Popis zařízení a princip činnosti serva

Charakteristickým rysem servopohonu je schopnost řízení prostřednictvím negativní zpětné vazby pomocí specifikovaných parametrů. Všechna zařízení tohoto typu lze rozdělit do dvou skupin – DC servopohony a třífázové AC servopohony.

Konstrukce stejnosměrného servopohonu

Typicky se stejnosměrné servopohony používají v polohovacích aplikacích s nízkým výkonem. Jejich klasickou oblastí použití je robotika.

Konstrukce moderních servopohonů je poměrně jednoduchá, ale zároveň velmi efektivní, protože umožňuje co nejpřesnější řízení pohybu. Servo se skládá z:

• stejnosměrný motor
• převodovka
• výstupní hřídel
• potenciometr
• řídicí deska, na kterou je přiveden řídicí signál

Motor a převodovka tvoří pohon. Převodovka slouží ke snížení otáček motoru, který musí být přizpůsoben pro praktické použití. Požadované zatížení je připevněno na výstupní hřídel převodovky. Může to být houpací křeslo, rotační hřídel, tažné nebo tlačné mechanismy.

Pro přeměnu úhlu natočení na elektrický signál je potřeba senzor. Jeho funkce ve stejnosměrném servopohonu úspěšně plní potenciometr. Vytváří analogový signál (obvykle 0 až 10 V) s rozlišením omezeným ADC (analogově-digitální převodník), který přijímá signál.

Snad nejdůležitější částí servopohonu je elektronická deska servozesilovače, která přijímá a analyzuje řídicí impulsy, koreluje je s daty potenciometru a zodpovídá za spouštění a zastavování motoru.

Princip činnosti

Princip činnosti přístrojů je založen na použití pulzního signálu, který má tři důležité charakteristiky – opakovací frekvenci, minimální a maximální dobu trvání. Je to doba trvání pulsu, která určuje úhel natočení motoru.

Pulsní signály přijímané servem mají standardní frekvenci, ale jejich trvání může být v závislosti na modelu od 0,8 do 2,2 ms. Paralelně s příchodem řídicího impulsu je aktivován chod generátoru referenčních impulsů, který je připojen k potenciometru. Ten je zase mechanicky spojen s výstupním hřídelem a odpovídá za korekci jeho polohy.

Elektronický obvod analyzuje impulsy s přihlédnutím k délce trvání a na základě rozdílové hodnoty určí rozdíl mezi předpokládanou (danou) polohou hřídele a skutečnou (měřenou potenciometrem). Poté se provede seřízení přivedením napětí na napájecí zdroj motoru.

Základní ustanovení zařízení

Pokud je doba trvání referenčního a řídicího impulsu stejná, nastává tzv. nulový moment. V tuto chvíli servomotor neběží, hnací hřídel je ve své původní (stacionární) poloze.

S prodloužením doby trvání řídicího impulsu deska opraví rozdíl v indikátorech, motor přijme napětí a začne se pohybovat. Převodovka zase začne působit na výstupní hřídel, která se otáčí tak, aby se dosáhlo prodloužení doby trvání referenčního impulsu. Jakmile se vyrovná řídicímu impulsu, motor přestane pracovat.

S klesající dobou trvání řídicího impulsu se děje to samé, jen přesně naopak, protože motor se začne otáčet v opačném směru. Jakmile se impulsy vyrovnají, motor se zastaví.

AC servo

Střídavé servopohony využívají synchronní motor s výkonnými permanentními magnety. U takových motorů se rychlost rotoru shoduje s rychlostí magnetického pole indukovaného ve vinutí statoru.

Princip činnosti servopohonu na bázi třífázového synchronního elektromotoru je následující. Do vinutí statoru je přiváděno třífázové napětí, které v něm vytváří rotující magnetické pole. Toto pole interaguje s permanentními magnety umístěnými v rotoru. V důsledku toho se rotor otáčí s frekvencí magnetického pole.

Na hřídeli rotoru je namontován kodér s vysokým rozlišením. Signál z něj přichází samostatným kabelem do speciálního vstupu servozesilovače. Současně je na řídicí vstup servozesilovače přiveden řídicí signál. V důsledku porovnání těchto dvou signálů je vybrán chybový signál, jehož hodnota je přímo úměrná rozdílu mezi cílovými a skutečnými ukazateli otáček motoru. Na základě tohoto signálu se vytvoří třífázové napětí s parametry, které zajistí co nejrychlejší snížení nesouladu na nulu.

Režimy ovládání

Existují tři základní režimy provozu střídavého servopohonu.

Režim řízení polohy. Hlavní věcí v tomto režimu je kontrola nad úhlem natočení hřídele rotoru. Řízení se provádí posloupností impulsů, které mohou přicházet například z ovladače. Tento režim se používá pro přesné polohování různých součástí procesního zařízení.

Kombinace impulsů pro řízení polohy může předávat informace nejen o poloze, ale také o rychlosti a směru otáčení motoru. K tomu lze použít tři typy signálů: 1) kvadraturní impulsy (s fázovým posunem o 90 stupňů), 2) rotační impulsy ve směru nebo proti směru hodinových ručiček, působící střídavě, a 3) impulsy rychlosti a směrový potenciál aplikované na dva vstupy.

U všech servozesilovačů jsou řídicí vstupy zpravidla označovány jako PULSE, SIGN.

Režim ovládání rychlosti. V tomto případě se řízení provádí analogovým signálem. Hodnoty rychlosti lze také přepnout na pevné hodnoty přivedením signálů na odpovídající digitální vstupy. V případě použití bipolárního analogového řídicího signálu je možné změnit směr otáčení servomotoru.

Režim řízení otáček je podobný provozu asynchronního motoru řízeného frekvenčním měničem. Nastavují se parametry jako časy zrychlení a zpomalení, maximální a minimální rychlost a další.

Režim řízení točivého momentu.

V tomto režimu se motor může otáčet nebo stát, ale krouticí moment na hřídeli bude dán. Řízení lze provádět diskrétním nebo analogovým bipolárním signálem. Tento režim lze použít u strojů, kde je potřeba měnit upínací sílu, tlak atp.

Odhad aktuálního momentu motoru potřebného pro řízení se provádí pomocí vestavěného proudového snímače.

Proces obnovy

K regeneraci dochází, když se směr (znaménko) zatěžovacího momentu mění v závislosti na momentu servomotoru. Pokud je obnovovací energie malá, hromadí se na kondenzátorech stejnosměrného meziobvodu a zvyšuje na nich napětí.

Pokud je absolutní rozdíl točivého momentu mezi zátěží a servomotorem významný, může napětí na kondenzátorech DC sběrnice překročit prahovou úroveň. V tomto případě je regenerační energie odváděna do brzdového odporu.

Pojďme se na serva podívat blíže. Co to je a jak fungují? Zvažte typy servopohonů a jejich použití, dejte tipy na zapojení a ovládání.

Co je servo

Servopohon je elektromotor s řídící jednotkou, který díky zpětné vazbě dokáže přesně udržovat danou polohu hřídele nebo konstantní rychlost otáčení.

Serva se používají k jemnému napájení různých mechanismů. Pohon může například otevřít/zavřít uzávěry krmítka pro zvířata nebo aktivovat skrýš v místnosti pro hosty. Servomotor také umožní vašemu robotovi ovládat paže nebo otáčet hlavou.

Charakteristika serva

Moment

Točivý moment je součin síly a délky ramene. Jinými slovy ukazuje, jak velkou zátěž je servo schopno udržet v klidu na páce dané délky.

Například, pokud je točivý moment 5 kg cm, znamená to, že servo bude držet 1 cm dlouhé rameno ve vodorovné poloze s 5 kg závažím zavěšeným na volném konci. Nebo, což je ekvivalentní, držte páku dlouhou 5 cm se zavěšeným břemenem 1 kg.

Rychlost švihu

Otáčky serva jsou vyjádřeny jako čas potřebný k otočení výstupního hřídele o 60°. Charakteristika 0,1s/60° znamená, že se servo otočí o 60° za 0,1s. Z něj se dají spočítat otáčky v otáčkách za minutu, ale stalo se, že u serv se nejčastěji používá časový interval otáčení 60°.

Tvarový faktor

Serva se liší velikostí. A ačkoli neexistuje žádná oficiální klasifikace, výrobci již dlouho dodržují několik velikostí s obecně přijímaným uspořádáním spojovacích prvků.

Vnitřní rozhraní

Servopohony jsou buď analogové nebo digitální. Navenek se neliší: elektromotory, převodovky, potenciometry jsou stejné. Hlavním rozdílem mezi analogovými a digitálními servy je způsob zpracování řídicího signálu a signálu zpětné vazby. Jinak jsou jejich zařízení a principy činnosti stejné.

U analogového servopohonu jsou vstupní data analyzována logickým čipem: aktuální a požadovaná poloha motoru jsou porovnány a na základě rozdílu je dán příkaz ke změně polohy. Doba odezvy je asi 20 ms, protože impuls je aplikován s frekvencí 50 Hz. Přijímaný signál určuje, kdy a kterým směrem se má motor otáčet.

U digitálního servopohonu jsou vstupní data analyzována mikrokontrolérem. Toto technické řešení umožňuje zvýšit frekvenci signálu až na 200 Hz a vyšší. Každý impuls je kratší, ale díky velkému množství signálů se motor stává svižnějším: rychleji reaguje na vnější vlivy a vyvíjí potřebný točivý moment a mrtvé zóny se mnohem zkracují.

Digitální serva řeší problémy spojené s nízkou frekvencí signálu, ale zároveň se stávají náročnější na výrobu a tím i dražšími. Navíc spotřebovávají o něco více energie než analogové.

Materiály reduktoru

Ozubená kola převodovky mohou být plastové nebo kovové.

Plastové převodovky jsou vyrobeny ze silikonu nebo nylonu, mírně podléhají opotřebení, váží málo a jsou levné. Díky tomu jsou docela populární v amatérských projektech, kde se nepředpokládá velké zatížení mechanismu.

Kovové převodovky jsou těžší a dražší, ale mohou pomoci tam, kde se očekává zatížení přesahující sílu plastu. Výkonnější motory jsou proto většinou vybaveny kovovou převodovkou. Titanové převody jsou oblíbené mezi kovovými převody, a to jak technickými vlastnostmi, tak bohužel i cenou.

Kovové převody se však rychle opotřebovávají, takže je musíte měnit téměř každou sezónu.

Kartáčované a střídavé motory

Existují tři typy servomotorů:

Jádrový komutátorový motor má hustý železný rotor s drátěným vinutím a magnety kolem něj. Rotor má několik sekcí, takže když se motor otáčí, rotor způsobuje, že motor mírně vibruje, když sekce míjejí magnety. Výsledkem je, že servo vibruje a není příliš přesné, ale je to cenově nejdostupnější typ motoru.

Komutátorový motor s dutým rotorem má jediné magnetické jádro s válcem nebo zvonem vinutým kolem magnetu. Bezjádrový design je lehčí a není dělený, což má za následek rychlejší odezvu a hladký provoz bez vibrací. Tyto motory jsou dražší, ale poskytují vyšší úroveň ovládání, točivého momentu a rychlosti než jádrový motor.

Bezkomutátorový motor má všechny pozitivní vlastnosti bezjádrových motorů, ale je také schopen vyvinout vyšší rychlost a točivý moment za stejných podmínek. Tento typ motoru je nejdražší.

Typy serv

Servopohony se liší řídicím signálem a způsobem přeměny elektrické energie na mechanickou energii.

PDM serva s přidržením úhlu

Servopohony rozhraní PDM (PWM), které převádějí řídicí signály na nastavení a udržení daného úhlu.

PDM servopohony s konstantní rotací

Servopohony s rozhraním PDM (PWM), které převádějí řídicí signály pro udržení dané rychlosti hřídele v libovolném směru bez omezení úhlu natočení.

SCS serva

Servopohony s rozhraním SCS, které převádějí řídicí signály na nastavení a udržení daného úhlu.

Servopohony STS

Servopohony s rozhraním STS, které převádějí řídicí signály pro udržení dané rychlosti hřídele v libovolném směru bez omezení úhlu natočení.

Seznam serv

Konečně,

Servopohony jsou různé: lepší nebo levnější, spolehlivější nebo přesnější. A než si servo koupíte, stojí za to zvážit, že nemusí mít nejlepší vlastnosti, ale hlavní je, že je vhodné pro váš projekt. Hodně štěstí ve vašem snažení!