Panel klienta
W Twoim koszyku
Zarejestruj się

Co to jest serwomechanizm?

2020-11-25

Co to jest serwomechanizm? To nic innego jak zwykły silnik DC z wbudowanymi sterownikami serwa i przekładniami. Podstawa jego działania opiera się na układzie sprzężenia zwrotnego, w którym wprowadzany jest sygnał wyjściowy będący daną położenia, prędkości, przyśpieszenia czy przesunięcia. Dane transformowane są przez człon korekcyjny i wzmacniacz do członu wykonawczego – siłownika lub silnika elektrycznego.

Z tego artykułu dowiesz się:

Serwomechanizmy wykorzystywane są w niemal każdej gałęzi lekkiego i ciężkiego przemysłu, elektronice i elektryce, modelarstwie i wszędzie tam, gdzie konieczne jest zastosowanie precyzyjnego ruchu interpolacyjnego po zadanej trajektorii między punktem początkowym a końcowym.

Co to jest serwomechanizm?

Serwomechanizmy nazywane są potocznie serwami i stanowią podstawowy element sterujący w automatycznych układach sterowania. To elementy elektroniczne, które służą do zamiany sygnałów sterujących na odpowiedni ruch elementów wykonawczych i odbiorników. Mogą być to różnego rodzaju klapy, hamulce, dźwignice oraz inne elementy układów hydraulicznych i pneumatycznych w maszynach, urządzeniach czy w zakładach przemysłowych.

Budowa serwomechanizmu jest uzależniona od jego specyfiki, parametrów i przeznaczenia, niemniej ogólnie można przyjąć, że składa się on z:

  • silnika prądu stałego,
  • potencjometru,
  • przekładni,
  • elektronicznego układu sterującego pozycjonującego wał silnika,
  • obudowy.

Serwomechanizm DFROBOT SER0001

Elementem, który określa wypozycjonowanie wału, jest zaimplementowany potencjometr obrotowy. Przykładem może być serwomechanizm DFROBOT SER0001.

Jak działa serwomechanizm?

Małe serwomechanizmy analogowe wyposażone są w generator pracujący z częstotliwością 50 Hz, co wymusza próbkowanie sygnału co 20 ms. Zwykle neutralna pozycja wału ustalana jest impulsem o szerokości 1,5 ms, a jego obrót w którąkolwiek stronę wymuszony jest przez różnicę próbkowanego sygnału względem położenia neutralnego – zwykle zakres impulsu oscyluje w granicach 1-2 ms.

Jak działa serwomechanizm cyfrowy? Nowsze serwomechanizmy cyfrowe zapewniają większe częstotliwości próbkowania, co zwiększa precyzję pozycjonowania wału w zakresie małych wychyleń, a także przyśpiesza jego ruch. Poza tym istotne jest to, że serwomechanizmy cyfrowe mają nawet trzykrotnie większą siłę trzymania względem serwomechanizmów analogowych. Przykładem serwomechanizmu cyfrowego jest model POWER HD MINI DIGITAL SERVO HD-1810MG.

Warto również zwrócić uwagę na rodzaj algorytmu zaimplementowanego w serwomechanizmie. Obecnie wciąż najpowszechniej wykorzystywanymi są algorytmy PID i PIV. Do większości zastosowań wystarczą algorytmy PID – zwłaszcza gdy osiągi serwomechanizmu nie muszą być zbyt wysokie. Regulatory PIV sprawdzą się do bardziej złożonych i wymagających aplikacji opartych na złożonym ruchu napędu.

POLOLU-1047

Serwomechanizm POWER HD MINI DIGITAL SERVO HD-1810MG POLOLU

Jakie są parametry serwomechanizmów?

Kluczowymi parametrami serwomechanizmów są:

  • moment i prędkość obrotowa,
  • czas pracy przy przeciążeniu,
  • stosunek momentu obrotowego do bezwładności,
  • rozdzielczość,
  • odpowiedź częstotliwościowa,
  • gabaryty,
  • interfejsy,
  • rozwiązania sieciowe.

To właśnie te parametry odpowiadają za to, jak działa serwomechanizm

Moment i prędkość obrotowa

Jest to jeden z istotniejszych parametrów serwomechanizmów. Przykładowo model SER0039 DFROBOT zapewnia maksymalny moment obrotowy na poziomie 1,8 kg/cm i prędkość wynoszącą 0,11 s/60°.

Zazwyczaj moment obrotowy podawany jest odrębnie dla pracy ciągłej i obciążenia okresowego. Moment obrotowy dla pracy ciągłej jest tożsamy z wartością, którą silnik generuje bez przerwy i ryzyka przegrzania, przeciążenia i uszkodzenia. Moment obrotowy dla pracy okresowej jest maksymalną wartością momentu, jaką serwomechanizm może wygenerować w niedługim czasie i zazwyczaj dotyczy on okresu hamowania lub przyśpieszania mechanizmu albo jego odpowiedzi na chwilowe zakłócenie.

Dobierając serwomechanizm, należy zwrócić uwagę na wartość RMS (średnia kwadratowa) momentu obrotowego – musi ona odpowiadać parametrom pracy silnika w czasie ciągłym. Maksymalny cykl pracy serwomechanizmu musi być z kolei dopasowany do jego możliwości odprowadzania ciepła z układu.

Nie należy zapominać również o prędkości obrotowej, która określa maksymalną i uśrednioną liczbę obrotów wykonywanych przez wał serwomechanizmu w jednostce czasu. To właśnie zarówno moment, jak i prędkość obrotowa są składowymi mocy elementu sterującego.

Stosunek bezwładności

Kolejnym ważnym parametrem określającym pracę serwomechanizmów jest stosunek bezwładności wirnika silnika oraz bezwładności obciążenia. Serwomechanizm jest urządzeniem, którego działanie opiera się na pętli sprzężenia zwrotnego, a algorytm sterujący reguluje natężenie prądu pobieranego przez silnik. Poziom natężenia prądu obliczany jest przez algorytm na podstawie zależności między różnicami wartości mierzonej i zadanej dla aktualnej pozycji wału oraz momentu i prędkości obrotowej. Stosunek bezwładności silnika i obciążenia ma kluczowy wpływ na precyzyjne sterowanie prędkością – jeśli jest on zbyt wysoki, to silnik wpadnie w oscylacje, co oznacza, że będzie sterowany w nieprawidłowy sposób. Oscylacje w postaci drgań i wibracji mogą doprowadzić do uszkodzenia mechanizmów i elementów konstrukcyjnych urządzenia.

Im mniejszy stosunek bezwładności, tym mniejsze ryzyko oscylacji i większa precyzja sterowania serwomechanizmem. Na stosunek ten wpływa także wybór odpowiedniego sposobu przekazania napędu, który pozwoli zapewnić odpowiednio niski stosunek bezwładności wirnika do obciążenia.

Rozdzielczość

Rozdzielczość enkodera wchodzącego w skład pętli zwrotnej serwomechanizmu odpowiada za precyzję sterowania wałem urządzenia. Standardowo enkodery zapewniają rozdzielczość rzędu 20 bitów lub większą. Im większa rozdzielczość enkodera wchodzącego w skład układu sterowania serwomechanizmu, tym serwomechanizm szybciej wykryje ruch i dokona korekty, dzięki czemu wzrasta precyzja sterowania położeniem wału silnika.

Pasmo i odpowiedź częstotliwościowa

Kolejnym parametrem określającym działanie serwomechanizmu jest odpowiedź częstotliwościowa, czyli zdolność układu do monitorowania i dostosowywania się do korekt sygnału. Pasmo serwomechanizmu jest sygnałem sinusoidalnym w pętli sterującej – im jest większe, tym serwomechanizm zapewni większą precyzję sterowania i wyższe tempo dostosowywania się do zmian sygnału wejściowego. Obecnie nowoczesne serwomechanizmy obsługują pasma powyżej 1 kHz.

Twoja przeglądarka nie jest już wspierana, pobierz nową wersję.

Chrome Chrome Pobierz
Firefox Firefox Pobierz
Opera Opera Pobierz
Internet explorer Internet Explorer Pobierz