Блок управления серводвигателем. Подключение сервоприводов к Arduino

Сервоприводы - это устройства, которые предназначены для управления приборами. Осуществляется этот процесс при помощи обратной связи. На сегодняшний день различают асинхронные и синхронные модификации. По устройству модели могут довольно сильно различаться. Также следует учитывать, что существуют модификации линейного типа. Отличаются они большим параметром ускорения.

По принципу действия сервоприводы бывают электромеханического и электрогидромеханического типов. Встретить вышеуказанные приборы чаще всего можно в промышленной сфере. Там они отвечают за работу различного оборудования. В частности, сервоприводы занимаются управлением станков.

Устройство

Схема сервопривода включает в себя датчик, блок питания, а также плату управления. Дополнительно в моделях можно встретить конвертер. Чаще всего он устанавливается линейного типа. В данном случае многое зависит от привода. Представлен он в сервоприводе, как правило, в виде электромотора с редуктором. Однако на сегодняшний день имеется множество модификаций с пневмоцилиндрами.

Как собрать модель?

Сделать сервопривод своими руками довольно просто. Если рассматривать простую модификацию, то в первую очередь следует подобрать корпус для устройства. В данном случае многое зависит от габаритов привода. Для самодельного устройства целесообразнее использовать маломощный электродвигатель. При этом редукторная коробка должна быть установлена рядом.

Далее, чтобы собрать сервопривод своими руками, нужно подобрать потенциометр аналогового типа. В магазине его найти не составит труда. После этого следует заняться установкой датчика. Как правило, плата управления подбирается серии РР20. Для поворотных регуляторов она подходит хорошо. В конце работы останется только установить конвертер. Все это необходимо для того, чтобы подсоединить устройство к сети.

Модель для отопления

Сервопривод для отопления в наше время является очень востребованным. Отличаются данные устройства высоким параметром предельной частоты. Двигатели чаще всего в моделях используются асинхронного типа. При этом мощность их находится на уровне 2 кВт. Для передачи вращательного момента на вал используются малые шестерни. На сегодняшний день наиболее распространенным принято считать сервопривод для отопления с аналоговыми потенциометрами.

Однако цифровые модели также не являются редкостью. Для повышения пропускной способности устройства применяются специальные контроллеры. При этом управленческие платы устанавливаются самые разнообразные. Для подключения устройства к сети стандартно используются конвертеры. В наше время чаще всего их можно встретить линейного типа. Ремонт сервопривода для отопления может делаться только в сервисном центре.

Устройство с клапаном

Клапан с сервоприводом, как правило, используется в промышленной сфере. Там он способен отвечать за регулировку станков. Отличительной особенностью данных моделей принято считать мощные двигатели. При этом параметр предельной частоты у них достигает 22 Гц. Все это, в конечном счете, дает приборам хорошее ускорение. Непосредственно моторы можно встретить в основном асинхронного типа. Соединение с валом клапан с сервоприводом имеет шестерного типа. Регуляторы в таких устройствах встречаются поворотного и кнопочного вида. В данном случае клапаны могут использоваться только односторонние.

Модель для печки

Сервопривод печки в среднем мощность имеет на уроне 2 кВт. Двигатели чаще всего устанавливаются асинхронного типа с предельной частотой на отметке в 31 Гц. Отличительной особенностью таких устройств принято считать наличие резистивного элемента. В его обязанности входит повышение пропускной способности модели. Редукторы чаще всего устанавливаются низкочастотного типа. Дополнительно следует отметить, что на рынке представлено множество модификаций с потенциометрами.

Управленческие платы, как правило, имеются серии РР20. Для многофункционального контроля печки они подходят идеально. В данной ситуации выходные валы подсоединяются напрямую к коробке редуктора. Все это необходимо для того, чтобы повысить крутящий момент. В качестве рычага производители используют плечо. Устанавливается оно, как правило, не большого размера. Подключается сервопривод печки к сети через специальные контакты на конвертере. В данном случае статор к устройству подсоединять можно. Дополнительно сервопривод отлично способен выполнять функции усилителя.

Устройство для регулировки заслонки

Сервопривод заслонки можно сделать даже самостоятельно. В данной ситуации электромотор имеет смысл подбирать с мощностью не более 2 кВт. В противном случае выходной вал не выдержит больших нагрузок и поломается. При сборке в первую очередь устанавливается коробка редуктора. Пневмоцилиндрические устройства используются довольно редко.

Статоры в сервопривод заслонки монтируются часто электронного типа. Конвертер устанавливается в модель только после плеча. Затем необходимо уделить внимание управленческой плате. Выходной вал в данном случае должен быть закреплен на оси. Для этого подбирают металлическую проволоку не больших размеров. В последнюю очередь останется только подсоединить проводы к конвертеру. Далее их напрямую появится возможность подключить к блоку управления.

Модель с краном

Кран с сервоприводом позволяет регулировать напор воды. Встретить прибор данного типа чаще всего можно в промышленной сфере. В данном случае используются только пневмоцилиндры. В свою очередь электромоторы встречаются довольно редко. Статорные коробки для сервопривода подходят ручного типа. Для регулировки устройства обязана быть предусмотрена специальная плата.

На сегодняшний день многие производители отдают предпочтение модификации РР20. Непосредственно контроллеры устанавливаются поворотного типа. Подключение сервопривода к сети осуществляется при помощи конвертера. На рынке в наше время представлены как нелинейные, так и линейные его типы.

Синхронные модификации

Синхронный сервопривод - что это? На самом деле указанное устройство используется для регулировки станков. При этом в вентиляционных системах они также являются востребованным. Датчики у моделей устанавливаются, как правило, проворного типа. В данном случае мощность двигателя может варьироваться от 1 до 3 кВт. Отдельного внимания в устройствах заслуживает конвертер. Устанавливается он, как правило, на два контакта. Однако имеются и другие модификации.

Статоры используются цифрового типа, и регулировать их можно при помощи котроллера. Еще одной отличительной чертой данных устройств принято считать наличие энкодеров. Данные детали необходимы для обратной связи. Параметр предельной частоты у сервоприводов не превышает 35 Гц. Подключение устройства к сети осуществляется только через клеммы. Дополнительно следует отметить, что резистивные механизмы используются, как правило, низкочастотного типа. Самостоятельно сложить сервопривод довольно сложно. Однако в данном случае многое зависит от типа управленческой платы.

Асинхронные сервоприводы

Асинхронный сервопривод - что это? В действительности указанное устройство предназначено исключительно для оборудования, которое блок питания имеет на 15 В. В этом случае мощность прибора, как правило, не превышает 2 кВт. Нагрузку максимум потенциометр в моделях способен выдерживать на уровне 23 А. Для передачи крутящего момента от мотора используются не большого диаметра выходные валы. При этом рычаг двигается за счет шестерни.

Изменение частоты вращения происходит благодаря котроллеру. Управление сервоприводом осуществляется при помощи специальной платы. В некоторых случаях для изменения положения регулятора используется плечо. Резистивные устройства чаще всего устанавливаются низкочастотные. При этом сервоприводы на пневмоцилиндрах в наше время встречаются довольно редко. Чтобы самостоятельно собрать такую модификацию, потребуется мощный редуктор. Также для него следует подобрать статор ручного типа.

Сервоприводные модификации линейного движения

Линейного движения сервопривод - что это? На самом деле указанное устройство является регулятором с обратной связью. На сегодняшний день модели очень востребованы. Для различных систем отопления они подходят идеально. Конвертеры в них чаще всего используются на три контакта. Статорные коробки устанавливаются различной мощности. Двигатели могут использоваться только синхронного типа.

В противном случае блоки питания не выдерживают предельного напряжения. В качестве приводов в данной ситуации применяются редукторные коробки. Для передачи крутящего момента от двигателя используются шестерни. Да сегодняшний день на рынке представлено множество модификаций с выходным валом. В данном случае регулировать скорость оборотов можно при помощи котроллера. Также следует помнить, что в устройствах имеются специальные платы. Устанавливаются они с маркировкой Р20. Смена режима в данном случае производится за счет контроллера. Роторные модификации сервоприводов в наше время встречаются довольно редко. Используются они чаще всего для управления станками.

Устройства для промышленных роботов

Для сервопривод - что это? В действительности указанное устройство является многофункциональным котроллером. В данном случае платы используются серии РР30. За счет этого у пользователя открывается возможность регулировать параметр предельной частоты. В среднем он колеблется в районе 25 Гц. Работают устройства данного типа от блоков питания на 15 В.

Управление сервоприводом осуществляется часто при помощи регулятора поворотного типа. Однако цифровые аналоги в наше время не являются редкостью. Роторы применяются в устройствах исключительно низкочастотные. Все это необходимо для быстрого ускорения сервопривода. Потенциометры можно встретить как аналогового, так и цифрового типа. Редукторные коробки по конструкции могут довольно сильно отличаться. Самостоятельно собрать сервопривод указанного типа сложно. В данном случае проблема заключается в поиске нужного контролера.

Сервоприводные модели для полиграфических станков

Для полиграфических станков модели необходимы с синхронными типами моторов. Мощность их обязана достигать 2 кВт. Параметр предельной частоты приветствуется на уровне 30 Гц. На сегодняшний день большинство производителей выпускают сервоприводы с аналоговыми потенциометрами. Также следует отметить, что редукторные коробки, как правило, используются плоские. Все это необходимо для того, чтобы устройство было компактным.

Отдельного внимания в сервоприводах данного типа заслуживают роторы. Показатель проводимости у них обязан минимум составлять 3 мк. Все это необходимо для хорошего ускорения. Выходные валы в данном случае используются небольшого диаметра. Конвертеры чаще всего можно встретить на три контакта. Для блоков питания на 20 В они подходят идеально. Статорные коробки устанавливаются различной формы и по конструкции могут сильно различаться. В этой ситуации многое зависит от энкодера, который установлен в сервоприводе.

Устройства для швейных машин

Сервоприводы данного типа отличаются от прочих устройств своей компактностью. Двигатели у таких моделей чаще всего можно встретить асинхронного типа. От сети с напряжением 220 В они работают без каких-либо проблем. Регулятор в данном случае используется поворотного типа. Максимум параметр предельной мощности достигает 1.2 кВт. Пороговая частота в этой ситуации едва доходит до отметки 20 Гц. Потенциометры используются только аналогового типа.

Редукторные коробки для этой модификации подходят маломощные. Сервоприводы на две шестерни попадаются довольно часто. Однако в основном устанавливаются роторы для передачи крутящего момента от мотора. Выходные валы обладают малой частотой вращения. При этом нагрузка на плечо оказывается небольшая. Контроллеры в данном случае используются одноканальные. При этом менять параметр мощности у пользователя нет возможности. Датчик обратной связи в сервоприводах данного типа располагается возле статора.

Сервоприводные модификации для упаковочных станков

Модель данного типа чаще всего работает от движения пневмоцилиндров. При этом блоки питания часто используются на 12 В. В данном случае системы защиты устанавливаются довольно часто. Конвертеры можно встретить на два и три контакта. Статорные коробки устанавливаются различной конфигурации. В некоторых случаях датчики обратной связи в сервоприводах заменяются энкодерами. Роторные коробки на предельное напряжение должны быть рассчитаны в районе 12 В. Резистивные механизмы в устройствах встречаются довольно редко.

Самостоятельно собрать сервопривод данного типа можно. С этой целью лучше всего подобрать аналоговый потенциометр. При этом конвертер лучше использовать на два контакта. Вместо энкодера многие специалисты рекомендуют применять датчики обратной связи. Однако для их успешной эксплуатации необходимо проверить устройство на чувствительность. Регулятор проще всего использовать поворотного типа из пластика. Модуляторы применяются только одноканальные.

В конструкциях современного оборудования, создаваемого на базе высоких технологий, постоянно развиваются и совершенствуются различные автоматические процессы. Среди них широкое распространение получил сервопривод, устанавливаемый с целью совершения отдельными элементами и деталями постоянных динамических движений. Эти устройства обеспечивают постоянный контроль над углами поворота вала, устанавливают нужную скорость в приборах электромеханического типа.

Составной частью этих систем являются серводвигатели, которые дают возможность управлять скоростями в нужном диапазоне в установленный промежуток времени. Таким образом, все процессы и движения могут периодически повторяться, а частота этих повторов закладывается в системе управления.

Устройство сервопривода

Основные детали, из которых состоит типовой серводвигатель - ротор и статор. Для коммутации применяются специальные комплектующие в виде штекеров и клеммных коробок. Управление, контроль и коррекция процессов осуществляется с помощью отдельного управляющего узла. Для включения и выключения сервопривода используется отдельная система. Все детали, помещаются в общем корпусе.

Практически во всех сервоприводах имеется датчик, работающий и отслеживающий определенные параметры, такие как положение, усилие или скорость вращения. С помощью управляющего блока поддерживается автоматический режим необходимых параметров при работе устройства. Выбор того или иного параметра происходит в зависимости от сигналов, поступающих от датчика в установленные промежутки времени.

Разница между сервоприводом и обычным электродвигателем заключается в возможности установки вала в точно заданное положение, измеряемое в градусах. Установленное положение, так же, как и другие параметры, поддерживаются блоком управления.

Их принцип работы заключается в преобразовании электрической энергии в механическую, с помощью электродвигателя. В качестве привода используется редуктор, позволяющий снизить скорость вращения до требуемого значения. В состав данного устройства входят валы с шестернями, преобразующими и передающими крутящий момент.

Как работает сервопривод

Вращение выходного вала редуктора, связанного шестернями с сервоприводом, осуществляется путем запуска и остановки электродвигателя. Сам редуктор необходим для регулировки числа оборотов. Выходной вал может быть соединен с механизмами или устройствами, которыми необходимо управлять. Положение вала контролируется с помощью датчика обратной связи, способного преобразовывать угол поворота в электрические сигналы и на котором построен принцип работы всего устройства.

Этот датчик известен также, под названием энкодера или потенциометра. При повороте бегунка, его сопротивление будет изменяться. Изменения сопротивления находится в прямой пропорциональной зависимости с углом поворота энкодера. Данный принцип работы позволяет устанавливать и фиксировать механизмы в определенном положении.

Дополнительно каждый серводвигатель имеет электронную плату, обрабатывающую внешние сигналы, поступающие от потенциометра. Далее выполняется сравнение параметров, по результатам которого производится запуск или остановка электродвигателя. Следовательно, с помощью электронной платы поддерживается отрицательная обратная связь.

Подключить серводвигатель можно с помощью трех проводников. По двум из них подается питание к электродвигателю, а третий служит для прохождения сигналов управления, приводящих вал в определенное положение.

Предотвратить чрезмерные динамические нагрузки на электродвигатель возможно с помощью плавного разгона или такого же плавного торможения. Для этого применяются более сложные микроконтроллеры, обеспечивающие более точный контроль и управление позицией рабочего элемента. В качестве примера можно привести жесткий диск компьютера, в котором головки устанавливаются в нужную позицию с помощью точного привода.

Управление серводвигателем

Основное условие, чтобы серводвигатель мог нормально работать, заключается в их функционировании совместно с так называемой системой G-кодов. Эти коды представляют собой набор команд управления, заложенный в специальную программу.

Если в качестве примера взять ЧПУ - числовое программное управление, то в данном случае сервоприводы будут взаимодействовать с . В соответствии с уровнем входного напряжения они способны изменить значение напряжения на возбуждающей обмотке или якоре электродвигателя.

Непосредственное управление серводвигателем и всей системой осуществляется из одного места - блока управления. Когда отсюда поступает команда на прохождение определенного расстояния по оси координат Х, в цифровом аналоговом преобразователе возникает напряжение определенной величины, которое и поступает в качестве питания привода этой координаты. В серводвигателе начинается вращательное движение ходового винта, связанного с энкодером и исполнительным органом основного механизма.

В энкодере вырабатываются импульсы, подсчитываемые блоком, выполняющим управление сервоприводом. В программе заложено соответствие определенного количества сигналов с энкодера, установленному расстоянию, которое должен пройти исполняющий механизм. В нужное время аналоговый преобразователь, получив установленное число импульсов, прекращает выдачу выходного напряжения, в результате, серводвигатель останавливается. Точно так же под влиянием импульсов восстанавливается напряжение, и возобновляется работа всей системы.

Виды и характеристики

Серводвигатели выпускаются в самых разных вариантах, позволяющих использовать их во многих областях. Основные конструкции разделяются на коллекторные и , предназначенные для работы от постоянного и переменного тока.

Кроме того, каждый сервомотор может быть синхронным и асинхронным. Синхронные устройства обладают способностью задавать высокоточную скорость вращения, а также углы поворотов и ускорение. Эти приводы очень быстро набирают номинальную скорость вращения. Сервоприводы в асинхронном исполнении управляются за счет изменения параметров питающего тока, когда его частота меняется с помощью инвертора. Они с высокой точностью выдерживают заданную скорость даже при самых низких оборотах.

В зависимости от принципиальной схемы и конструкции, сервоприводы могут быть электромеханическими и электрогидромеханическими. Первый вариант, включающий редуктор и двигатель, отличается низким быстродействием. Во втором случае действие происходит очень быстро за счет движения поршня в цилиндре.

Каждый сервопривод характеризуется определенными параметрами:

• Крутящий момент или усилие, создаваемое на валу. Считается наиболее важным показателем работы сервопривода. Для каждой величины напряжения существует собственный крутящий момент, отражаемый в паспорте изделия.
• Скорость поворота. Данный параметр представляет собой определенный период времени, который требуется, чтобы изменить позицию выходного вала на 600. Эта характеристика также зависит от конкретного значения напряжения.
• Максимальный угол поворота, на который может развернуться выходной вал. Чаще всего эта величина составляет 180 или 3600.
• Все сервоприводы разделяются на цифровые и аналоговые. В зависимости от этого и осуществляется управление сервоприводом.
• Питание серводвигателей. В большинстве моделей используется напряжение от 4,8 до 7,2В. Питание и управление осуществляется с помощью трех проводников.
• Возможность модернизации в сервопривод постоянного вращения.
• Материалы для редуктора могут использоваться самые разные. Шестерни изготавливаются из металла, карбона, пластика или комбинированных составов. Каждый из них обладает своими преимуществами и недостатками. Например, пластиковые детали плохо выдерживают ударные нагрузки, но устойчивы к износу в процессе длительной эксплуатации. Металлические шестерни, наоборот, быстро изнашиваются, зато они обладают высокой устойчивостью к динамическим нагрузкам.

Плюсы и минусы сервомоторов

Благодаря унифицированным размерам, эти устройства легко и просто устанавливаются в любые конструкции. Они безотказны и надежны, каждый из них работает практически бесшумно, что имеет большое значение при их эксплуатации на сложных и ответственных участках. Даже на невысоких скоростях можно добиться точности и плавных перемещений. Каждый сервопривод может быть настроен персоналом, в зависимости решения тех или иных задач.

В качестве недостатков отмечаются определенные сложности при настройках и сравнительно высокая стоимость.

Сервоприводы и механизмы оснащены датчиком, который отслеживает определенный параметр, например усилие, положение или скорость, а также управляющий блок в виде электронного устройства. Задачей этого устройства является поддержание необходимых параметров в автоматическом режиме во время функционирования устройства, в зависимости от вида поступающего сигнала от датчика в определенные периоды времени.

Устройство и работа

От обычного электродвигателя сервопривод отличается тем, что можно задать точное положение вала в градусах. Сервоприводы – это любые механические приводы, которые включают в себя датчик некоторого параметра и блок управления, который способен автоматически поддерживать требуемые параметры, соответствующие определенным внешним значениям.

1 — Шестерни редуктора
2 — Выходной вал
3 — Подшипник
4 — Нижняя втулка
5 — Потенциометр
6 — Плата управления
7 — Винт корпуса
8 — Электродвигатель постоянного тока
9 — Шестерня электродвигателя

Для преобразования электрической энергии в механическое движение, необходим . Приводом является редуктор с электродвигателем. Редуктор требуется для снижения скорости двигателя, так как скорость слишком большая для применения. Редуктор состоит из корпуса, в котором расположены валы с шестернями, способными преобразовывать и передавать крутящий момент.

Путем запуска и останова электродвигателя можно приводить в движение выходной вал редуктора, который связан с шестерней сервопривода. К валу можно присоединять устройство или механизм, которым требуется управлять. Кроме этого для контроля положения вала требуется наличие датчика обратной связи. Этот датчик может преобразовать угол поворота снова в сигнал электрического тока.

Такой датчик получил название энкодера. В качестве энкодера может применяться потенциометр. Если бегунок потенциометра поворачивать, то будет изменяться его сопротивление. Значение этого сопротивления прямо пропорционально зависит от угла поворота потенциометра. Таким образом, есть возможность добиться установки определенного положения механизма.

Кроме выше названного потенциометра, редуктора и электродвигателя, сервоприводы оснащены электронной платой, которая обрабатывает поступающий сигнал внешнего значения параметра от потенциометра, сравнивает, и в соответствии с результатом сравнения запускает или останавливает электродвигатель. Другими словами эта электронная начинка отвечает за поддержку отрицательной обратной связи.

Подключение сервопривода осуществляется тремя проводниками, два из которых подают питание напряжением электродвигателя, а по третьему проводнику поступает сигнал управления, с помощью которого выполняется установка положения вала двигателя.

Кроме электродвигателя, играть роль привода может и другой механизм, например пневматический цилиндр со штоком. В качестве датчика обратной связи применяют также датчики поворота угла, либо . Управляющий блок является сервоусилителем, индивидуальным инвертором. Он может содержать также и датчик сигнала управления.

При необходимости создания плавного торможения или разгона для предотвращения чрезмерных динамических нагрузок двигателя, выполняют схемы более сложных микроконтроллеров управления, которые могут контролировать позицию рабочего элемента намного точнее. Подобным образом выполнено устройство привода установки позиции головок в компьютерных жестких дисках.

Виды сервоприводов

При необходимости создания управления несколькими группами сервоприводов используют контроллеры с ЧПУ, которые собраны на схемах программируемых логических контроллеров. Такие сервоприводы способны обеспечить крутящий момент 50 Н*м, мощностью до 15 киловатт.

Синхронные способны задать скорость вращения электродвигателя с большой точностью, так же как ускорение и угол поворота. Синхронные виды приводов могут быстро достигать номинальной скорости вращения.

Асинхронные способны точно выдерживать скорость даже на очень низких оборотах.

Сервоприводы принципиально разделяют на электромеханические и электрогидромеханические . Электромеханические приводы состоят из редуктора и электродвигателя. Но их быстродействие оказывается намного меньше. В электрогидромеханических приводах движение создается путем движения поршня в цилиндре, вследствие чего быстродействие оказывается на очень высоком уровне.

Характеристики сервоприводов

Рассмотрим основные параметры, которые характеризуют сервоприводы:

• Усилие на валу . Этот параметр является крутящим моментом. Это наиболее важный параметр сервопривода. В паспортных данных чаще всего указывается несколько значений момента для разных величин напряжения.
• Скорость поворота также является важной характеристикой. Она указывается в эквиваленте времени, необходимом для изменения позиции выходного вала привода на 60 градусов. Этот параметр также могут указывать для нескольких значений напряжения.
• Тип сервоприводов бывает аналоговый или цифровой.
• Питание . Основная часть сервоприводов функционирует на напряжении 4,8-7,2 вольта. Питание подается чаще всего по трем проводникам: белый – сигнал управления, красный – напряжение работы, черный – общий провод.
• Угол поворота – это наибольший угол, на который выходной вал способен повернуться. Чаще всего этот параметр равен 180 или 360 градусов.
• Постоянного вращения . При необходимости обычный сервопривод можно модернизировать для постоянного вращения.
• Материал изготовления редуктора сервоприводов бывает различным: карбон, металл, пластик, либо комбинированный состав. Шестерни, выполненные из пластика, не выдерживают ударных нагрузок, однако обладают высокой износостойкостью. Карбоновые шестерни намного прочнее пластмассовых, но имеют высокую стоимость. Шестерни из металла способны выдержать значительные нагрузки, падения, но имеют низкую износостойкость. Выходной вал редуктора устанавливают по-разному на разных моделях: на втулках скольжения, либо на шариковых подшипниках.

Преимущества

• Легкость и простота установки конструкции.
• Безотказность и надежность, что важно для ответственных устройств.
• Не создают шума при эксплуатации.
• Точность и плавность передвижений достигается даже на малых скоростях. В зависимости от поставленной задачи разрешающая способность может настраиваться работником.

Недостатки

• Сложность в настройке.
• Повышенная стоимость.

Применение

Сервоприводы в настоящее время используются достаточно широко. Так, например, они применяются в различных точных приборах, промышленных роботах, автоматах по производству печатных плат, станках с программным управлением, различные клапаны и задвижки.

Наиболее популярными стали быстродействующие приводы в авиамодельном деле. Серводвигатели имеют достоинство в эффективности расхода электрической энергии, а также равномерного движения.

В начале появления серводвигателей использовались коллекторные трехполюсные моторы с обмотками на роторе, и с постоянными магнитами на статоре. Кроме этого, в конструкции двигателя был узел с коллектором и щетками. Далее, по мере технического прогресса число обмоток двигателя увеличилось до пяти, а момент вращения возрос, так же как и скорость разгона.

Следующим этапом развития серводвигателей было расположение обмоток снаружи магнитов. Этим снизили массу ротора, уменьшили время разгона. При этом стоимость двигателя увеличилась. В результате дальнейшего проектирования серводвигателей было решено отказаться от наличия коллектора в устройстве двигателя. Стали применяться двигатели с постоянными магнитами ротора. Мотор стал без щеток, эффективность его возросла вследствие увеличения крутящего момента, скорости и ускорения.

В последнее время наиболее популярными стали сервомоторы, работающие от программируемого контроллера (Ардуино). Вследствие этого открылись большие возможности для проектирования точных станков, роботостроения, авиастроения (квадрокоптеры).

Так как приводы с моторами без коллекторов обладают высокими функциональными характеристиками, точным управлением, повышенной эффективностью, они часто применяются в промышленном оборудовании, бытовой технике (мощные пылесосы с фильтрами), и даже в детских игрушках.

Сервопривод отопления

По сравнению с механической регулировкой системы отопления, электрические сервоприводы являются наиболее совершенными и прогрессивными техническими устройствами, обеспечивающими поддержание параметров отопления помещений.

1 — Блок питания
2 — Комнатные термостаты
3 — Коммутационный блок
4 — Серводвигатели
5 — Подающий коллектор
6 — Обход
7 — Водяной теплый пол
8 — Обратный коллектор
9 — Датчик температуры воды
10 — Циркулярный насос
11 — Шаровый клапан
12 — Регулировочный клапан
13 — Двухходовой термостатический клапан

Привод системы отопления функционирует совместно с термостатом, установленным на стену. Кран с электрическим приводом монтируется на трубе подачи теплоносителя, перед коллектором теплого водяного пола. Далее выполняется подключение питания 220 вольт и настройка терморегулятора рабочего режима.

Система управления оснащается двумя датчиками. Один из них расположен в полу, другой в помещении. Датчики передают сигналы на термостат, управляющий сервоприводом, который соединен с краном. Повысить точность регулировки можно путем установки дополнительного прибора снаружи помещения, так как условия климата непрерывно изменяются, и оказывают влияние на температуру в комнате.

Привод механически соединен с клапаном для его управления. Клапаны могут быть двух- и трехходовыми. Двухходовой клапан может изменять температуру воды в системе. Трехходовой клапан способен поддерживать температуру неизменной, однако изменяет потребление горячей воды, которая подается в контуры. В устройстве трехходового клапана имеется два входа для горячей воды (трубы подачи) и выход обратной воды, через который подается смешанная вода с заданной температурой.

Смешивание воды происходит с помощью клапана. При этом осуществляется регулировка подачи теплоносителя в коллекторы. При открывании одного входа, другой начинает закрываться, а расход воды на выходе не изменяется.

Сервоприводы багажника

В настоящее время современные автомобили чаще всего стали производит с функцией автоматического открывания багажника. Для такой цели применяют рассмотренную нами конструкцию сервопривода. Автопроизводители используют два метода для оснащения такой функцией автомобиля.

Конечно, пневмопривод багажника более надежен, однако его стоимость достаточно высока, поэтому в автомобилях такой привод не нашел применения.

Электрический привод выполняется с разными способами управления:

• Рукояткой на крышке багажника.
• Кнопкой на панели двери водителя.
• С пульта сигнализации.

Открывать багажник вручную не всегда бывает удобным. Например, зимой замок имеет свойство замерзать. Сервопривод дополнительно выполняет функцию защиты автомобиля от чужого проникновения, так как совмещен с устройством замка.

Такие приводы багажника используются на некоторых импортных автомобилях, однако, можно установить такой механизм и на отечественных машинах, было бы желание.

Существуют приводы багажника с магнитными пластинами, однако они не нашли применения, так как их устройство достаточно сложное.

Наиболее приемлемыми по цене являются сервоприводы багажника, которые выполняют только открывание. Функция закрывания для них недоступна. Также можно выбрать конструкцию модели привода, имеющего инерционный механизм. Он играет роль блокировки при появлении препятствия при движении багажника.

Дорогостоящие модели сервоприводов включают в себя механизм подъема и опускания багажника, доводчика механизма запирания, датчиков и контроллера. Обычно их на автомобилях устанавливают на заводе, однако простые конструкции вполне можно монтировать самостоятельно.

Одним из самых распространнных деталей для создания роботов является сервопривод. Фактически это небольшой электродвигатель с редуктором и встроенным потенциометром. Потенциометр подключен к выходному валу, и вместе с его поворотом меняет свое сопротивление – соответственно в любой момен времени можно узнать о положении вала. В отличие от обычного двигателя встроенная электроника приводит в движение мотор таким образом, чтобы его положение соответствовало заданному значению

Обычно сервоприводы не расчитаны на полный оборот, вал может поворачиваться на ограниченный угол (чащевсего 180 градусов). Этого вполне достаточно, чтобы управлять рулевыми колесами или магипулятором. Поэтому и примеяют сервоприводы чаще всего для шарниров. Основным показателем мощности сервопривода является крутящий момент, обычно выражается в кг⋅см. Для длинных манипуляторов, которые должны подымать приличный вес, уже потребуются сервоприводы с крутящим моментом 30-40 кг⋅см и больше. Если же мы хотим с помощью нашего сервопривода совершать не очень тяжелую работу, то вполне достаточно самых простейших, на 1,8 или 3,2 кг⋅см.

Вообще, крутящий момент выражается в Н⋅м. Но для большей простоты вычислений его часто приводят к в кг⋅см (1 кг⋅см ~ 0.01 кг⋅м ~ 0.098 Н⋅м) Это усилие, которое может обеспечить сервопривод на определенном расстоянии от оси вращения. Т.е, например сервопривод с моментом 4 кг⋅см может поднять груз в 4 кг, в 1см от оси, или 400 грамм, но уже на расстоянии 10 см от оси. Если мы хоти сделать манипулятор, то нужно прикинуть вес движущихся частей и подбирать соответствующие сервоприводы для каждого сустава.

Подключается сервопривод с помощью трех проводов – стандартной пары из питания и заземления и одного управляющего. Для маломощных сервоприводов все три можно подключать к контроллеру напрямую. Но если мы используем много сервоприводов или несколько, но мощных, то возможностей контоллера будет уже не хватать. Нужно подключать к контроллеру только управляющий вывод, а питание на остальные подавать независимо.

Для более удобного подключения большго количества сервоприводов есть специальные платы расширения, на которых контакты для каждого сервопривода уже собраны в группы по три, что сильно упрощает подключение. Но это для сложных проектов, например паукообразных роботов, где каждый сустав ног управляется отдельно. Мы же рассмотрим простейший вариант с одним сервоприводом, подключенным напрямую к контроллеру.

Запитываем сервопривод от пина “5V” (красный провод), землю подключаем к пину “Gnd” (черный провод). Управление (белый провод) можно подключить к любому из свободных выходов, например к пину номер 2 (выходов контроллера 0 и 1 используются для связи по последовательному интерфейсу, поэтому использовать их не рекомендуется)

Для управления сервоприводом используется стандартынй класс Servo . Нам требуется процедура attach() , которая служит для инициализации сервопривода и write() , для управления его движением:

#include // Подключаем библиотеку для работы с сервоприводом

servo1.write(90); // Даем команду сервоприводу принять положение в 90 градусов,которое соответствует среднему положению

При запуске нашей программы подключнный сервопривод примет положение в 90 градусов. Если он уже в нем, то ничего не произойдет. Попробуем плавно поменять положение от минимального к максимальному:

Servo servo1; // Создаем один объект типа «сервопривод»

int angle = 0; // Переменная,в которой хранится положение сервопривода

servo1.attach(2); // Объясняем контроллеру, что управляющий провод сервопривода подключен к пину 2

В данной статье рассмотрим устройство, принцип работы, характеристики и габаритные размеры сервоприводов.

Определение понятия сервопривод

Сервопривод (следящий привод) — привод с управлением через отрицательную обратную связь, позволяющую точно управлять параметрами движения.
Сервоприводом является любой тип механического привода (устройства, рабочего органа), имеющий в составе датчик (положения, скорости, усилия и т. п.) и блок управления приводом (электронную схему или механическую систему тяг), автоматически поддерживающий необходимые параметры на датчике (и, соответственно, на устройстве) согласно заданному внешнему значению (положению ручки управления или численному значению от других систем).
Проще говоря, сервопривод является «автоматическим точным исполнителем» — получая на вход значение управляющего параметра (в режиме реального времени), он «своими силами» (основываясь на показаниях датчика) стремится создать и поддерживать это значение на выходе исполнительного элемента.

Используемые компоненты (купить в Китае):

Полезная вещь для проверки сервориводов

Разобравшись с определением перейдем к непосредственному разбору принципа работы сервопривода
Для большей наглядности сразу приведу схематичную картинку внутренностей сервопривода.

Приступим к разбору.
Для подключения к контроллеру от сервопривода тянется 3 провода обжатых чаще всего стандартным 3 пиновым разъемом с шагом 2.54мм (1). Цвета проводов могут варьироваться. Коричневый или черный - земля (минус), красный - плюс источника питания, оранжевый или белый - управляющий сигнал. Об управляющих сигналах расскажу чуть позже.
Итак, сигнал приходит на плату которая и будет данный сигнал преобразовывать в импульсы посылаемые непосредственно на двигатель (2). К ней мы вернемся чуть позже.
Наконец-то мы дошли до той детали, благодаря которой мы и можем считывать и задавать угол поворота сервопривода (3). В интернете нашел отличную GIFку демонстрирующую принцип работы потенциометра.

Принцип работы потенциометра прост. Потенциометр имеет 3 вывода. На крайние выводы подается плюс и минус питания (полярность не имеет значения), между выводами имеется резистивное вещество, по которому и движется ползунок соединенный со средним выводом. В нашем случае договоримся что на крайнем левом у нас плюс, на крайнем правом минус. Вращая крутилку из левого крайнего положения в крайнее правое положение мы увеличиваем сопротивление, а вместе с тем и уменьшаем напряжение от входного до условно минимального, которое будем снимать со среднего вывода. Значение минимального напряжения будет зависеть от величины максимального сопротивления у конкретно взятого потенциометра. В рассматриваемых нами сервоприводах чаще всего устанавливают потенциометры на 5 килоОм.
С устройством мы разобрались, теперь вернемся к сервоприводу. Крутилка сервопривода у нас состыкована с выходным валом сервопривода, следовательно при повороте выходного вала мы меняем значение на потенциометре. Условно примем входное напряжение (ручка потенциометра в крайнем правом положении) равное пяти вольтам, пускай при крайнем левом положении потенциометр погасит все напряжение и минимальное напряжение будет равным нулю, а в средней точке тогда у нас будет два с половиной вольта. Из данных условий у нас получается что при угле в 180° на выходе потенциометра у нас 5 вольт, при 90° 2,5 вольта, а при 0° 0 вольт. Для чего я это так подробно рассказываю? Возвращаемся снова к управляющей плате.
Сервопривод находится в положении 0°. На вход платы управления мы подаем управляющий сигнал который несет в себе информацию о повороте сервопривода на 90°. Электронная начинка платы считывает показания потенциометра, на потенциометре видит 0 вольт, а в программе забито что должно быть 2,5. Вот и весь смысл. Плата анализирует разницу, затем выбирает направление вращения мотора и будет вращать его до тех пор пока напряжение на выходе потенциометра не станет равным двум с половиной вольтам.
Едем дальше. Чтоб не листать страницу снова вверх, в поисках картинки, приведу её ещё раз.

Микромоторчик (4) не в состоянии развить мощное усилие на валу (момент), однако обладает высокой скоростью вращения. Для преобразования высокой угловой скорости с малым моментом в низкую с высоким, которая нам как раз и нужна, следует использовать редуктор. Редуктор представлен шестернями соединяющими вал моторчика и выходной вал (5). Шестерня с меньшим количеством зубцов ведет шестерню с большим. от этого снижается скорость но повышается момент, Более наглядно понять принцип работы редуктора можно взяв в руки сервопривод и попытаться повернуть качалку сервопривода. Сложно? Конечно, ведь с обратной стороны редуктор превращается в мультипликатор, механическое устройство которое наоборот преобразует низкооборотный мощный момент в высокооборотный слабый.

Основные характеристики сервоприводов:

. Усилие на валу

Усилие на валу, он же момент это один из самых важных показателей сервопривода и измеряется в кг/см. В характеристиках обычно указывается для двух вариантов напряжения питания, чаще всего для 4.8В и 6.0В.
Момент в 15 кг/см означает что сервопривод способен удержать неподвижно в горизонтальном положении качалку с плечом в 1 см и подвешенным к ней грузом массой 15 кг либо же удержать груз в 1 кг на качалке с плечом в 15 см.
Длина плеча качалки обратно пропорциональна массе удерживаемого груза. Для данного привода при длине в 2 см мы получим 7.5 кг, а уменьшив длину рычага до 0,5 см получим уже целых 30кг

. Скорость поворота

Скорость поворота также является одной из самых важных характеристик. Ее принято указывать во временном эквиваленте требуемом для изменения положения выводного вала сервопривода на 60°. Данную характеристику также чаще всего указывают для 4.8В и 6.0В.
Например характеристика 0.13сек/60° означает что поворот данной сервы на 60° может быть совершен минимум за 0.13 секунды.

. Тип сервоприводов

Цифровые либо аналоговые

. Напряжение питания

Для большинства хоббийных сервоприводов колеблется в диапазоне от 4.8 до 7.2В

. Угол поворота

Это максимальный угол на который может повернуть выходной вал. Сервоприводы по углам поворота в основном бывают на 180° и 360°.

. Сервопривод постоянного вращения

Выпускаются сервоприводы и постоянного вращения. Если нет возможности приобрести такой, но очень нужно, то можно переделать обычный сервопривод.

. Тип редуктора

Редукторы сервопривода выполняют из металла, карбона, пластика либо компонуют из металлических и пластиковых шестерней.

Пластиковые шестерни слабо выдерживают нагрузки и удары, зато обладают очень малым износом. Карбоновые прочнее пластиковых, но намного дороже. Металлические выдерживают большие нагрузки, удары, падения, однако износ у этого типа шестерней самый большой.
Также хочется отметить что и выходной вал на различных сервоприводах устанавливается по разному. На большинстве вал скользит на втулках скольжения, на более мощных сервоприводах уже используются шариковые подшипники.

Типоразмеры сервоприводов:

Сервоприводы делятся на 4 основных типоразмера. Далее приводятся типы сервоприводов с указанием веса и размеров. Размеры различных сервоприводов могут незначительно откланяться от приведенных ниже.

Микро: 24мм x 12мм x 24мм, вес: 8-10 г.

Мини: 30мм x 15мм x 35мм, вес 23-25 г.

Стандарт: 40мм x 20мм x 37мм, вес: 50-80 г.

Гигант: 49x25x40 мм, вес 50-90 г.

Цикл статей о сервоприводах:

Купить в России