Назначение и устройство

Широкое применение сервопривод нашел в робототехнике, машиностроении, автомобилестроении, автоматизации процессов в производстве. С его помощью приводятся в действие манипуляторы, выполняется открытие (полное или неполное) или закрытие (прикрытие) заслонок, в станкостроении для подачи режущего инструмента и других исполнительных механизмов.

Представляет собой устройство, состоящее их электродвигателя, редуктора, датчика положения (энкодера) или резистора и контроллера (устройства управления).

Простыми словами — это электромеханический привод, который через внутреннюю обратную связь, устанавливает точное положение вала механизма в зависимости от внешних управляющих сигналов.

На рисунке представлен разрез устройства:

Сервоприводы выпускаются различной мощности и назначения: небольшой мощности от 0,05 кВт, применяемые в автомобилестроении и робототехнике, например, sg90 и значительной мощности в 15 кВт. Последние монтируются в промышленных манипуляторах, станках с ЧПУ, для управления задвижками в нефтегазовой промышленности и т.д.

Не всегда в качестве мотора на сервопривод монтируется электродвигатель. В качестве привода может использоваться цилиндр со штоком, приводящийся в движение сжатым воздухом или жидкостью.

Виды сервопривода

Сервоприводы подразделяют на электромеханические. В них механизм состоит из электродвигателя и редуктора. Отличаются относительно невысоким быстродействием.

Различают по типу примененного двигателя:

• синхронные, имеют высокую точность вращения выходного вала, быстро набираю обороты;
• асинхронные, отличаются стабильным вращением вала;
• с коллекторным двигателем постоянного или переменного тока (универсальным).

Сервоприводы, где движущим механизмом является поршень с цилиндром, имеют высокое быстродействие. Применяется в автомобиле для переключения скоростей в АКПП. Монтируется в роботах, перемещающих грузы более ста килограмм. В промышленных установках, для переключения заслонок в упаковочных автоматах, где в качестве энергоносителя применяют сжатый воздух.

Основные характеристики сервопривода:

• Основным параметром является крутящий момент или усилие на валу. В паспортных данных указываются две величины, относительно разного напряжения питания.
• Быстродействие, показывает, за какой промежуток времени произойдет поворот выходного вала на 60⁰. Указываются значения для разной величины напряжений.
• Какой используется управляющий сигнал, аналоговый или цифровой.
• Питающее напряжение. Большинство небольших приводов питается напряжением от 4,8 до 7,2 Вольт. Применяется, например, в радиоуправляемых моделях. Комплектуется тремя проводами и имеет стандартную распиновку. На белый, коричневый или желтый подается сигнал управления, на красный напряжение питания, а черный – общий провод.
• Рабочий угол поворота, обычно он составляет 180⁰ или 360⁰. Выпускаются модернизированные приводы с постоянным вращением вала;
• Материал изготовления шестеренок редуктора. Они изготавливаются из латуни, карбона, пластика или могут быть комбинированные.

В электромеханическом сервоприводе применяются электродвигатели с сердечником, при работе которых возникает вибрация, когда происходит вращение маятника. Это уменьшает точность поворота выходного вала. Лишены этого недостатка моторы с минимальной кинетической энергией ротора. Такие привода необходимы для ЧПУ станка, чтобы точно установить исполнительный механизм. Однако, они дороже двигателей с сердечником.

Самым распространенным редуктором является шестеренчатый, который предназначен для понижения частоты вращения и увеличения момента на выходном валу. Реже применяют привод с червячным редуктором, который имеет большое передаточное число, но дороже и сложнее в производстве.

Область применения

Сервопривод нашел широкое применение в робототехнике и манипуляторах. При создании небольших механизмов используют сервопривод mg995 и ему подобные.

Для управления современными приводами в радиолюбительских изделиях часто используется представители семейства ардуино. Оно представляет набор электронных устройств, предназначенных для управления роботами и приборами автоматики, где применяется сервопривод. Управляющий сигнал может быть аналоговым или цифровым.

Схема подключения привода к устройству управления представлена на рисунке. Устройство может управлять несколькими приводами.

Для теплых полов используют автоматику, которая поддерживает заданную температуру. А подачу теплоносителя, который представляет собой горячую воду от отопительного котла, регулирует сервопривод.

Его подключают к устройству управления, которое контролирует температуру с помощью датчика температуры, и выдает команду на электротермический сервопривод типа RBM 24V. Также может применяться сервопривод АС230V с регулятором.

Регулирование температуры в отоплении осуществляется автоматикой, для чего используется сервопривод типа ICMA NC230V или NC24V. Приборы выпускаются на различное напряжение питания.

Унифицированный сервопривод, используемый в автомобиле, имеет малые габариты. Предназначен для работы с бортовым напряжением на 12 Вольт. Он интегрирован с центральным замком, устанавливается на все двери машины, в том числе и на пятую дверь (дверь багажника).

Также механизм управляет подачей горячей жидкости на печку. Работает в паре с термоэлектрическим датчиком, сигнал от которого поступает на устройство управления. После анализа датчик подает команду на сервопривод, который увеличивает или уменьшает подачу жидкости.

Например, для автомобилей ВАЗ применяют электропривод с редуктором SL-5.

Это далеко не полный перечень применения таких устройств.

Достоинства и недостатки

Сервопривод имеет преимущества перед аналогичными устройствами, например, шаговыми двигателями. За счет обратной связи механизм может корректировать положение вала, независимо от нагрузки на ось, что позволяет устанавливать рабочий механизм с высокой точностью.

Основными преимуществами являются:

• высокая точность позиционирования;
• с помощью редуктора понижаются обороты и повышается момент;
• позиционирование рабочего органа можно легко откорректировать, внеся изменение в программу управления;
• возможность достигать больших ускорений при работе, что делает сервопривод более подходящим к использованию в быстродействующих устройствах, по сравнению с шаговыми двигателями;
• равномерный момент почти во всем диапазоне скоростей;
• хорошо переносят перегрузки.

К недостаткам можно отнести:

• наличие редуктора (особенно критично если в нём пластиковые шестерни или из мягких металлов);
• износ резистивных дорожек (если для обратной связи при позиционировании используется потенциометр);
• сложная настройка программы управления, для получения результатов высокой точности;
• высокая стоимость оборудования (по сравнению с шаговыми двигателями, например);
• точность зачастую меньше, чем у шаговых двигателей.

Но учтите что все преимущества и недостатки усреднены, могут быть как шаговые двигатели, которые в определенном применении покажут себя лучше сервопривода, так и наоборот.

Заключение

Автоматическое управление бытовыми и производственными системами прочно вошло в нашу жизнь. В последнее время стал широко применяться привод под управлением программируемых блоков различного назначения типа ардуино.

Это позволило создать принципиально новые любительские летающие радиоуправляемые устройства, роботы, детские игрушки. В промышленности сервопривод применяют в станках, на экскаваторе, на квадроцикле и т.д. Сегодня невозможно представить нашу жизнь без сервоприводов.

На видео представлена работа аналоговых сервоприводов sg90 в модели робота-паука:

Теперь вы знаете, что такое сервопривод, как он устроен и для чего нужен. Надеемся, предоставленная информация помогла вам освоить данную тему и разобраться в основных моментах. Если возникли вопросы, задавайте их в комментариях под статьей!

Материалы по теме:

• Что такое ротор и статор в двигателе
• Как работает счетчик электроэнергии
• Как сделать автоматические ворота своими руками

Опубликовано 29.07.2019 Обновлено 29.07.2019 Пользователем Александр (администратор)