Co je servomechanismus? Není to nic jiného než obyčejný stejnosměrný motor s vestavěnými budiči serva a převodovkami. Základ funkce se opírá o obvod zpětné vazby, do nějž se zavádí výstupní signál, odpovídající údaji o poloze, rychlosti, zrychlení nebo posunutí. Data se transformují korekčním článkem a zesilovačem do akčního členu – válce nebo elektrického motoru.
Z tohoto článku se dozvíte:
Servomechanismy se používají v téměř každém odvětví lehkého a těžkého průmyslu, elektronice a elektrotechnice, modelářství a všude tam, kde je potřebné použití precizního interpolačního pohybu po zadané trajektorii mezi počátečním a koncovým bodem.
Co je servomechanismus?
Servomechanismům se běžně říká serva a tvoří základní řídicí element v automatických řídicích obvodech. Jsou to elektronické prvky, které slouží k převodu řídicích signálů na odpovídající pohyb akčních členů a přijímačů. Mohou to být různé druhy klap, brzd, jeřábů a další prvky hydraulických a pneumatických obvodů ve strojích, zařízeních nebo průmyslových závodech.
Konstrukce servomechanismu je závislá na jeho specifiku, parametrech a určení, nicméně obecně lze říci, že se skládá z:
- stejnosměrného motoru,
- potenciometru,
- převodovky,
- elektronického řídicího obvodu, který polohuje hřídel motoru,
- krytu.
DFROBOT SER0001
Prvkem, který zjišťuje polohu hřídele, je implementovaný otočný potenciometr. Příkladem může být servomechanismus DFROBOT SER0001.
Jak servomechanismus funguje?
Malé analogové servomechanismy jsou vybaveny generátorem pracujícím s kmitočtem 50 Hz, což vyžaduje vzorkování signálu co 20 ms. Obvykle se neutrální poloha hřídele nastavuje impulsem šířky 1,5 ms a jeho natočení na kteroukoliv stranu se vynutí rozdílem vzorkovaného signálu vůči neutrální poloze – obvykle osciluje rozsah impulsu v mezích 1-2 ms.
Jak funguje číslicový servomechanismus? Novější číslicové servomechanismy zajišťují větší vzorkovací kmitočet, což zvyšuje přesnost polohování hřídele v rozsahu malých vychýlení a také zrychluje jeho pohyb. Kromě toho je důležité, že číslicové servomechanismy mají až třikrát větší přídržnou sílu ve srovnání s analogovými servomechanismy. Příkladem číslicového servomechanismu je model POWER HD MINI DIGITAL SERVO HD-1810MG.
Za pozornost stojí rovněž druh algoritmu implementovaného v servomechanismu. V současnosti se stále nejčastěji používají algoritmy PID a PIV. Pro většinu aplikací postačují algoritmy PID – zvláště pokud výkony servomechanismu nemusejí být příliš vysoké. Regulátory PIV se osvědčují pro složitější a náročnější aplikace založené na složeném pohybu pohonu.
POWER HD MINI DIGITAL SERVO HD-1810MG POLOLU
Jaké jsou parametry servomechanismů?
Klíčovými parametry servomechanismů jsou:
- moment a rychlost otáčení,
- doba provozu při přetížení,
- poměr krouticího momentu a setrvačnosti,
- rozlišení,
- kmitočtová odezva,
- vnější rozměry,
- interfejsy,
- síťová řešení.
Právě tyto parametry zodpovídají za to, jak servomechanismus funguje.
Moment a rychlost otáčení
Je to jeden z důležitějších parametrů servomechanismů. Například model SER0039 DFROBOT poskytuje maximální krouticí moment na úrovni 1,8 kg/cm a rychlost je 0,11 s/60°.
Obvykle se krouticí moment udává samostatně pro stálý provoz a periodické zatížení. Krouticí moment pro stálý provoz je shodný s hodnotou, kterou motor generuje bez přerušení a rizika přehřátí, přetížení a poškození. Krouticí moment pro periodický provoz je maximální hodnotou momentu, jaký servomechanismus může vygenerovat v kratší době a obvykle se týká doby brzdění nebo zrychlování mechanismu nebo jeho reakce na chvilkové rušení.
Při výběru servomechanismu je třeba věnovat pozornost hodnotě RMS (efektivní hodnota) krouticího momentu – musí odpovídat parametrům při stálém provozu motoru. Maximální cyklus práce servomechanismu musí být pak přizpůsoben jeho možnosti odvádět teplo z obvodu.
Neměli bychom zapomínat rovněž na rychlost otáčení, která definuje maximální a průměrovaný počet otáček provedených za jednotku času. Právě moment, jak i rychlost otáčení jsou složkami výkonu řídicího prvku.
Poměr setrvačnosti
Dalším důležitým parametrem popisujícím práci servomechanismů je poměr setrvačnosti rotoru motoru a setrvačnosti zátěže. Servomechanismus je zařízení, jehož funkce se opírá o smyčku zpětné vazby a řídicí algoritmus reguluje velikost proudu, který motor odebírá. Velikost proudu počítá algoritmus na základě závislosti mezi rozdílem měřené a zadané hodnoty pro aktuální polohu hřídele a momentu a rychlosti otáčení. Poměr setrvačnosti motoru a zátěže má klíčový vliv na přesnost řízení rychlosti – je-li příliš vysoký, začne motor oscilovat, což znamená, že je řízen nesprávně. Oscilace v podobě chvění a vibrací mohou vést k poškození mechanismů a konstrukčních prvků zařízení.
Čím je poměr setrvačnosti menší, tím je riziko oscilací menší a přesnost řízení servomechanismu větší. Na tento poměr má vliv také výběr vhodného způsobu přenosu pohonu, který umožní zajistit patřičně nízký poměr setrvačnosti rotoru a zátěže.
Rozlišení
Rozlišení enkodéru, který je součástí smyčky zpětné vazby servomechanismu, zodpovídá na přesnost řízení hřídele zařízení. Standardní enkodéry zajišťují rozlišení v řádu 20 bitů nebo i větší. Čím větší je rozlišení enkodéru, který je součástí řízení servomechanismu, tím rychleji zjistí servomechanismus pohyb a provede korekci, díky čemu vzrůstá přesnost řízení polohy hřídele motorku.
Frekvenční pásmo a odezva
Dalším parametrem popisujícím fungování servomechanismu je frekvenční odezva, neboli schopnost obvodu monitorovat a přizpůsobovat se korekcím signálu. Pásmo servomechanismu je sinusovým signálem v řídicí smyčce – čím je větší, tím zajišťuje servomechanismus větší přesnost řízení a vyšší tempo přizpůsobování se změnám vstupního signálu. V současnosti obsluhují moderní servomechanismy pásma přes 1 kHz.
