Сервопривод

Сервомотор для авиамоделизма

Сервопри́вод (также известный как следя́щий при́вод, от латинского servus — помощник, раб, слуга) — механическая система с автоматической корректировкой состояния посредством внутренней отрицательной обратной связи, функционирующая в соответствии с заданными извне параметрами.

Характеристика

Следящий привод представляет собой систему управления устройством или рабочим органом, включающую датчик (для измерения положения, скорости, усилия и других параметров) и блок управления (электронную схему или механическую систему тяг). Эта система автоматически поддерживает требуемые параметры на датчике и, соответственно, на управляемом устройстве, согласно заданному внешнему значению, которое может быть определено положением ручки управления или цифровым сигналом от других систем.

По сути, следящий привод функционирует как «автоматический точный исполнитель». Получая входной сигнал управляющего параметра в режиме реального времени, он самостоятельно, опираясь на данные датчика, стремится создать и поддерживать соответствующее значение на выходе исполнительного элемента.

К категории следящих приводов относится широкий спектр регуляторов и усилителей с отрицательной обратной связью. Это могут быть гидро-, электро- и пневмоусилители ручного привода управляющих элементов, применяемые, например, в рулевом управлении и тормозной системе тракторов и автомобилей. Однако термин «следящий привод» наиболее часто (и в контексте данной статьи) используется для обозначения электрического привода с обратной связью по положению, применяемого в автоматических системах для управления рабочими органами и элементами.

В настоящее время следящие приводы широко применяются в высокопроизводительном оборудовании различных отраслей промышленности. Среди них: машиностроение; автоматизированные линии по производству напитков, упаковки, строительных материалов, электроники; подъёмно-транспортная техника; полиграфия; деревообработка; пищевая промышленность.

Компоненты следящего привода

• Исполнительный механизм — к примеру, электродвигатель с редуктором или пневматический цилиндр.
• Устройство обратной связи — например, энкодер для измерения угла поворота выходного вала редуктора.
• Блок электропитания и управления (также известный как частотный преобразователь, сервоусилитель, инвертор или servodrive).
• Входное устройство, преобразователь или датчик для приёма управляющего сигнала (может быть интегрирован в блок управления).

Базовый блок управления электрического следящего привода может быть реализован на основе схемы сравнения показаний датчика обратной связи и заданного значения, с последующей подачей напряжения соответствующей полярности на электродвигатель через реле. Более совершенные системы управления, базирующиеся на микропроцессорах, способны учитывать инерционность приводимого элемента и обеспечивать плавное ускорение и замедление электродвигателя. Это позволяет снизить динамические нагрузки и повысить точность позиционирования (такой принцип используется, например, в приводах головок современных жёстких дисков).

Для координации работы отдельных следящих приводов или их групп могут применяться специализированные ЧПУ-контроллеры, которые возможно реализовать на базе программируемых логических контроллеров (ПЛК).

Диапазон мощности двигателей следящих приводов варьируется от 0,05 до 15 кВт. Номинальные значения крутящего момента находятся в пределах от 0,15 до 50 Н·м.

Сопоставление с шаговым двигателем

Альтернативным методом точного позиционирования управляемых элементов без использования датчика обратной связи является применение шагового двигателя. В данном случае система управления производит подсчёт необходимого количества импульсов (шагов) от исходного положения. Эта особенность обуславливает характерный звук работы шагового двигателя в дисководах 3,5" и CD/DVD при повторных попытках считывания. Точное позиционирование в шаговых двигателях обеспечивается параметрическими системами с отрицательной обратной связью, формируемыми взаимодействием соответствующих полюсов статора и ротора. Блок управления шаговым двигателем, активируя определённый полюс статора, создаёт сигнал задания для соответствующей параметрической системы.

Учитывая, что датчик в следящем приводе обычно контролирует непосредственно приводимый элемент, электрический следящий привод обладает рядом преимуществ по сравнению с шаговым двигателем:

• Отсутствие специфических требований к электродвигателю и редуктору — они могут быть практически любого требуемого типа и мощности (в то время как шаговые двигатели, как правило, характеризуются малой мощностью и низкой скоростью).
• Обеспечение максимальной точности за счёт автоматической компенсации:
  • механических (люфты в приводе) или электронных сбоев;
  • постепенного износа привода (в отличие от шагового двигателя, требующего периодической юстировки);
  • теплового расширения привода (при работе или сезонного), что стало одной из причин перехода на следящий привод для позиционирования головок в жёстких дисках;
  • мгновенного выявления отказа (выхода из строя) привода (по механической части или электронике).

• Возможность достижения более высокой скорости перемещения элемента (у шагового двигателя наблюдается наименьшая максимальная скорость среди всех типов электродвигателей).
• Энергопотребление пропорционально сопротивлению элемента (в то время как на шаговый двигатель постоянно подаётся номинальное напряжение с запасом на возможную перегрузку).

Недостатки в сравнении с шаговым двигателем

• Потребность в дополнительном компоненте — датчике.
• Более сложная конструкция блока управления и алгоритм его функционирования (необходима обработка данных с датчика и выбор управляющего воздействия, в то время как основой контроллера шагового двигателя является простой счётчик).
• Вопрос фиксации положения: обычно решается путём постоянного торможения перемещаемого элемента или вала электродвигателя (что приводит к потерям энергии), либо применением червячных/винтовых передач (усложнение конструкции). В шаговом двигателе каждый шаг фиксируется самим двигателем.
• Следящие приводы, как правило, имеют более высокую стоимость по сравнению с шаговыми.

Тем не менее возможно использование следящего привода на базе шагового двигателя или в дополнение к нему, что позволяет до некоторой степени объединить их преимущества и устранить конкуренцию между ними. В такой комбинации следящий привод осуществляет грубое позиционирование в зону действия соответствующей параметрической системы шагового двигателя, а последняя выполняет окончательное позиционирование при относительно большом моменте и фиксации положения.

Важно подчеркнуть, что следящий привод не сталкивается с проблемой фиксации положения, характерной для шагового двигателя. Прецизионное позиционирование и стабильное удержание в требуемой позиции достигается благодаря функционированию электрической машины в вентильном режиме. Сущность данного режима заключается в том, что машина выступает в роли генератора силы. Система формирует задание на силу, учитывая степень отклонения от заданного положения и другие параметры электропривода.

Одно из ключевых достоинств следящего привода — его энергетическая эффективность. Подача тока осуществляется в строго необходимом объёме для поддержания рабочего органа в заданной позиции. Это кардинально отличается от принципа работы шагового привода, где постоянно подаётся максимальный ток, определяющий угловую характеристику устройства.

При незначительных отклонениях угловая характеристика машины проявляет свойства, сходные с механической пружиной, стремясь вернуть рабочий орган в заданную точку. В случае с шаговым приводом наблюдается прямая зависимость: чем больше отклонение от заданного положения, тем выше развиваемая сила при неизменной величине тока.

Разновидности следящего привода

• Следящий привод вращательного движения:
  • синхронный;
  • асинхронный.
• Следящий привод линейного движения:
  • плоский;
  • круглый.

Синхронный следящий привод обеспечивает возможность точного задания угла поворота (с точностью до угловых минут), скорости вращения и ускорения. Характеризуется более быстрым разгоном по сравнению с асинхронным, но имеет значительно более высокую стоимость.

Асинхронный следящий привод (асинхронная машина с датчиком скорости) позволяет точно регулировать скорость, в том числе на низких оборотах.

Линейные двигатели способны развивать значительные ускорения (до 70 м/с2).

• По принципу действия:
  • электрогидромеханический;
  • электромеханический.

В электромеханическом следящем приводе движение формируется посредством электродвигателя и редуктора.

В электрогидромеханическом следящем приводе движение создаётся системой поршень-цилиндр. Данный тип приводов характеризуется на порядок более высоким быстродействием в сравнении с электромеханическими.

Сферы использования

Следящие приводы применяются для прецизионного (с использованием датчика) позиционирования приводимого элемента в автоматизированных системах:

• управляющие элементы механических систем (задвижки, заслонки, углы поворота);
• рабочие органы, заготовки в станках, инструментах.

Следящие приводы вращательного движения находят применение в следующих областях:

• промышленные роботы;
• станки с числовым программным управлением (ЧПУ);
• полиграфическое оборудование;
• промышленные швейные машины;
• упаковочные станки;
• приборостроение;
• авиамоделирование.

Следящие приводы линейного движения используются, в частности, в автоматах для установки электронных компонентов на печатные платы.

Серводвигатель

Серводвигатель представляет собой следящий привод с мотором, предназначенный для перемещения выходного вала в заданное положение (в соответствии с управляющим сигналом) и автоматического активного удержания этой позиции.

Применение серводвигателей осуществляется для приведения в движение устройств, управляемых поворотом вала, например, для открытия/закрытия клапанов, переключателей и аналогичных механизмов.

Ключевыми характеристиками сервомотора являются равномерность движения, динамика двигателя, энергоэффективность.

Серводвигатели используются в промышленности, в частности, в станках с ЧПУ, в металлургии, прессо-штамповочном оборудовании, тяговом подвижном составе железных дорог, автомобильной промышленности.

Изначально в сервоприводах преимущественно использовались 3-полюсные коллекторные двигатели, в которых массивный ротор с обмотками вращался внутри магнитов.

Первым значительным усовершенствованием стало увеличение количества обмоток до пяти. Это позволило повысить вращающий момент и скорость разгона. Вторым усовершенствованием явилось изменение конструкции мотора. Ввиду сложности быстрого раскручивания стального сердечника с обмотками, конструкцию модифицировали — обмотки разместили снаружи магнитов, исключив вращение стального сердечника. Это привело к уменьшению веса двигателя, сокращению времени разгона, но также к увеличению стоимости.

Третьим этапом развития стало применение бесколлекторных двигателей. Они характеризуются более высоким КПД за счёт отсутствия щёток и скользящих контактов. Бесколлекторные двигатели обладают большей эффективностью, обеспечивают повышенную мощность, ускорение, скорость, вращающий момент.