Принципы работы и виды сервоприводов

13.06.2019

Сервопривод — это механизм с двигателем, в основе работы которого лежит отрицательная обратная связь, что дает возможность точно управлять движениями, задав нужные параметры. По сути, это любой тип механического привода, в котором есть датчик (положения, скорости, усилия и т.д.) и блок управления, сохраняющий заданные показатели на датчике и всем устройстве в автоматическом режиме.

Главная область применения сервоприводов – это робототехника. Также они устанавливаются в станках с ЧПУ, полиграфическом оборудовании, промышленных швейных линиях и на других производствах.

Конструкция

Устройство современных сервоприводов достаточно просто и при этом эффективно, так как создает условия для точного регулирования их работы. Конструкция включает:

  • привод. Это может быть электродвигатель с редуктором или пневмоцилиндр. Редуктор необходим для уменьшения скорости вращения мотора до тех значений, которые нужны в работе. К выходному валу редуктора прилагается требуемая нагрузка: качалка, вращающийся вал, тянущие или толкающие устройства;
  • датчик обратной связи. В качестве него выступает датчик угла поворота выходного вала (энкодер) или потенциометр. Функция – преобразование угла поворота в электрический сигнал;
  • блок питания и управления (сервоусилитель, преобразователь частоты, инвертор). Данный элемент принимает и анализирует управляющие импульсы, сравнивает их с показателями датчика, отвечает за пуск и остановку двигателя. В состав блока управления может входить конвертер (датчик управляющего сигнала или воздействия).

Принцип работы

Суть действия устройств сводится к использованию импульсного сигнала, который изменяется по трем параметрам – частоте повторения, минимальной и максимальной продолжительности. Именно длительность импульса задает угол поворота мотора.

Сигналы, поступающие на сервопривод, имеют стандартную частоту, а их продолжительность может равняться от 0,8 до 2,2 мс (в зависимости от модели). Параллельно с получением управляющего импульса начинается работа генератора опорного импульса, который связан с датчиком обратной связи. Тот, в свою очередь, механически соединен с выходным валом и отвечает за изменение его положения.

Электронный блок анализирует импульсы по длительности и на основе полученных величин определяет разницу между заданным извне положением вала и реальным (измеренным датчиком). С учетом этого происходит корректировка работы путем подачи напряжения на питание двигателя.

Виды

Сервоприводы вращательного движения. Чаще всего используются в полиграфических, упаковочных станках, авиамоделировании. Делятся на:

  • синхронные – дают возможность точно задавать степень поворота (с точностью до угловых минут), скорость, ускорение. Достигают максимальных оборотов быстрее асинхронных, дороже их в несколько раз;
  • асинхронные — позволяют точно выполнять команды скорости даже на малых оборотах.

Сервоприводы линейного движения. Данные устройства могут развивать значительную скорость (до 70 м/с²), что делает их востребованными в автоматах монтажа электронных деталей на печатную плату. Делятся на плоские и круглые модели.

Также сервоприводы классифицируются по принципу действия на электромеханические, где движение обеспечивают мотор и редуктор, и электрогидромеханические, где действует система ил поршня и цилиндра. Вторая группа устройств дает более высокие показатели быстродействия.

Сервопривод или шаговый двигатель?

Сервопривод – это мотор с дополнительным датчиком контроля, обеспечивающим обратную связь. При работе двигатель удерживается в заданном положении, а все отклонения вала фиксируются и исправляются уже на следующем шаге. Шаговый двигатель – это электромотор, функционирующий на основе тандема плата-драйвер и обеспечивающий точность хода только на малых оборотах. Каждый вид оборудования используется в своих целях, и между собой эти виды двигателей не конкурируют.

Сравнительный анализ

Факторы выбора между сервоприводом и шаговым двигателем, их преимущества и недостатки наглядно представлены в таблице.

Параметр

Шаговые двигатели

Сервоприводы

Момент

Сильно падает с повышением скорости. Максимален при остановленном вале

Высокий на всех скоростях. Максимален на высоких оборотах

Ускорение

Инертны, номинальная скорость не превышает 1000 об/мин. При слишком быстром разгоне пропускают шаги, вал может остановиться

Высокое, способны на короткое время увеличить ток обмоток в 3-4 раза от номинального значения. Скорость номинального вращения – до 10000 об/мин и выше

Мощность

Низкая, не превышает 1 кВт

Высокая, может достигать 15 кВт

Удельная мощность

Низкая. Очень малый КПД – потребляет много тока, основная часть энергии расходуется в виде тепла

Высокая. Потребляемый ток пропорционален нагрузке

Обратная связь по положению

Отсутствует. Не выполненный шаг будет не замечен в системе ЧПУ. Однако, при грамотном проектировании станка обратная связь не нужна

Есть. Положение вала корректируется во время работы, при сбое обратной связи (например, заклинило вал)  система укажет на ошибку

Плавность хода

Низкая. Возможна только при применении дополнительных методов управления

Большая

Точность позиционирования

Не более 5% от величины шага

Определяется энкодером

Безопасность

Высокая. Если вал заклинило, двигатель просто пропустит шаги

Низкая. При заклинивании вала устройство может провернуть передачу, что приведет к поломке. Может сгореть в случае некорректной настройки поведения драйвера при перегрузке

Сложность настройки

Просты в настройке, работают по принципу включения и выключения

Множество настраиваемых параметров, что требует предельной внимательности и опыта в использовании

Резонанс ротора

 

Сильный, что приводит к пропуску шагов, ухудшению качества обработки и др., особенно в крупных станках

Отсутствует, что делает их моторами выбора в крупном оборудовании (рабочее поле более 1,2 м2, масса свыше 50 кг)

 

Звук

Сильный гул

Незначительный

Нагрев

Сильный, что может потребовать дополнительного охлаждения радиатором и вентилятором

Слабый

Стоимость

Значительно дешевле сервоприводов, но только до размера фланца 110 мм

Дороже шаговых моторов, но при размере фланца 110 мм и выше цены схожи

Выводы

Сервопривод и шаговый двигатель выбираются под каждую задачу, причем в одном станке или устройстве могут быть использованы одновременно оба вида.

Сервоприводы востребованы в тех механизмах, где необходимо точное позиционирование узлов для их синхронизации с другими деталями. В частности, сервоприводы широко применяются в обрабатывающих станках. Шаговые двигатели прочно заняли свою нишу в станках с ЧПУ (3D-принтеры, гравировальные машины, оборудование для металлообработки и лазерной резки) и в робототехнике.