Εισαγωγή στα σερβοσυστήματα και σύγκριση με τους βηματικούς κινητήρες

Για να κατανοήσετε τι είναι ένας σερβοκινητήρας, πρέπει πρώτα να γνωρίζετε αρκετούς σχετικούς επαγγελματικούς όρους.

Έλεγχος ανοιχτού βρόχου

Ένα σύστημα ελέγχου στο οποίο η ποσότητα εξόδου δεν έχει καμία επίδραση στον έλεγχο του συστήματος ονομάζεται «σύστημα ελέγχου ανοιχτού βρόχου».

Ο έλεγχος ανοιχτού βρόχου είναι μια μέθοδος ελέγχου που δρα στο ελεγχόμενο αντικείμενο μονοκατευθυντικά μόνο μέσω προκαθορισμένων οδηγιών. Το βασικό της χαρακτηριστικό είναι η απουσία βρόχου ανάδρασης στη δομή του συστήματος. Αφού ο ελεγκτής δημιουργήσει μια εντολή λειτουργίας με βάση την αρχική ρύθμιση, δρα απευθείας στον ενεργοποιητή. Η πραγματική κατάσταση της ελεγχόμενης ποσότητας δεν μπορεί να επιστραφεί στο άκρο εισόδου μέσω ενός στοιχείου μέτρησης για διόρθωση απόκλισης.

Έλεγχος κλειστού βρόχου

Σε ένα σύστημα ελέγχου, εάν η ελεγχόμενη ποσότητα του συστήματος ανατροφοδοτείται και η έξοδος μπορεί να διορθωθεί με βάση την ανατροφοδότηση εξόδου του ελεγχόμενου αντικειμένου, αυτός ο τύπος συστήματος ελέγχου ονομάζεται «σύστημα ελέγχου κλειστού βρόχου».

Από την οπτική γωνία της ροής σήματος στο σύστημα, το σήμα εξόδου του συστήματος επιστρέφει στο άκρο εισόδου του συστήματος κατά μήκος του καναλιού ανάδρασης, σχηματίζοντας ένα κλειστό κανάλι—εξ ου και το όνομα σύστημα ελέγχου «κλειστού βρόχου». Αυτό το σύστημα είναι επίσης γνωστό ως «σύστημα ελέγχου ανατροφοδότησης».

stepper με κινητήρα

A steppermotor είναι ένας ηλεκτρικός κινητήρας που μετατρέπει τα ηλεκτρικά παλμικά σήματα σε αντίστοιχη γωνιακή μετατόπιση ή γραμμική μετατόπιση. Για κάθε παλμικό σήμα εισόδου, ο ρότορας περιστρέφεται κατά μια γωνία ή κινείται ένα βήμα προς τα εμπρός. Η γωνιακή μετατόπιση εξόδου ή γραμμική μετατόπιση είναι ανάλογη με τον αριθμό των παλμών εισόδου και η ταχύτητα περιστροφής είναι ανάλογη με τη συχνότητα παλμών. Επομένως, ένας βηματικός κινητήρας ονομάζεται επίσης "παλμικός κινητήρας". Με την ευρεία έννοια, ένας βηματικός κινητήρας είναι ένας κινητήρας συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες που ελέγχεται από παλμικά σήματα και μπορεί επίσης να θεωρηθεί ως ένας σύγχρονος κινητήρας του οποίου η ταχύτητα είναι συγχρονισμένη με τη συχνότητα παλμών ελέγχου εντός ενός συγκεκριμένου εύρους συχνοτήτων.

Ο βηματικός κινητήρας εφευρέθηκε σχετικά νωρίς και έχει μακρά ιστορία εφαρμογών. Το αρχικό του μοντέλο μπορεί να εντοπιστεί περίπου στην περίοδο μεταξύ 1830 και 1860. Γύρω στο 1870, άρχισαν προσπάθειες χρήσης του για σκοπούς ελέγχου, ειδικά στον μηχανισμό παροχής ηλεκτροδίων λαμπτήρων τόξου αργού. Κατά τη διάρκεια του Β' Παγκοσμίου Πολέμου, οι βηματικοί κινητήρες χρησιμοποιήθηκαν ευρέως, κυρίως σε στρατιωτικό εξοπλισμό, όπως συστήματα ελέγχου πυροβολικού και συστήματα κίνησης για επιφάνειες ελέγχου (επιφάνειες πηδαλίου) πλοίων και αεροσκαφών. Η περίοδος από το 1960 έως το 1970 ήταν η χρυσή εποχή της ανάπτυξης των βηματικών κινητήρων. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, εκτός από τον στρατιωτικό τομέα, οι βηματικοί κινητήρες χρησιμοποιήθηκαν επίσης ευρέως στον βιομηχανικό αυτοματισμό.

Δομή του βηματικού κινητήρα

Κινούμενη εικόνα λειτουργίας του βηματικού κινητήρα

Πλαίσιο 1: Ο ηλεκτρομαγνήτης (1) ενεργοποιείται, προσελκύοντας τα πλησιέστερα δόντια του στροφείου σιδήρου σε σχήμα γραναζιού. Με τα δόντια ευθυγραμμισμένα με τον ηλεκτρομαγνήτη (1), θα είναι ελαφρώς μετατοπισμένα από τον δεξιό ηλεκτρομαγνήτη (2).

Πλαίσιο 2: Ο επάνω ηλεκτρομαγνήτης (1) απενεργοποιείται και ο δεξιός ηλεκτρομαγνήτης (2) ενεργοποιείται, φέρνοντας τα δόντια σε ευθυγράμμιση με αυτόν. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια περιστροφή 3.6° σε αυτό το παράδειγμα.

Πλαίσιο 3: Ο κάτω ηλεκτρομαγνήτης (3) ενεργοποιείται· λαμβάνει χώρα άλλη μια περιστροφή 3.6°.

Πλαίσιο 4: Ο αριστερός ηλεκτρομαγνήτης (4) ενεργοποιείται και περιστρέφεται ξανά κατά 3.6°. Όταν ο πάνω ηλεκτρομαγνήτης (1) ενεργοποιηθεί ξανά, ο ρότορας θα έχει περιστραφεί κατά μία θέση δοντιού. Δεδομένου ότι υπάρχουν 25 δόντια, σε αυτό το παράδειγμα θα χρειαστούν 100 βήματα για να γίνει μια πλήρης περιστροφή.

Σέρβο σύστημα

"Σερβο" είναι συντομογραφία του όρου "Σερβομηχανισμός", η οποία προέρχεται από την ελληνική γλώσσα και σημαίνει «σκλάβος». Όπως υποδηλώνει το όνομα, αναφέρεται σε ένα σύστημα που ακολουθεί εξωτερικές οδηγίες για να εκτελέσει την επιθυμητή κίνηση, όπου τα στοιχεία κίνησης περιλαμβάνουν φυσικές ποσότητες όπως η θέση, η ταχύτητα και η ροπή.

Ένα σερβοσύστημα είναι μια υλοποίηση και τυπική εφαρμογή ενός συστήματος ελέγχου κλειστού βρόχου. Κοιτάζοντας πίσω στην ιστορία ανάπτυξης των σερβοσυστημάτων - από τα πρώτα υδραυλικά και πνευματικά συστήματα έως τα σημερινά ηλεκτροδοτούμενα συστήματα - το σερβοσύστημα, που αποτελείται από έναν σερβοκινητήρα, μια συσκευή ανάδρασης και έναν ελεγκτή, υπάρχει εδώ και σχεδόν 50 χρόνια.

Βοηθητικό μοτέρ

The βοηθητικό μοτέρ είναι ένας ηλεκτροκινητήρας που ελέγχει τη λειτουργία των μηχανικών εξαρτημάτων σε ένα σερβοσύστημα. Είναι μια βοηθητική συσκευή έμμεσης αλλαγής ταχύτητας κινητήρα και είναι ένα από τα τρία βασικά εξαρτήματα σε ένα σερβοσύστημα.

Ο όρος «σερβοκινητήρας» στον οποίο συνήθως αναφερόμαστε, στην πραγματικότητα σημαίνει ολόκληρο το σερβοσύστημα που περιλαμβάνει τον κινητήρα, τη συσκευή ανάδρασης και τον ελεγκτή.

Δομή του σερβοκινητήρα

Τύποι σερβοκινητήρων

Ταξινόμηση κατά δομή κινητήρα

Οι σερβοκινητήρες μπορούν να χωριστούν σε πολλαπλούς τύπους σύμφωνα με διαφορετικά κριτήρια ταξινόμησης.

Σερβο κινητήρας AC

Αυτή είναι σίγουρα η κύρια και πρώτη επιλογή στον τρέχοντα βιομηχανικό αυτοματισμό, καταλαμβάνοντας το μεγαλύτερο μέρος της αγοράς.

Βασίζεται σε τεχνολογίες μετατροπής συχνότητας και διανυσματικού ελέγχου και ελέγχει την ταχύτητα και τη ροπή του κινητήρα αλλάζοντας τη συχνότητα εξόδου, την τάση και τη φάση του οδηγού.

Μπορεί να χωριστεί σε σύγχρονοι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη ασύγχρονοι σερβοκινητήρες

Σερβοκινητήρας DC

Αυτός είναι ο πιο ώριμος σερβοκινητήρας με τη μεγαλύτερη ιστορία. Ωστόσο, με την ωρίμανση της τεχνολογίας σερβοκινητήρα AC, η εφαρμογή του έχει σταδιακά μειωθεί.

Αλλάζει την ταχύτητα και τη ροπή του κινητήρα ελέγχοντας την τάση του οπλισμού ή το ρεύμα διέγερσης.

Μπορεί να χωριστεί σε βουρτσισμένοι σερβοκινητήρες συνεχούς ρεύματος σερβοκινητήρες συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες.

Ταξινόμηση ανά τύπο συσκευής ανάδρασης

Τύπος φωτοηλεκτρικού κωδικοποιητή

Ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος τύπος. Χωρίζεται σε αυξητικοί κωδικοποιητές (χαμηλό κόστος, που απαιτεί μηδενική απόδοση) και απόλυτοι κωδικοποιητές (ικανός να αποκτήσει άμεσα απόλυτη θέση χωρίς μηδενική απόδοση, πιο high-end).

Τύπος αναλυτή

Εξαιρετικά στιβαρό και ανθεκτικό, ανθεκτικό σε κραδασμούς, ρύπανση από πετρέλαιο και υψηλές θερμοκρασίες. Χρησιμοποιείται συχνά σε ακραία περιβάλλοντα (όπως στρατιωτική βιομηχανία, αεροδιαστημική).

Τύπος αισθητήρα Hall

Συνήθως χρησιμοποιείται για απλή μεταγωγή κινητήρων συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες, με χαμηλή ακρίβεια.

Σερβοκινητήρας έναντι βηματικού κινητήρα

Σημείωση: Τα συγκρινόμενα αντικείμενα εδώ είναι ο σερβοκινητήρας (σύγχρονος σερβοκινητήρας AC μόνιμου μαγνήτη τύπου κωδικοποιητή) και ο βηματικός κινητήρας ανοιχτού βρόχου που χρησιμοποιούνται συνήθως σε εργαλειομηχανές CNC.

Στην πραγματικότητα, υπάρχει ένας άλλος τύπος κινητήρα διαθέσιμος στην αγορά, γνωστός ως βηματικός κινητήρας κλειστού βρόχου.

Ένας βηματικός κινητήρας κλειστού βρόχου είναι ουσιαστικά ένας συνδυασμός ενός παραδοσιακού βηματικού κινητήρα, ενός κωδικοποιητή και ενός αλγορίθμου ελέγχου. Προσθέτοντας μια ανατροφοδότηση θέσης σε πραγματικό χρόνο (κωδικοποιητή) στο παραδοσιακό βηματικό σύστημα ανοιχτού βρόχου, λύνει το μεγαλύτερο πρόβλημα του τελευταίου — την απώλεια βήματος ή την υπέρβαση.

Δεδομένου ότι ο βηματικός κινητήρας κλειστού βρόχου αντιμετωπίζει το πρόβλημα της απώλειας βήματος, μπορεί να επιτύχει σχετικά υψηλές ταχύτητες περιστροφής. Επιπλέον, είναι συνήθως πιο οικονομικός από ένα σύστημα σερβοκινητήρα με ισοδύναμη ροπή.