Сервоприводы — ключевые компоненты современных технологий точного движения, обеспечивающие высокую точность позиционирования, скорости и крутящего момента. Применяются в таких отраслях, как робототехника, станкостроение с ЧПУ, автомобилестроение и аэрокосмическая промышленность.
Принцип работы основан на сравнении заданного сигнала с данными от датчиков обратной связи (например, энкодеров, резольверов или потенциометров), что позволяет корректировать движение для достижения требуемых параметров.
Рассмотрим подробнее, что такое сервопривод, разберем принцип его действия и сферы применения.
Устройство сервопривода
Конструкционно такие агрегаты могут сильно отличаться друг от друга в зависимости от области применения и условий работы.
Обычно в составе сервоприводов присутствуют:
- электромотор;
- передача электродвигателя (шестерня);
- редуктор;
- вал и его подшипник;
- датчик обратной связи;
- втулка;
- управляющая плата;
- винты.
Такая конфигурация обеспечивает бесперебойную работу агрегата, так как в нем нет слабых звеньев.
Принцип работы сервопривода основан на использовании электрического импульса. Это выглядит следующим образом. Как только мотор запускается, в управляющий блок поступает информация от датчика, встроенного или прикрепленного к валу, отслеживающему текущее положение последнего. Управляющая схема вычисляет отклонение фактического положения вала от требуемого. Формируется корректирующий сигнал, приводящий обмотки статора в действие. В результате возникает управляющий момент, поворачивающий вал точно на такой угол, чтобы разница между заданным и реальным положением стала нулевой.
Типы и виды сервоприводов
Различают сервоприводы:
- вращательного движения. Используются для регулирования угла и скорости вращения. Агрегаты этого назначения часто используются в робототехнике, контроллерах, где требуется точный поворот или вращение;
- линейного движения. Применяются для обеспечения точного прямолинейного перемещения. Замкнутая система управления непрерывно отслеживает их работу. Она регулирует входной электрический импульс для обеспечения точного позиционирования и перемещения.
Классификация по типу используемого двигателя
На сегодняшний день наиболее распространены сервоприводы с моторами:
- постоянного тока с коллектором. Данный тип обеспечивает отличную управляемость. Еще один плюс — относительно простая схема. Недостатки — необходимость обслуживания из-за износа щеток и нецелесообразность эксплуатации при жестких требованиях к беспрерывной работе в условиях высоких нагрузок;
- переменного тока с обратной связью. Особенно популярны синхронные моторы с постоянными магнитами на роторе. Имеют высокий КПД. Стабильно функционируют при изменении скоростных и нагрузочных режимов. Обладают высокой динамикой разгона и торможения;
- асинхронного типа. Функционируют на основе специального алгоритма векторного управления. Имеют простую конструкцию. Отличаются большой долговечностью и выносливостью;
- безредукторные. Имеют крупный диаметр. Функционируют при низком темпе вращения с высоким крутящим моментом. Используются в оборудовании, требующем высочайшей точности без люфта и минимального числа механических передач.
Классификация по роду тока
Различия по роду тока определяют особенности питания и применения таких устройств.
Отличают сервоприводы, работающие на:
- постоянном токе (DC). Работают от источников постоянного напряжения. DC-модели компактны и их выбирают, если требуется сервопривод для использования в портативных приборах;
- переменном токе (AC). Благодаря стабильности работы применяются в стационарных системах с высокой мощностью, например на производственных линиях.
Используются и комбинированные варианты, совмещающие оба типа тока для гибкости и адаптации к сложным условиям эксплуатации.
По конструкции
Конструктивно такие агрегаты бывают:
- коллекторными. Это классический тип сервопривода, где двигатель оснащен коллектором — устройством для передачи тока к ротору через щетки. Широко применяются там, где требуется простота и доступность;
- коллекторными без сердечника. В роторе таких моделей нет железного сердечника. Это уменьшает инерцию и повышает динамику. Такая конструкция улучшает отклик, но требует более сложного регулирования;
- бесколлекторными. Этот тип лишен как коллектора, так и щетки. Регулирование осуществляется с помощью электронных коммутаторов. Они надежны и эффективны, что делает их популярными в робототехнике и авиации, хотя их стоимость выше из-за сложной электроники.
Классификация по выполняемой функции
Модели сервоприводов классифицируются и по выполняемой функции. Отличают варианты для:
- удержания угла. Приводят механизмы в требуемое положение. Используются при конструировании роботов, управлении заслонками, шаровыми кранами, замками и прочими механизмами. Основной параметр — диапазон вращения;
- постоянного вращения. Перемещают объекты на существенные расстояния и неоднократно вращают. Применяются в лазерных и гравировальных станках, а также в других ЧПУ-машинах. Основная характеристика — момент инерции.
По способу обработки сигнала
Отличают аналоговые и цифровые модели.
Первые обрабатывают непрерывные сигналы, такие как напряжение или ток, что обеспечивает простоту конструкции и низкую стоимость. Входные данные анализируются логической микросхемой. Она сравнивает текущее и необходимое положения мотора. На основании этой разницы дается команда на его изменение. Так как импульс подается с частотой 50 Гц, время реакции составляет порядка 20 мс. Он определяет, когда и в какую сторону вращать мотор.
Аналоговые варианты чувствительны к помехам. Это ограничивает их использование в высокоточных системах, но делает подходящими для базовых задач.
Цифровые модели широко применяются в современных автоматизированных комплексах благодаря возможности программной настройки. Они воспринимают дискретные цифровые сигналы частотой до 300 Гц. В ходе работы цифрового сервопривода входные данные анализируются микроконтроллером. Это позволяет повысить корректность позиционирования вала и удерживать его на нужном углу.
По виду редуктора
Редуктор сервопривода снижает обороты вращения выходного вала и повышает крутящий момент, увеличивая мощность и делая агрегат подходящим для различных нагрузок. Редукторы бывают:
- планетарными. Состоят из солнечного колеса, планетарных шестерен и внутреннего кольца. Они обеспечивают низкий люфт (1-2 угловые минуты), высокую эффективность работы (до 98%) и компактность. Используются в робототехнике и станках с ЧПУ, где требуется точное позиционирование и высокая плотность мощности;
- червячные. Включают червяк и червячное колесо, обеспечивая высокое передаточное число. Люфт выше (около 12 угловых минут), эффективность ниже (70-80%). Применяются в подъемных механизмах и конвейерах, где важны компактность и простота;
- прецизионные, включая гармонические приводы. Имеют минимальный люфт (менее 1 угловой минуты). Они используются в полупроводниковой промышленности и при производстве аэрокосмической техники, где требуется исключительная точность и повторяемость.
Основные технические характеристики сервопривода
К их числу относятся:
- Мощность. Определяет способность выполнять работу при заданной нагрузке. Для промышленных применений мощность варьируется от ватт до киловатт, что зависит от задачи.
- Крутящий момент. Показывает силу вращения вала, измеряется в Н·м. Модели с его высокими значениями требуются для тяжелых нагрузок, например характерных для робототехники.
- Скорость вращения и ее диапазон. Показывает максимальную величину этого параметра в об/мин. Низкая подходит для точного позиционирования, высокая — для транспортировки. Величина диапазона делает агрегаты подходящими для работы на низких и высоких скоростях, расширяя применение, например в конвейерах и роботосистемах.
- Точность позиционирования. Указывает, насколько точно данный агрегат удерживает заданное положение, измеряется в угловых минутах. Критична для ЧПУ-станков.
- Частота отклика, измеряется в Гц. Реакции на входной электрический импульс. Высокая частота (до 200 Гц в цифровых моделях) важна для динамичных систем.
- Эффективность. Процент преобразования энергии в механическую работу. Высокая эффективность (до 98% в планетарных редукторах) снижает энергозатраты.
- Размеры и вес. Компактные варианты предпочтительны для ограниченных пространств.
- Уровень шума и вибраций. Низкий уровень шума важен для медицинского оборудования и кондиционеров, где вибрации недопустимы.
- Срок службы и надежность. Долговечность зависит от качества материалов и конструкции. Бесколлекторные модели служат дольше.
Заключение
Сервоприводы — основа современных технологий управления движением, обеспечивающая точность на различных производствах, при разработке роботов и в других отраслях. В современных автомобилях их применяют для регулировки боковых зеркал заднего вида.
Обоснованный выбор конкретной модели с учетом необходимой мощности и момента помогает эффективно интегрировать эти агрегаты в различные технологические процессы.
