Современное высокотехнологичное оборудование предполагает использование элементов конструкции, позволяющих совершать постоянные динамические движения с постоянным контролем угла поворота вала, а также предоставлять возможность управления скоростями в электромеханических приборах. Решить весь комплекс подобного рода задач можно с помощью серводвигателей. Они представляют собой электротехническую систему привода, позволяющую эффективно осуществлять управление скоростями в требуемом диапазоне. Применение такого рода устройств дает возможность реализовать периодическую повторяемость процессов с высокой частотой. Серводвигатели являются инновационным вариантом электропривода, поэтому они получили широкое распространение в машиностроении и других отраслях промышленности. Подобные устройства сочетают в себе высокую эффективность в работе и низкий уровень шума.
Устройство серводвигателей
Конструкция серводвигателя предполагает наличие следующих элементов:
- Ротора;
- Статора;
- Комплектующих, предназначенных для коммутации (штекера или клеммные коробки);
- Датчика обратных связей (энкодера);
- Узла управления, контроля и коррекции;
- Система включения и выключения;
- Корпуса (в двигателях корпусного типа)
Главное конструктивное различие рассматриваемых устройств от обычных двигателей постоянного и переменного тока, комплектующихся щетками или без таковых, является возможность управления им путем изменения скорости вращения ротора, момента и положения.
Основным отличиемдвигателей «серво» от изделий шагового типа является наличие обратной связи.
Включаться и выключаться двигатель может с помощью системы механического (резисторы, потенциометры и т.д.) или электронного (микропроцессор) типа. В ее основе лежит принцип сравнения данных датчика обратной связи и заданного значения с подаваемым через реле на устройство напряжением. В более высокотехнологичных схемах также учитывается инерция ротора, вследствие чего обеспечивается его плавность разгона и торможения.
Концептуально все серводвигатели можно отнести к исполнительным системам высокой мощности для систем, станков и устройств точного позиционирования. Основной задачей серводвигателя является выставления исполнительного механизма точно в нужную точку пространства.
Принцип работы
программа управления серводвигателями Mach3
Основным аспектом функционирования серводвигателей является условия его работы в рамках системы G-кодов, то есть команд управления, содержащихся в специальной программе. Если рассматривать данный вопрос на примере ЧПУ, то сервомоторы функционируют во взаимодействии с преобразователями, которые изменяют величину напряжения на якоре или на возбуждающей обмотке двигателя, исходя из уровня входного напряжения. Обычно управление всей системой производится с помощью стойки ЧПУ. При получении команды из стойки пройти определенное расстояние вдоль координатной оси Х, в субблоке цифрового аналогового преобразователя стойки создается напряжение некоторой величины, которое передается для питания привода указанной координаты. В сервомоторе начинается вращение ходового винта, с которым связан энкодер и исполнительный орган станка. В первом происходит выработка импульсов, подсчитываемых стойкой. Программа предусматривает, что некоторое количество сигналов с энкодера соответствует определенному расстоянию прохождения исполняющего механизма. При получении нужного количества импульсов аналоговый преобразователь выдает нулевое значение выходного напряжения, и сервомотор останавливается. В случае смещения под внешним воздействием рабочих элементов станка на энкодере формируется импульс, обсчитываемый стойкой, на привод подается напряжение рассогласования, и якорь двигателя поворачивается до получения нулевого значения рассогласования. В результате обеспечивается точное удержание рабочего элемента станка в заданном положении.
Разновидности серводвигателей
Как и другие устройства, серводвигатели представлены в нескольких исполнениях. Такого рода изделия бывают:
- Коллекторными;
- Безколлекторными.
Устройства могут запитываться и постоянным, и переменным током. Сервомоторы переменного напряжения являются сравнительно дешевыми. Изделия также представлены на рынке в асинхронном и синхронном исполнении. В синхронном варианте в процессе работы изделия перемещение магнитного поля совпадает с вращением ротора, поэтому их направление относительно статора совпадает. Управление асинхронными устройствами производится за счет перемены параметров питающего тока (изменение его частоты с помощью инвертора). Для серводвигателей, которые имеют привод с помощью постоянного тока, предусмотрена маркировка аббревиатурой DC. Такого типа изделия в большинстве случаев применяются в оборудовании, предназначенном для беспрерывной работы, поскольку их отличает большая стабильность при эксплуатации.
Технические характеристики серводвигателей
Эксплуатационные характеристики синхронных и асинхронных двигателей несколько отличаются.
| Синхронные сервомоторы | Асинхронные сервомоторы |
| Обладают высокой рабочей динамикой (скорость перехода из статического в динамическое состояние). | Имеют среднюю и высокую динамику в работе. |
| В период больших моментов инерционных нагрузок умеренно хорошо регулируются. | При пиковых моментах нагрузок инерционного типа хорошо настраиваются. |
| Способны выдерживать высокие перегрузки (до 6 Мн в зависимости от типа агрегата). | Способность к перегрузкам приближается к трехкратной величине. |
| Имеют высокую границу допустимых тепловых нагрузок при работе на протяжении длительного времени во всем диапазоне частоты вращения вала. | Двигатели способны выдерживать высокие тепловые нагрузки, уровень которых зависит от скорости вращения вала. |
| Охлаждение изделия происходит по конвекционной технологии, а также с использованием специально предусмотренных теплоотводов или же путем теплового излучения. | Охлаждение частей механизма осуществляется с помощью крыльчатки, размещенной на валу, или принудительным способом. |
| Высококачественное регулирование частоты вращения вала. | Частота вращения вала регулируется с высоким уровнем качества. |
| Возможна длительная эксплуатация с пусковым моментом на невысоких оборотах. | Высокие тепловые нагрузки делают невозможной длительную эксплуатацию на низких оборотах без обеспечения принудительного охлаждения. |
| Преобразователь (в зависимости от характеристик) позволяет осуществлять регулирование частоты вращения в диапазоне о 1 до 5000 и даже более. | Частота вращения регулируется преобразователем с большой эффективностью в диапазоне от 1 до 5000 и больше. |
| На низких частотах вращения наблюдаются пульсации вращающего момента. | В процессе работы пульсации вращающего момента практически отсутствуют. |
Сферы использования серводвигателей
Благодаря высокой динамике, отличной точности позиционирования и устойчивости к перегрузкам серводвигателей их используют в различных сферах деятельности. В своем большинстве такого рода изделия применяются в металлургической промышленности, при изготовлении намоточных устройств, экструдеров, механизмов, предназначенных для литья под давлением изделий из пластических масс, оборудования для печати и упаковки, в пищевой промышленности и в процессе производства напитков. Также устройства являются неотъемлемой частью станков с ЧПУ, прессовального и штамповочного оборудования, линий по производству автомобилей и т.д. Основным направлением применения серводвигателей являются приводы подачи и позиционные станочные системы с цифровым программным управлением.
Подключение сервоприводов
При подключении сервомотора в первую очередь следует убедиться в правильности коммутации питающих кабелей. Сервомоторы имеют две группы проводов. Силовые (питающие) и провода от энкодера. Питающих провода в пучке 3 штуки, они подключаются к драйверу. Провода от энкодера подключаются к COM — порту драйвера. Тип питания и его величина зависит от разновидности изделия.
Маленькие сервомашинки имеют в большинстве 3 провода. 1 провод общий, 1 провод плюсовой и 3 провод сигнальный, от датчика оборотов. Такая питающая схема распространенна для низкооборотистых маломощных сервомашинок, в конструкции которых есть редуктор.
Рекомендуется применять экранированные витые проводники для передачи управляющих сигналов. Для исключения возможности возникновения наводок электромагнитных полей не нужно размещать рядом кабеля питания и провода управления. Они должны располагаться на расстоянии не менее тридцати сантиметров.
Преимущества и недостатки серводвигателей
Серводвигатели обладают бесшумностью и плавностью работы. Это надежные и безотказные изделия, благодаря чему их широко используют при создании ответственных исполнительных устройств. Высокая скорость и точность перемещения могут обеспечиваются также и на невысоких скоростях. Такой двигатель может быть подобран пользователем в зависимости от предстоящих разрешаемых задач. К недостаткам следует отнести высокую стоимость модуля, а также сложность его настройки. Производство серводвигателей требует наличия высокотехнологичного промышленного оборудования.
Таким образом, потребители могут приобрести серводвигатели, которые наиболее всего соответствуют условиям предстоящей эксплуатации, создав исполнительное устройство, отличающееся высокой надежностью и функциональностью.
