется встроенный СОМ-порт, при необходимости через конвертор RS232/RS485 преобразователи частоты можно объединить в сеть

Интегрированный Сервопривод

align="RIGHT" width="30%" border="0">

Главной отличительной чертой, а так же подавляющим преимуществом, интегрированного cервопривода является заключение двигателя, контроллера, датчика обратной связи и преобразователя частоты в едином корпусе. Что сводит к минимуму монтажные операции, упрощает подключение и настройку, сокращает время на отладочные работы, значительно экономит место, а так же положительно сказывается на стоимости cервопривода .

На российском рынке уже успели себя отлично себя проявить и зарекомендовать отечественные интегрированные шаговые cервоприводы СПШ .

    бесшаговое (векторное) управление на основе адаптированного для шаговых двигателей алгоритма

    высокие динамические показатели за счет использования замкнутых контуров регулирования токов в обмотках двигателя

    использование замкнутых контуров скорости

    низкая вибрация за счет динамически регулируемого усилия

    продуманная конструкция и простой монтаж

    компактные размеры и небольшая масса

Режимы работы cервопривода СПШ

Динамический - управляющий сигнал от контроллера верхнего уровня передается через цифровой интерфейс в режиме реального времени. Динамический режим используется в системах, требующих контурного управления (например, в манипуляторах со сложной кинематикой и координатных столах для точного позиционирования).

Аналоговый - управление по скорости сигналом ±10 В. Данный режим позволяет использовать привод для модернизации оборудования с аналоговыми системами управления или для управления вручную (например, с помощью штурвала).

Циклический - выполнение запрограммированных контроллером верхнего уровня и сохраненных в памяти привода циклических операций. В ряде случаев это позволяет исключить внешний контроллер верхнего уровня или СЧПУ. Циклический режим используется, например, на конвейерах и в несложных сборочных операциях.

Сетевой - данный режим позволяет пользователю строить распределённые сервосистемы на основе цифрового интерфейса CAN, реализовывать синхронное или последовательное перемещение нескольких осей. В этом случае также возможно использование режима «master-slave», в котором ведомый привод работает в режиме повторителя положения вала ведущего.

Сервоприводы и механизмы оснащены датчиком, который отслеживает определенный параметр, например усилие, положение или скорость, а также управляющий блок в виде электронного устройства. Задачей этого устройства является поддержание необходимых параметров в автоматическом режиме во время функционирования устройства, в зависимости от вида поступающего сигнала от датчика в определенные периоды времени.

Устройство и работа

От обычного электродвигателя сервопривод отличается тем, что можно задать точное положение вала в градусах. Сервоприводы – это любые механические приводы, которые включают в себя датчик некоторого параметра и блок управления, который способен автоматически поддерживать требуемые параметры, соответствующие определенным внешним значениям.

1 — Шестерни редуктора
2 — Выходной вал
3 — Подшипник
4 — Нижняя втулка
5 — Потенциометр
6 — Плата управления
7 — Винт корпуса
8 — Электродвигатель постоянного тока
9 — Шестерня электродвигателя

Для преобразования электрической энергии в механическое движение, необходим . Приводом является редуктор с электродвигателем. Редуктор требуется для снижения скорости двигателя, так как скорость слишком большая для применения. Редуктор состоит из корпуса, в котором расположены валы с шестернями, способными преобразовывать и передавать крутящий момент.

Путем запуска и останова электродвигателя можно приводить в движение выходной вал редуктора, который связан с шестерней сервопривода. К валу можно присоединять устройство или механизм, которым требуется управлять. Кроме этого для контроля положения вала требуется наличие датчика обратной связи. Этот датчик может преобразовать угол поворота снова в сигнал электрического тока.

Такой датчик получил название энкодера. В качестве энкодера может применяться потенциометр. Если бегунок потенциометра поворачивать, то будет изменяться его сопротивление. Значение этого сопротивления прямо пропорционально зависит от угла поворота потенциометра. Таким образом, есть возможность добиться установки определенного положения механизма.

Кроме выше названного потенциометра, редуктора и электродвигателя, сервоприводы оснащены электронной платой, которая обрабатывает поступающий сигнал внешнего значения параметра от потенциометра, сравнивает, и в соответствии с результатом сравнения запускает или останавливает электродвигатель. Другими словами эта электронная начинка отвечает за поддержку отрицательной обратной связи.

Подключение сервопривода осуществляется тремя проводниками, два из которых подают питание напряжением электродвигателя, а по третьему проводнику поступает сигнал управления, с помощью которого выполняется установка положения вала двигателя.

Кроме электродвигателя, играть роль привода может и другой механизм, например пневматический цилиндр со штоком. В качестве датчика обратной связи применяют также датчики поворота угла, либо . Управляющий блок является сервоусилителем, индивидуальным инвертором. Он может содержать также и датчик сигнала управления.

При необходимости создания плавного торможения или разгона для предотвращения чрезмерных динамических нагрузок двигателя, выполняют схемы более сложных микроконтроллеров управления, которые могут контролировать позицию рабочего элемента намного точнее. Подобным образом выполнено устройство привода установки позиции головок в компьютерных жестких дисках.

Виды сервоприводов

При необходимости создания управления несколькими группами сервоприводов используют контроллеры с ЧПУ, которые собраны на схемах программируемых логических контроллеров. Такие сервоприводы способны обеспечить крутящий момент 50 Н*м, мощностью до 15 киловатт.

Синхронные способны задать скорость вращения электродвигателя с большой точностью, так же как ускорение и угол поворота. Синхронные виды приводов могут быстро достигать номинальной скорости вращения.

Асинхронные способны точно выдерживать скорость даже на очень низких оборотах.

Сервоприводы принципиально разделяют на электромеханические и электрогидромеханические . Электромеханические приводы состоят из редуктора и электродвигателя. Но их быстродействие оказывается намного меньше. В электрогидромеханических приводах движение создается путем движения поршня в цилиндре, вследствие чего быстродействие оказывается на очень высоком уровне.

Характеристики сервоприводов

Рассмотрим основные параметры, которые характеризуют сервоприводы:

  • Усилие на валу . Этот параметр является крутящим моментом. Это наиболее важный параметр сервопривода. В паспортных данных чаще всего указывается несколько значений момента для разных величин напряжения.
  • Скорость поворота также является важной характеристикой. Она указывается в эквиваленте времени, необходимом для изменения позиции выходного вала привода на 60 градусов. Этот параметр также могут указывать для нескольких значений напряжения.
  • Тип сервоприводов бывает аналоговый или цифровой.
  • Питание . Основная часть сервоприводов функционирует на напряжении 4,8-7,2 вольта. Питание подается чаще всего по трем проводникам: белый – сигнал управления, красный – напряжение работы, черный – общий провод.
  • Угол поворота – это наибольший угол, на который выходной вал способен повернуться. Чаще всего этот параметр равен 180 или 360 градусов.
  • Постоянного вращения . При необходимости обычный сервопривод можно модернизировать для постоянного вращения.
  • Материал изготовления редуктора сервоприводов бывает различным: карбон, металл, пластик, либо комбинированный состав. Шестерни, выполненные из пластика, не выдерживают ударных нагрузок, однако обладают высокой износостойкостью. Карбоновые шестерни намного прочнее пластмассовых, но имеют высокую стоимость. Шестерни из металла способны выдержать значительные нагрузки, падения, но имеют низкую износостойкость. Выходной вал редуктора устанавливают по-разному на разных моделях: на втулках скольжения, либо на шариковых подшипниках.


Преимущества
  • Легкость и простота установки конструкции.
  • Безотказность и надежность, что важно для ответственных устройств.
  • Не создают шума при эксплуатации.
  • Точность и плавность передвижений достигается даже на малых скоростях. В зависимости от поставленной задачи разрешающая способность может настраиваться работником.
Недостатки
  • Сложность в настройке.
  • Повышенная стоимость.

Применение

Сервоприводы в настоящее время используются достаточно широко. Так, например, они применяются в различных точных приборах, промышленных роботах, автоматах по производству печатных плат, станках с программным управлением, различные клапаны и задвижки.

Наиболее популярными стали быстродействующие приводы в авиамодельном деле. Серводвигатели имеют достоинство в эффективности расхода электрической энергии, а также равномерного движения.

В начале появления серводвигателей использовались коллекторные трехполюсные моторы с обмотками на роторе, и с постоянными магнитами на статоре. Кроме этого, в конструкции двигателя был узел с коллектором и щетками. Далее, по мере технического прогресса число обмоток двигателя увеличилось до пяти, а момент вращения возрос, так же как и скорость разгона.

Следующим этапом развития серводвигателей было расположение обмоток снаружи магнитов. Этим снизили массу ротора, уменьшили время разгона. При этом стоимость двигателя увеличилась. В результате дальнейшего проектирования серводвигателей было решено отказаться от наличия коллектора в устройстве двигателя. Стали применяться двигатели с постоянными магнитами ротора. Мотор стал без щеток, эффективность его возросла вследствие увеличения крутящего момента, скорости и ускорения.

В последнее время наиболее популярными стали сервомоторы, работающие от программируемого контроллера (Ардуино). Вследствие этого открылись большие возможности для проектирования точных станков, роботостроения, авиастроения (квадрокоптеры).

Так как приводы с моторами без коллекторов обладают высокими функциональными характеристиками, точным управлением, повышенной эффективностью, они часто применяются в промышленном оборудовании, бытовой технике (мощные пылесосы с фильтрами), и даже в детских игрушках.

Сервопривод отопления

По сравнению с механической регулировкой системы отопления, электрические сервоприводы являются наиболее совершенными и прогрессивными техническими устройствами, обеспечивающими поддержание параметров отопления помещений.


1 — Блок питания
2 — Комнатные термостаты
3 — Коммутационный блок
4 — Серводвигатели
5 — Подающий коллектор
6 — Обход
7 — Водяной теплый пол
8 — Обратный коллектор
9 — Датчик температуры воды
10 — Циркулярный насос
11 — Шаровый клапан
12 — Регулировочный клапан
13 — Двухходовой термостатический клапан

Привод системы отопления функционирует совместно с термостатом, установленным на стену. Кран с электрическим приводом монтируется на трубе подачи теплоносителя, перед коллектором теплого водяного пола. Далее выполняется подключение питания 220 вольт и настройка терморегулятора рабочего режима.

Система управления оснащается двумя датчиками. Один из них расположен в полу, другой в помещении. Датчики передают сигналы на термостат, управляющий сервоприводом, который соединен с краном. Повысить точность регулировки можно путем установки дополнительного прибора снаружи помещения, так как условия климата непрерывно изменяются, и оказывают влияние на температуру в комнате.

Привод механически соединен с клапаном для его управления. Клапаны могут быть двух- и трехходовыми. Двухходовой клапан может изменять температуру воды в системе. Трехходовой клапан способен поддерживать температуру неизменной, однако изменяет потребление горячей воды, которая подается в контуры. В устройстве трехходового клапана имеется два входа для горячей воды (трубы подачи) и выход обратной воды, через который подается смешанная вода с заданной температурой.

Смешивание воды происходит с помощью клапана. При этом осуществляется регулировка подачи теплоносителя в коллекторы. При открывании одного входа, другой начинает закрываться, а расход воды на выходе не изменяется.

Сервоприводы багажника

В настоящее время современные автомобили чаще всего стали производит с функцией автоматического открывания багажника. Для такой цели применяют рассмотренную нами конструкцию сервопривода. Автопроизводители используют два метода для оснащения такой функцией автомобиля.

Конечно, пневмопривод багажника более надежен, однако его стоимость достаточно высока, поэтому в автомобилях такой привод не нашел применения.

Электрический привод выполняется с разными способами управления:

  • Рукояткой на крышке багажника.
  • Кнопкой на панели двери водителя.
  • С пульта сигнализации.

Открывать багажник вручную не всегда бывает удобным. Например, зимой замок имеет свойство замерзать. Сервопривод дополнительно выполняет функцию защиты автомобиля от чужого проникновения, так как совмещен с устройством замка.

Такие приводы багажника используются на некоторых импортных автомобилях, однако, можно установить такой механизм и на отечественных машинах, было бы желание.

Существуют приводы багажника с магнитными пластинами, однако они не нашли применения, так как их устройство достаточно сложное.

Наиболее приемлемыми по цене являются сервоприводы багажника, которые выполняют только открывание. Функция закрывания для них недоступна. Также можно выбрать конструкцию модели привода, имеющего инерционный механизм. Он играет роль блокировки при появлении препятствия при движении багажника.

Дорогостоящие модели сервоприводов включают в себя механизм подъема и опускания багажника, доводчика механизма запирания, датчиков и контроллера. Обычно их на автомобилях устанавливают на заводе, однако простые конструкции вполне можно монтировать самостоятельно.

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.

Похожие публикации