Слово «servo» походить від грецького слова «раб». «Серводвигун» можна розуміти як двигун, який абсолютно підкоряється команді керуючого сигналу: до надсилання керуючого сигналу ротор нерухомий; Коли надходить керуючий сигнал, ротор негайно обертається; При втраті керуючого сигналу ротор може негайно зупинитися.
Серводвигун — це мікродвигун, який використовується як виконавчий механізм у пристрої автоматичного керування, функцією якого є перетворення електричних сигналів у кутове переміщення або кутову швидкість обертового вала. Серводвигун, також відомий як виконавчий двигун, використовується як виконавчий елемент у системі автоматичного керування для перетворення отриманого електричного сигналу в кутове переміщення або вихідну кутову швидкість на валу двигуна.
Класифікація серводвигунів
Серводвигун поділяється на дві категорії: сервоприводи змінного струму та сервоприводи постійного струму.
Основна структура серводвигуна змінного струму подібна до асинхронного двигуна змінного струму (асинхронного двигуна). Дві обмотки збудження Wf і обмотки керування WcoWf зі зсувом фаз на 90 градусів на статорі підключені до постійної змінної напруги. Мета керування роботою двигуна досягається за допомогою зміни напруги змінного струму або фази, що подається на Wc. Серводвигун змінного струму має характеристики стабільної роботи, хорошої керованості, швидкого відгуку, високої чутливості та суворого індексу нелінійності механічних характеристик і характеристик регулювання (менше 10 відсотків ~ 15 відсотків і менше 15 відсотків ~ 25 відсотків відповідно).
Переваги та недоліки серводвигуна постійного струму
Переваги: точне регулювання швидкості, швидкісні характеристики крутного моменту дуже жорсткі, простий принцип керування, простий у використанні, низька ціна.
Недоліки: реверс щіток, обмеження швидкості, додатковий опір, частинки зносу (не підходить для безпилового вибухонебезпечного середовища).
Основна структура серводвигуна постійного струму подібна до загального двигуна постійного струму. Швидкість двигуна n=E/K1j=(Ua-iara)/K1j, де E — зворотна електрорушійна сила якоря, K — константа, j — магнітний потік на полюс, Ua та Ia — напруга якоря та струм якоря, Ra — опір якоря, зміна Ua або зміна φ, може контролювати швидкість серводвигуна постійного струму, але зазвичай використовують метод керування напругою якоря. У серводвигуні постійного струму з постійним магнітом обмотка поля замінена постійним магнітом, а магнітний потік φ постійний. Серводвигун постійного струму має хороші характеристики лінійного регулювання та швидкий відгук.
Переваги та недоліки серводвигуна змінного струму
Переваги: Хороші характеристики регулювання швидкості, плавне керування можна досягти у всій зоні швидкості, майже відсутність коливань, більш ніж 90 відсотків високого ККД, менше нагрівання, висока швидкість керування, високоточне керування положенням (залежно від точності кодера), номінальна робота площі, може досягти постійного крутного моменту, низької інерції, низького рівня шуму, відсутності зносу щіток, не вимагає обслуговування (підходить для безпилового, вибухонебезпечного середовища).
Недоліки: управління є більш складним, і параметри драйвера потрібно налаштувати на місці, щоб визначити параметри PID, що вимагає додаткової проводки.
Серводвигуни постійного струму поділяються на безщіточні та безщіточні.
Щітковий двигун має переваги низької вартості, простої конструкції, великого пускового моменту, широкого діапазону регулювання швидкості, легкого керування, необхідності обслуговування, але зручного обслуговування (вугільна щітка), електромагнітних перешкод, вимог до використання навколишнього середовища, зазвичай використовується для чутливих до витрат промислових і цивільних заходів.
Безщітковий двигун малого об'єму, легка вага, велика вихідна характеристика, висока швидкість, мала інерція, крутний момент, стабільне обертання, плавне, складне керування, інтелектуальний, гнучкий режим електронної комутації, комутація прямокутної або синусоїдальної хвилі, двигун не потребує обслуговування, висока ефективність та енергозбереження, електромагнітне випромінювання, низьке підвищення температури, тривалий термін служби, підходить для всіх видів середовища.
Серводвигун змінного струму також є безщітковим двигуном, розділеним на синхронний і асинхронний двигун, синхронний двигун, як правило, використовується для управління рухом в даний час, його діапазон потужності великий, потужність може бути дуже великою, велика інерція, найвища швидкість низька, швидкість рівномірно зменшується зі збільшенням потужності, підходить для низької швидкості та плавної роботи
Ротор всередині серводвигуна є постійним магнітом, і драйвер керує трифазною електрикою U/V/W для формування електромагнітного поля. Під дією цього магнітного поля обертається ротор. У той же час кодер двигуна надсилає сигнали зворотного зв’язку драйверу та порівнює значення зворотного зв’язку з цільовим значенням, щоб відрегулювати кут обертання ротора.
Q
Яка різниця в продуктивності між серводвигуном змінного струму та безщітковим серводвигуном постійного струму?
A
Ефективність серводвигуна змінного струму краща, оскільки сервопривод змінного струму має синусоїдальне керування, пульсації крутного моменту невеликі; А безщітковий сервопривод постійного струму — це керування трапецієподібною хвилею. Але безщіткове керування сервоприводом постійного струму простіше та дешевше.
Швидкий розвиток технології сервоприводів змінного струму з постійними магнітами змушує сервосистеми постійного струму стикатися з кризою ліквідації [/p][p= 30,2, ліворуч] З 1980-х років, із розвитком інтегральних схем, силової електроніки технологія та технологія приводу змінної швидкості змінного струму, технологія сервоприводу змінного струму з постійним магнітом досягла видатного розвитку. Відомі виробники електротехніки представили нові серії серводвигунів змінного струму та сервоприводів. Сервосистема змінного струму стала основним напрямком розвитку сучасної високопродуктивної сервосистеми, що змушує сервосистему постійного струму стикатися з кризою ліквідації.
У порівнянні з серводвигуном постійного струму серводвигун змінного струму з постійним магнітом має наступні переваги:
(1) Відсутність щітки та комутатора, більш надійна робота, не вимагає обслуговування.
(2) Нагрівання обмотки статора значно зменшується.
(3) Інерція мала, і система має хорошу швидку реакцію.
(4) Робочий стан високої швидкості та великого крутного моменту хороший.
(5) Невеликий об'єм і легка вага при однаковій потужності.
Принцип роботи сервомотора
Структура статора серводвигуна змінного струму в основному схожа на структуру асинхронного двигуна з розділеною фазою конденсатора. Статор оснащений двома обмотками з різницею позицій 90 градусів, одна є обмоткою збудження Rf, яка завжди підключена до напруги змінного струму Uf; Інша - керуюча обмотка L, підключена до сигналу керування напругою Uc. Тому серводвигун змінного струму також називають двома серводвигунами.
Ротор серводвигуна змінного струму зазвичай виготовляється з короткозамкненим ротором, але для того, щоб серводвигун мав широкий діапазон швидкості, лінійні механічні характеристики, відсутність явища «обертання» та швидку реакцію, порівняно зі звичайним двигуном, він повинен мати великий опір ротора і малий момент інерції цих двох характеристик. В даний час існує два типи конструкцій ротора, які широко використовуються: один - ротор з короткозамкненою кліткою з високоомною направляючою планкою, виготовленою з провідного матеріалу з високим питомим опором. З метою зменшення моменту інерції ротора ротор роблять витонченим; Інший ротор із порожнистої чашки виготовлений із алюмінієвого сплаву, стінка чашки лише 0.2-0.3 мм, ротор із порожнистою чашкою має невеликий момент інерції, швидку реакцію та плавну роботу, тому він широко поширений використовується.
Коли серводвигун змінного струму не має керуючої напруги, статор має лише пульсуюче магнітне поле, створене обмоткою збудження, а ротор нерухомий. Коли є керуюча напруга, статор буде генерувати обертове магнітне поле, ротор уздовж напрямку обертання обертового магнітного поля, у разі постійного навантаження швидкість двигуна з величиною керуючої напруги змінюється, коли фаза керуючої напруги протилежна, серводвигун реверсує.
Хоча принцип роботи серводвигуна змінного струму схожий на принцип роботи конденсаторного однофазного асинхронного двигуна, опір ротора першого набагато більший, ніж опір останнього. Таким чином, у порівнянні з конденсатором, що працює в асинхронному двигуні, серводвигун має дві важливі характеристики:
1. Великий пусковий момент: оскільки опір ротора великий, характеристики крутного моменту (механічні характеристики) ближчі до лінійних, і він має великий пусковий момент. Тому, коли статор має керуючу напругу, ротор обертається негайно, тобто має характеристики швидкого запуску та високої чутливості.
2. Широкий робочий діапазон: плавна робота, низький рівень шуму. [/p][p=30, 2, ліворуч]3, відсутність обертання: серводвигун працює, доки втрачається керуюча напруга, двигун негайно припинить працювати.
Спеціальний мікродвигун прецизійного приводу
«Мікроспеціальний двигун Precision Drive» може швидко та правильно виконувати інструкції в системі, які часто змінюються, керувати сервомеханізмом для виконання очікуваної роботи інструкцій, більшість з яких можуть відповідати таким вимогам:
1. Може часто запускатися, зупинятися, гальмувати, реверсувати та працювати на низькій швидкості, має високу механічну міцність, високий рівень термостійкості та високий рівень ізоляції.
2. Хороша здатність швидкого відгуку, великий крутний момент, малий момент інерції, мала постійна часу.
3. З приводом і контролером (наприклад, серводвигун, кроковий двигун), хороша продуктивність керування.
4. Висока надійність і точність.
Категорії мікромоторів прецизійного приводу та їх структура та продуктивність порівнюються наступним чином:
Серводвигун змінного струму
(1) Двофазний серводвигун змінного струму з короткозамкненим ротором (тонкий короткозамкнений ротор, приблизно лінійні механічні характеристики, малий об’єм і струм збудження, низька потужність сервоприводу, робота на низькій швидкості не плавна).
(2) Двофазний серводвигун змінного струму з немагнітним чашковим ротором (порожнистий чашковий ротор, приблизно лінійні механічні характеристики, великий об’єм і струм збудження, низька потужність сервоприводу, плавний хід на низькій швидкості).
(3) Феромагнітний чашково-роторний двофазний серводвигун змінного струму (феромагнітний чашково-роторний ротор із приблизно лінійними механічними характеристиками, великим моментом інерції ротора, ефектом малої канавки зуба та стабільною роботою).
(4) синхронний серводвигун змінного струму з постійним магнітом (складається з синхронного двигуна з постійним магнітом, машини для вимірювання швидкості та коаксіального блоку елемента визначення положення, статор є 3- або 2-фазним, ротор з магнітного матеріалу, повинен бути оснащений драйвером; широкий діапазон швидкості, механічні характеристики за зоною постійного крутного моменту та зоною постійної потужності, безперервне підключення, швидка відповідна продуктивність хороша, велика вихідна потужність, невеликі коливання крутного моменту; привід прямокутної хвилі та привід синусоїдальної хвилі в двох напрямках, хороша продуктивність керування, для продуктів електромеханічної інтеграції).
(5) асинхронний трифазний серводвигун змінного струму (асинхронний двигун з ротором і кліткою подібний, повинен бути оснащений драйвером, векторним керуванням, розширити діапазон регулювання швидкості постійної потужності, в основному використовується для системи керування швидкістю шпинделя верстата).
Серводвигун постійного струму
(1) Серводвигун постійного струму з друкованою обмоткою (ротор у формі диска, статор у формі диска, аксіально з’єднаний із циліндричної магнітної сталі, малий момент інерції ротора, відсутність щілинного ефекту, відсутність ефекту насичення, великий вихідний момент).
(2) дротяний серводвигун постійного струму (дископодібний ротор і статор аксіально з’єднані циліндричною магнітною сталлю, момент інерції ротора невеликий, ефективність керування краща, ніж інші серводвигуни постійного струму, висока ефективність, великий вихідний крутний момент).
(3) Двигун постійного струму з якорем чашкового типу (порожнистий чашковий ротор, мала інерція ротора, придатний для сервосистеми з поступовим рухом).
(4) безщітковий серводвигун постійного струму (статор — багатофазна обмотка, ротор — постійний магніт, датчик положення ротора, відсутність іскрових перешкод, довгий термін служби, низький рівень шуму).
Моментний двигун
(1) Моментний двигун постійного струму (плоска структура, кількість полюсів, кількість пазів, кількість реверсивних пластин, кількість послідовних провідників; великий вихідний момент, безперервна робота на низькій швидкості або заблокованому обертанні, хороші механічні та регуляторні характеристики, малий електромеханічний час постійний).
(2) безщітковий двигун постійного струму (подібна до безщіткового серводвигуна постійного струму, але плоска, кількість полюсів і пазів, кількість послідовних провідників; великий вихідний момент, хороші механічні та регулювальні характеристики, довгий термін служби, відсутність іскри, низький рівень шуму).
(3) Моментний двигун змінного струму короткозамкового типу (ротор короткозамкнутого типу, плоска структура, більше полюсних пазів, великий пусковий момент, мала електромеханічна постійна часу, може працювати протягом тривалого часу, м’які механічні характеристики).
(4) Моментний двигун змінного струму з твердим ротором (твердий ротор із феромагнітного матеріалу, плоска структура, кількість полюсів і пазів, може бути заблокований протягом тривалого часу, плавна робота, м’які механічні характеристики).
Кроковий двигун
(1) Реакційний кроковий двигун (ротор статора виготовлено з листової кремнієвої сталі, серцевина ротора не має обмотки, статор має обмотку керування; малий кут кроку, висока початкова та робоча частота, низька точність кута кроку, відсутність моменту самоблокування).
(2) кроковий двигун з постійним магнітом (ротор з постійним магнітом, радіальна полярність намагніченості; кут кроку великий, початкова та робоча частота низька, крутний момент зберігається, енергоспоживання менше, ніж формула реакції, але позитивні та негативні повинен бути забезпечений імпульсний струм.
(3) гібридний кроковий двигун (ротор з постійним магнітом, осьова полярність намагніченості; висока точність кута кроку, збереження крутного моменту, малий вхідний струм, переваги типу реакції та постійного магніту).
Імпульсний реактивний двигун (фіксований ротор виготовлений із листової кремнієвої сталі, опуклого полюсного типу, а число полюсів, близьке до крокової відстані, структура крокового двигуна подібна, з датчиком положення ротора, напрямок крутного моменту не залежить від напрямку струму, діапазон швидкості невеликий, гучний шум, механічні характеристики за областю постійного крутного моменту, області постійної потужності, області характеристики серії з трьох частин).
Лінійний двигун (проста конструкція, направляючу рейку можна використовувати як вторинний провідник, підходить для лінійного зворотно-поступального руху; високошвидкісна продуктивність сервоприводу, високий коефіцієнт потужності та ефективність, відмінні характеристики постійної швидкості).