Серводвигатели

Устройство сервоприводов постоянного тока

Как правило, сервоприводы постоянного тока используются в маломощных устройствах позиционирования. Классическая область их применения – робототехника.

Конструкция современных сервоприводов довольно проста, но при этом весьма эффективна, так как позволяет обеспечить максимально точное управление движением. Сервопривод состоит из:

• двигателя постоянного тока
• шестерни редуктора
• выходного вала
• потенциометра
• платы управления, на которую подается управляющий сигнал

Двигатель и редуктор образуют привод. Редуктор используется для снижения скорости вращения двигателя, которую необходимо адаптировать для практического применения. К выходному валу редуктора крепится необходимая нагрузка. Это может быть качалка, вращающийся вал, тянущие или толкающие механизмы.

Для того, чтобы угол поворота превратить в электрический сигнал, необходим датчик. Его функции в сервоприводе постоянного тока с успехом выполняет потенциометр. Он выдает аналоговый сигнал (как правило, от 0 до 10 В) с дискретностью, ограниченной АЦП (аналогово-цифровым преобразователем), на который поступает этот сигнал.

Самой важной деталью сервопривода, пожалуй, является электронная плата сервоусилителя, которая принимает и анализирует управляющие импульсы, соотносит их с данными потенциометра, отвечает за запуск и выключение двигателя.

Асинхронный серводвигатель

• Серводвигатели «Сервотехника» серии ST

Основные преимущества асинхронного серводвигателя от обычного общепромышленного асинхронного электродвигателя — это низкий момент инерции, высокие максимальные скорости и малый вес, что обеспечивает возможность его применения в сверхдинамичных системах. Принудительная вентиляция продлевает срок службы и позволяет использовать в тяжелых условиях на продолжительных высоких скоростях. Отсутствие необходимости использовать отдельный узел для крепления датчика обратной связи обеспечивает компактные размеры.

Высокие динамические характеристики за счет снижения статического и динамического рассогласования при использовании асинхронного серводвигателя в системе с ЧПУ позволяют получить малую контурную погрешность.

Далеко не на последнем месте при выборе типа двигателя стоит вопрос цены, в этом случае немаловажным аргументом является приемлемая стоимость. Благодаря вышеперечисленным качествам, асинхронный серводвигатель является самым массовым в промышленности.

Устройство асинхронного серводвигателя:

1. Фланец
2. Корпус
3. Статор
4. Задняя стенка
5. Энкодер
6. Крышка энкодера
7. Крышка вентилятора
8. Вентилятор
9. Подшипник
10. Вал
11. Ротор
12. Подшипник
13. Шпонка
14. Верх клеммной коробки
15. Блок клемм
16. Основание клеммной коробки
17. Выход энкодера
18. Крышка вентилятора
19. Выход вентилятора

Области применения

Металлургия, намоточные устройства, экструдеры, машины для литья пластмасс под давлением, оборудование для ЦБК, печатное оборудование, упаковочное оборудование, станки с ЦПУ, пищевая промышленность и производство напитков, текстильная промышленность, прессовое штамповочное оборудование, автомобильная промышленность.

Серводвигатели «Сервотехника» серии ST

Сервопривод крышки багажника

Современные автомобили большей частью выпускаются с автоматическим открыванием и закрыванием багажника. Для этого требуется установка сервопривода. Производители применяют 2 способа, чтобы обеспечить авто подобной опцией. Надежным вариантом является пневмопривод, но он стоит дороже. Электропривод управляется несколькими способами на выбор:

• с пульта;
• кнопка на дверной панели водителя;
• ручка на крышке багажника.

Ручное открывание не всегда удобное, особенно зимой, когда замок может замерзнуть. Сервопривод багажника совмещается с замком, что дополнительно защищает авто от несанкционированного проникновения.

Устройства применяются на иномарках, но при желании их можно установить на отечественных моделях. Предпочтительно использовать привод с электродвигателем.

Есть еще устройства с магнитными пластинами, но они сложней и применяются реже.

Самыми дешевыми являются электроприборы, предназначенные только для открывания. Можно подобрать привод багажника, состоящий из электродвигателя с инерционным механизмом, отключающийся при возникновении препятствия перемещению. Дорогие модели состоят из устройства подъема и опускания крышки, доводчика запорного механизма, контроллера и датчиков.

Установка и настройка сервопривода крышки багажника производятся на заводе, но простые устройства могут быть установлены своими руками.

Области использования устройства

В современном мире, когда автоматизация заняла прочные позиции во всех областях машиностроения, конструкция всех механизмов заметно унифицировалась. При этом применяются современные индивидуальные приводы.

Для того, чтобы понять, сервопривод, что это такое, следует знать сферу применения устройства.

Устройства содержат прецизионные конструкции поддержания скорости в промышленных роботах и станках с высокой точностью. Они монтируются на сверлильных оборудованиях, в различных системах транспорта и механизмах вспомогательного характера.

Самое широкое применение приборы нашли в следующих сферах:

• изготовление бумаги и упаковок;
• изготовление листов из металла;
• обрабатывание материалов;
• производство транспортного оборудования;
• деревообрабатывающая промышленность;
• изготовление стройматериалов.

Принцип работы

Принцип действия устройств основан на использовании импульсного сигнала, который имеет три важные характеристики – частоту повторения, минимальную и максимальную продолжительность. Именно продолжительность импульса определяет угол поворота двигателя.

Импульсные сигналы, получаемые сервоприводом, имеют стандартную частоту, а вот их продолжительность в зависимости от модели может составлять от 0,8 до 2,2 мс. Параллельно с поступлением управляющего импульса активируется работа генератора опорного импульса, который связан с потенциометром. Тот, в свою очередь, механически сопряжен с выходным валом и отвечает за корректирование его положения.

Электронная схема анализирует импульсы с учетом длительности и на основе разностной величины определяет разницу между ожидаемым (заданным) положением вала и реальным (измеренным при помощи потенциометра). Затем производится корректировка путем подачи напряжения на питание двигателя.

Управление сервоприводом SG90 без микроконтроллера

Попался под руку популярный недорогой сервопривод SG90. И задумалось управлять им, но без микроконтроллера. В этой статье я изложу ход мыслей разработчика при реализации одного из вариантов решения.

Идея

Надо управлять сервоприводом, но без микроконтроллера.

Знания

Всем известно, что опыт и знания помогают творить и находить решения. На страницах Гиктаймса немало примеров использования сервопривода с применением контроллеров. В них подробно рассказано про систему управления сервоприводом. Примем этот опыт других разработчиков за знания необходимые нам для решения задачи. Сервопривод SG90 управляется ШИМ сигналом, параметры которого определяют положение ротора. Период ШИМ около 20 мС, длительность сигнала управления от 500 до 2100 мкС.

Задача

Идея и знания порождают задачу, которую необходимо решить. Сформулируем задачу для воплощения идеи. Это что-то вроде Технического Задания. Кажется, все просто, надо взять генератор импульсов с изменяемой скважностью, подключить питание к сервоприводу, а с генератора подать управляющий сигнал. Особо отметим, что в требованиях есть изменения скважности — то есть должны быть органы управления или пользовательский интерфейс.

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.

Основные положения устройства

Если продолжительность опорного и управляющего импульсов совпадает, наступает так называемый нулевой момент. В это время двигатель сервопривода не работает, вал привода находится в исходном (неподвижном) положении.

При увеличении длительности управляющего импульса плата фиксирует разбежку показателей, двигатель получает напряжение и приходит в движение. В свою очередь, редуктор начинает воздействовать на выходной вал, который поворачивается таким образом, чтобы достигнуть увеличения продолжительности опорного импульса. Как только он сравняется с управляющим импульсом, двигатель прекратит свою работу.

При уменьшении длительности управляющего импульса происходит все то же самое, только с точностью до наоборот, так как двигатель начинает вращаться в обратную сторону. Как только импульсы сравнялись, двигатель останавливается.

Применение

Сервоприводы применяются для точного (по датчику) позиционирования (чаще всего) приводимого элемента в автоматических системах:

• управляющие элементы механической системы (заслонки, задвижки, углы поворота)
• рабочие органы и заготовки в станках и инструментах

Сервоприводы вращательного движения используются для:

• Промышленных роботов.
• Станков с ЧПУ.
• Полиграфических станков.
• Промышленных швейных машин.
• Упаковочных станков.
• Приборов.
• Авиамоделирования.

Сервоприводы линейного движения используются, например, в автоматах установки электронных компонентов на печатную плату.

Серводвигатель

Сервомотор для авиамоделизма
Серводвигатель — сервопривод с мотором, предназначенный для перемещения выходного вала в нужное положение (в соответствии с управляющим сигналом) и автоматического активного удержания этого положения.

Серводвигатели применяются для приведения в движение устройств управляемых поворотом вала — как открытие и закрытие клапанов, переключатели и так далее.

Важными характеристиками сервомотора являются динамика двигателя, равномерность движения, энергоэффективность.

Серводвигатели широко применяются в промышленности, например, в металлургии, в станках с ЧПУ, прессо-штамповочном оборудовании, автомобильной промышленности, тяговом подвижном составе железных дорог.

В основном в сервоприводах использовались 3-полюсные коллекторные двигатели, в которых тяжелый ротор с обмотками вращается внутри магнитов.

Первое усовершенствование, которое было применено — увеличение количества обмоток до 5. Таким образом, вырос вращающий момент и скорость разгона. Второе усовершенствование — это изменение конструкции мотора. Стальной сердечник с обмотками очень сложно раскрутить быстро. Поэтому конструкцию изменили — обмотки находятся снаружи магнитов и исключено вращение стального сердечника. Таким образом, уменьшился вес двигателя, уменьшилось время разгона и возросла стоимость.

Ну и наконец, третий шаг — применение бесколлекторных двигателей. У бесколлекторных двигателей выше КПД, так как нет щёток и скользящих контактов. Они более эффективны, обеспечивают большую мощность, скорость, ускорение, вращающий момент.

Конструкции щеточных и бесщеточных серводвигателей

Мы предлагаем рассмотреть основные различия в устройстве коллекторного и бесколлекторного серводвигателя, чтобы понять их преимущества и недостатки. Оба представляют собой электрические моторы, состоящие из ротора (вращающейся части) и статора (неподвижной части). Источником энергии для них служит электричество, подаваемое с трансформатора станка.

Щеточный электромотор

В статоре простейшего щеточного электродвигателя находится пара постоянных магнитов с противоположной полярностью. На его роторе, по бокам от оси, находятся две катушки с витками, намотанными в противоположные стороны. При подаче электричества катушки превращаются в электромагниты с разной полярностью. Притяжение между постоянными магнитами и электромагнитами, которые объясняются силой Лоренца, заставляет ротор вращаться. При их максимальном сближении силы Лоренца ослабевают, а ротор останавливается. Чтобы вращение продолжалось, в момент сближения магнитов происходит переключение полярности обмоток. Ближайшие друг к другу постоянный и электрический магниты уже имеют одноименную полярность, и вращение продолжается за счет их отталкивания. Если такое изменение полярности будет происходить циклически, вращение ротора будет продолжаться, а двигатель будет совершать полезную работу.

За переключение полярности обмоток отвечает коллекторно-щеточный узел. Он состоит из двух элементов:

Коллектор— токопроводящее кольцо, разделенное на сегменты изоляторами. Чаще всего изготавливается из медной проволоки. В роторах большинства щеточных моторов намотано несколько пар катушек, каждая из них подключена к «своим» сегментам на кольце.Щетки— проводники, к которым подводится сетевое питание.

Щетки закреплены на статоре неподвижно и пожимаются пружинами к коллектору. Коммутация (переключение обмоток) выполняется при проворачивании ротора: щетки последовательно соприкасаются с сегментами коллектора.

Щетки изготавливаются из графита, медно-графитного или медно-серебряного сплавов. Они являются самосмазывающимися, то есть имеют сравнительно невысокий коэффициент трения. Эксплуатация коллекторного двигателя требует регулярного осмотра коллекторно-щеточного узла. Щетки — изнашиваемые детали, которым требуется замена с определенной периодичностью. Нарушение электрического контакта при выработке приводит к искрению. Силы трения, возникающие в узле, несколько снижают КПД привода, приводят в нагреву, а для его охлаждения на вал ротора устанавливают крыльчатку (центробежный вентилятор).

Главное преимущество щеточного мотора — простота в управлении. Для них не нужно создавать сложных электронных систем. Мотор отличается сравнительно невысокой стоимостью и при регулярном обслуживании работает стабильно.

Бесщеточный электромотор

В бесщеточном серводвигателе постоянные магниты установлены на роторе, а катушки электромагнитов — на статоре. Чтобы полюса постоянно находились в оппозиции, обмотки статора коммутируются электронными ключами. Питание на катушки подается последовательно, и за согласование магнитные полей постоянного и электрического магнитов отвечает датчик положения, также называемый датчиком Холла. Это общий принцип работы для всех бесщеточных серводвигателей: постоянного и переменного тока.

Ключевое преимущество этого вида моторов заложено в отсутствии изнашиваемых токоведущих частей. Фактически ресурс такого электродвигателя ограничен расчетным сроком службы подшипников. Из-за отсутствия коллекторного узла размеры и вес бесщеточного мотора меньше в сравнении со щеточным аналогичной мощности. Из-за отсутствия трения возможна работа на более высоких частотах вращения. Двигатели без коллектора отличаются более низким уровнем шумов, могут работать в условиях запыленности, в атмосфере горючих газов.

Управление скоростью реализовано на базе электронного регулятора хода. В отличие от щеточных моторов, где для ограничения частоты вращения используется обычный резистор, переводящий избыточную мощность в тепло, здесь нет нагрева.

Сервопривод на основе бесщеточного двигателя имеет свои недостатки:

• требует организации более сложной системы управления на основе контроллера;
• стоит дороже.

Большинство бесколлекторных двигателей имеет трехфазное питание и три датчика положения (по одному на фазу).

Сервопривод переменного тока

В сервоприводах переменного тока используется синхронный двигатель с мощными постоянными магнитами. В таких двигателях частота вращения ротора совпадает с частотой вращения магнитного поля, наводимого в обмотке статора.

Принцип работы сервопривода на основе трехфазного синхронного электродвигателя состоит в следующем. На обмотки статора поступает трехфазное напряжение, которое создает внутри него вращающееся магнитное поле. Это поле взаимодействует с постоянными магнитами, расположенными в роторе. В результате ротор вращается с частотой магнитного поля.

На валу ротора закреплен энкодер с высокой разрешающей способностью. Сигнал от него поступает по отдельному кабелю на специальный вход сервоусилителя. В то же время на управляющий вход сервоусилителя подается сигнал управления. В результате сравнения этих двух сигналов выделяется сигнал рассогласования, величина которого прямо пропорциональна разнице между целевыми и актуальными показателями вращения двигателя. На основании данного сигнала формируется трехфазное напряжение с такими параметрами, которые обеспечивают максимально быстрое уменьшение рассогласования до нуля.

Пример использования MG995

В качестве примера рассмотрим использование сервопривода для управления клешней для захвата банок 0.33 л. в качестве экрана часов.

Нам потребуются следующие компоненты:

• Плата Arduino Uno – 1 шт
• Плата прототипирования – 1 шт
• Сервопривод MG995 – 1 шт
• Робоклешня – 1 шт
• Потенциометр 10кОм
• Блок питания 5В – 1 шт
• Провода

Схема соединения элементов показана на рис. 3.

Рисунок 3. Подключение клешни с сервоприводом к плате Arduino.

Рисунок 4. Схема в сборе.

Поворотом потенциометра, и соответственно поворотом сервопривода будем захватывать и отпускать банку.

Технические характеристики

При выборе конкретной модели сервопривода необходимо руководствоваться основными техническими параметрами, которые изготовитель указывает в паспорте устройства.

Наиболее значимыми характеристиками сервомотора являются:

• Усилие на валу серводвигателя – определяет механический момент и способность перемещать определенный вес, создавать усилие при резке, фрезеровке и т.д.

Рис. 6. Усилие на валу

• Скорость вращения – показывает, сколько поворотов вала может совершить устройство за единицу времени.
• Величина питающего напряжения – чаще всего электроснабжение сервопривода выполняется постоянным током, хотя встречаются модели и с переменным током выходного напряжения. Подключение питания к сервоприводу осуществляется тремя проводами: питающим, управляющим и общим.
• Угол вращения сервопривода – поворот выходного элемента, как правило, выпускается на 180° и 360°.
• Скорость поворота – подразделяется на сервоприводы с постоянным вращением и с переменной частотой.

Крутящий момент.

Одна из двух основных характеристик. Крутящий момент (усилие на валу) – фактор, отвечающий за меру вращающей силы, приложенной к физическому телу(какой вес способен удержать привод в горизонтальном положении на рычаге с заданным параметром длины). Крутящий момент бывает номинальный(сервопривод может работать с таким моментом, приложенным к валу, любое количество времени) и пиковым(кратковременно увеличенным, что достигается дополнительной закачкой тока в обмотки мотора). При работе с моментом, превышающим номинальный, идет повышенный нагрев двигателя и ключей драйвера, и длительная работа(более нескольких секунд) может вывести привод из строя. Именно по моменту смотрят, пригоден ли сервопривод для выполняемой задачи, сможет ли он вращать то, что должен вращать. Момент разные сервоприводы выдают по разному, он может быть примерно постоянным на всем спектре оборотов, или падать на малых оборотах, или наоборот, на больших. Крутящий момент обеспечивается током в обмотках, и большинство сервоприводов могут кратковременно выдавать на вал момент больше номинального, указанного в паспорте, но очень недолго, чтобы не перегреть обмотки статора.

Как управлять цифровым сервоприводом?

Приводы подключаются к программируемым контроллерам, среди которых хорошо известен Arduino. Подключение к его плате производится тремя проводами. По двум подается питающее напряжение, а по третьему - управляющий сигнал.

Инструкция сервопривода с цифровым управлением предусматривает наличие в контроллере простой программы, позволяющей считывать с потенциометра показания и переводить их в число. Затем оно преобразуется в команду передачи на поворот вала сервопривода в заданное положение. Программа записывается на диске, а затем передается на контроллер.

Применение приборов высокого качества необходимо в оборудовании, отличающемся высоким уровнем производительности.

Режимы управления

Существуют три основных режима работы сервопривода переменного тока.

Режим управления положением.

Главное в этом режиме – контроль за углом поворота вала ротора. Управление производится последовательностью импульсов, которые могут приходить, например, с контроллера. Этот режим используется для точного позиционирования различных узлов технологического оборудования.

Комбинация импульсов для управления положением может передавать информацию не только по положению, но также по скорости и направлению вращения двигателя. Для этого могут использоваться три типа сигналов: 1) квадратурные импульсы (со сдвигом фаз на 90 градусов), 2) импульсы вращения по или против часовой стрелки, действующие поочередно и 3) импульсы скорости и потенциал направления, подающиеся на два входа.

Как правило, во всех сервоусилителях входы управления именуются как PULSE, SIGN.

Режим управления скоростью.

В данном случае управление производится аналоговым сигналом. Значения скорости также могут переключаться на фиксированные величины подачей сигналов на соответствующие дискретные входы. В случае использования разнополярного аналогового управляющего сигнала возможна смена направления вращения серводвигателя.

Режим управления скоростью схож с работой асинхронного двигателя, управляемого преобразователем частоты. Задаются такие параметры, как время разгона и замедления, максимальная и минимальная скорости и другие.

Режим управления моментом.

В этом режиме двигатель может вращаться либо стоять на месте, но при этом момент на валу будет заданным. Управление может производиться дискретным либо аналоговым двухполярным сигналом. Этот режим может использоваться для машин, где необходимо менять усилие прижима, давление и т. п.

Оценка текущего момента двигателя, необходимого для управления, производится за счет встроенного датчика тока.

Сервопривод. Жизнь после смерти.

Перечень терминов и сокращений.РУ – радиоуправление – совокупность аппаратных и программных средств для управления моделями по радиоканалу СП – сервопривод РРМ – сигнал управления (Pulse Position Modulation). В статье упоминается с числом, которое обозначает часть диапазона регулирования управляющего органа аппаратуры РУ (например, ход стика или поворота «крутилки» от минимума до максимума), например 30%РРМ = 30% диапазона регулирования от начала диапазона. Для удобства «привязки к ручкам». ДП – датчик положения ТОЧКА НЕЙТРАЛИ – такое положение ДП, при котором на выходе контроллера отсутствует напряжение ШИМ – широтно-импульсная модуляция ИМС – интегральная микросхема Очень краткий экскурс в теорию. СП, как известно, представляет собой электродвигатель (рассматриваем традиционные электрические СП, используемые моделистами) и редуктор. Электродвигателем управляет контроллер СП в соответствии с заданием, выданным с аппаратуры РУ в %РРМ. Конструктивно электродвигатель, редуктор и контроллер находятся в одном корпусе. Источником управляющего сигнала, как правило, является приемник аппаратуры РУ или специальное устройство – сервотестер. В недорогих СП (к слову, которые использует в своих моделях подавляюще число моделистов) применяется коллекторный электродвигатель постоянного тока. Вот об этих СП и пойдет речь.

Чтобы извлечь контроллер из корпуса сервопривода необходимо вывернуть четыре винта с нижней стороны корпуса (1), снять крышки редуктора (2) и контроллера (3).

Удалить шестерни, отпаять и удалить электродвигатель, не повреждая контроллер и ДП, в качестве которого применяется переменный резистор сопротивлением 5 кОм.

Конструктивно ДП впаян в плату контроллера таким образом, что их разделяет внутренний конструктивный элемент корпуса СП — два выступа по бокам и просто так эти элементы удалить из корпуса не удастся (во всяком случае в СП, имеющейся у меня модификации так и было).

Для удаления из корпуса сервопривода ДП и контроллера необходимо зафиксировать неподвижно шток ДП, например, зажать его в тиски. Далее, слегка «натягивая» корпус СП в сторону контроллера и одновременно прогревая паяльником места пайки контактов ДП на плате контроллера, выпаять ДП из платы и вынуть его из корпуса СП (останется в тисках). Только после этого можно будет достать из корпуса СП сам контроллер. При этом, сохранение целостности ДП не является приоритетной задачей, ибо в своем изначальном качестве он уже не нужен и для дальнейших творческих изысканий может быть заменен любым переменным или подстроечным резистором того же или близкого номинала. В случае если не удастся подобрать постоянный резистор сопротивлением из стандартного ряда, можно «подогнать» ближайший номинал, постепенно счищая «наждачкой» графитовый слой и замеряя получившееся сопротивление. Можно также оставить переменный резистор, заменив его на «многооборотный» прецизионный. Ближайший в ряду российский номинал – 5.1 кОм. Либо использовать триммер канала на пульте РУ.

Контроллер выполнен в виде печатной платы размером около 10х15мм с впаянными в нее радиокомпонентами.

Он имеет один вход управления для сигнала РРМ и два выхода (назовем их «А» и «В»). Выходы являются инверсными по отношению друг к другу в виду того, что СП по сути является реверсивным. Сигнал на обоих выходах – ШИМ. Нагрузочная способность выходов контроллера позволяет подключать к ним микроэлектродвигатель напрямую, что и сделано производителем. На самом деле, ИМС, применяемая в контроллере этого СП, имеет больше двух выходов, но в статье будет рассматриваться применение именно выходов, к которым производитель СП подключил микроэлектродвигатель. Малый размер платы и удобное расположение контактных «пятачков» и отверстий для внешних связей дает возможность припаять к плате «ножки» и использовать ее как единый радиокомпонент на Вашей печатной плате. Ну вот, контроллер и ДП (если испортили ДП при пайке, то любой переменный или подстроечный резистор того же или близкого номинала) у нас на столе. Что дальше?

Припаиваем ДП к контроллеру. Для этого лучше использовать соединительные проводники, а не устанавливать ДП непосредственно на плату. С помощью ДП впоследствии можно установить точку нейтрали по отношению к %РРМ, исходя из решаемой задачи, как это сделать – см. ниже.

Чтобы избежать дрейфа точки нейтрали из-за невысокого качества переменного резистора, после окончательной настройки этого параметра рекомендую заменить переменный резистор на два постоянных резистора, сопротивление которых равно сопротивлению каждого плеча ДП соответственно.

Контроллер необходимо дополнить силовыми ключами. Тип элементов и схемотехника силовых ключей могут быть различны и ограничиваются решаемыми задачами, размерами, весом и… навыками Исполнителя. Применение внешних силовых ключей позволяет создавать регуляторы и коммутаторы с нагрузочной способностью в десятки и сотни ампер. Так же, теоретически, нет ограничений по напряжению питания ведомых устройств.

ПРИМЕЧАНИЕ: Для всех творческих изысканий в качестве источника управляющего РРМ-сигнала используется сервотестер, аналогичный этим:

Удобно выставлять нейтраль одним нажатием кнопки на сервотестере, но я не уверен, что это именно нейтраль – навряд ли китайцы калибруют сервотестеры ))). В части визуализации положения управляющих органов при том или ином %РРМ, на мой взгляд, лучше использовать для настройки реальную аппаратуру РУ.

Указанные на схемах номиналы и типы элементов приведены для примера (использовались в испытаниях) и могут быть заменены на другие, исходя из целей и задач.

Вопросы размеров и веса конечных устройств в статье не рассматриваются. Варианты использования контроллера.

1. Реверсивный регулятор оборотов двигателя постоянного тока.

Настройка. Устанавливаем с помощью ДП точку нейтрали контроллера в 50%РРМ, для чего устанавливаем регулятор сервотестера в середину диапазона регулирования (в случае использования реальной аппаратуры РУ – управляющий орган (стик, «крутилка» и т.п.) соответствующего канала). При этом подключенный к регулятору двигатель может произвольно вращаться. Вращая ось ДП добиваемся полной остановки двигателя. При наличии вольтметра – контролируем отсутствие напряжения на выходе регулятора. Отключаем питание регулятора, отпаиваем ДП от платы контроллера, замеряем сопротивление каждого плеча. Впаиваем на место ДП в плату контроллера постоянные резисторы с сопротивлением, равным сопротивлению каждого плеча ДП соответственно. При необходимости поменяйте местами выходы контроллера либо полярность подключения крайних выводов ДП на плате контроллера. Данный регулятор работает с электродвигателями постоянного тока, которые при смене полярности питающего напряжения изменяют направление вращения якоря.

Соотношение диапазона регулирования %РРМ и диапазона регулирования регулятора:

Как видно из диаграммы, диапазон регулирования контроллера СП составляет 50% от диапазона %РРМ в каждую сторону.

2. Нереверсивный регулятор оборотов двигателя постоянного тока.

Настройка. Устанавливаем с помощью ДП точку нейтрали контроллера в 0%РРМ, для чего устанавливаем регулятор сервотестера в начало диапазона регулирования (в случае использования реальной аппаратуры РУ – управляющий орган (стик, «крутилка» и т.п.) соответствующего канала). При этом подключенный к регулятору двигатель может произвольно вращаться. Вращая ось ДП добиваемся полной остановки двигателя. При наличии вольтметра – контролируем отсутствие напряжения на выходе регулятора. Отключаем питание регулятора, отпаиваем ДП от платы контроллера, замеряем сопротивление каждого плеча. Впаиваем на место ДП в плату контроллера постоянные резисторы с сопротивлением, равным сопротивлению каждого плеча ДП соответственно.

Соотношение диапазона регулирования %РРМ и диапазона регулирования:

Отмечу, что, так как диапазон регулирования контроллера СП составляет 50% от диапазона %РРМ в каждую сторону, регулирование оборотов будет возможно от 0%РРМ до 50%РММ. При 50%РРМ обороты двигателя достигнут максимальных и далее расти не будут (см. диаграмму).

При необходимости поменяйте местами выходы контроллера либо полярность подключения крайних выводов ДП на плате контроллера.

3. Регулятор яркости фар/фонарей и т.п.

Вариант 1.

Вариант 2 (инверсное регулирование яркости).

Настройка. Описание настройки не привожу – она аналогична регуляторам для электродвигателя (см. выше) с той лишь разницей, что к выходу подключены лампочки накаливания, а не электродвигатель. Вы можете самостоятельно попробовать установку точки нейтрали в разных точках диапазона регулирования с тем, чтобы выбрать оптимальную для Вашей задачи. При необходимости поменяйте местами выходы контроллера либо полярность подключения крайних выводов ДП на плате контроллера.

Как показали эксперименты у отдельных регуляторов (из двух проявилось у одного) в крайних точках лампочки слегка мерцают, что обусловлено наличием импульсов ШИМ, следующих с низкой частотой. Мерцание можно устранить, включив электролитический конденсатор емкостью 4.7-10мкф 16В между затвором и истоком ключевого транзистора (см. вариант коммутатора ниже), однако это приводит к нагреву транзистора при больших токах и необходимости установки его на радиатор (во время испытаний ток через транзистор был около 2А) вследствие перехода в другой режим работы. Так же несколько сужается диапазон регулирования.

4. Коммутатор

Коммутатор может найти применение, например, в качестве дистанционного выключателя световых приборов модели. Так же его можно использовать в аппаратных миксах с другими каналами, например, когда, скажем, при 25% газа нужно включить/отключить фары. Смещая точку нейтрали можно задавать различное значение %РРМ, при котором коммутатор изменит свое состояние.

Настройка. Устанавливаем регулятор сервотестера в 25% (цифра для примера) от начала диапазона регулирования (в случае использования реальной аппаратуры РУ – управляющий орган (стик, «крутилка» и т.п.) соответствующего канала). При этом состояние коммутатора может быть произвольным.

Вращая ось ДП добиваемся отключения реле, а затем вращением ДП в обратную сторону добиваемся включения реле. Если реле отключено, то вращаем ДП до момента включения реле. Это и будет порог срабатывания на уровне 25%РРМ.

Отключаем питание коммутатора, отпаиваем ДП от платы контроллера, замеряем сопротивление каждого плеча. Впаиваем на место ДП в плату контроллера постоянные резисторы с сопротивлением, равным сопротивлению каждого плеча ДП соответственно. Ключ управления реле и само реле выбираются, исходя из целей и задач.

При необходимости поменяйте местами выходы контроллера либо полярность подключения крайних выводов ДП на плате контроллера.

Печатная плата не разрабатывалась, так как сама плата требует наличие места и объема. Обычно практикую навесной монтаж в термоусадке с формой конечного изделия под конкретное место в корпусе. Прочность монтажа приемлемая. Возможный вариант компоновки одного из регуляторов может быть таким (просто пример):

Для тех, кто не очень знаком с электроникой привожу фото соединений компонетов простого регулятора яркости лампочки накаливания (питание контроллера СП от сервотестера/приемника; красный (+) и черный (-) провода на фото, уходящие вправо — силовое питание 12В).

Используется транзистор NDP7050. У других транзисторов расположение выводов может быть другим, просто найдите в Сети даташит (datasheet) на имеющийся у Вас транзистор — там обычно все расписано/разрисовано, например ‌ ‌ https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/54154/FAIRCHILD/NDP7050.html ‌ Ориентироваться можно на обозначения выводов G, D, S, сопоставляя их с приведенным на фото.

Электронщики же должны сами знать как-где-что искать ))))

Процесс рекуперации

Рекуперация происходит при изменении направления (знака) момента нагрузки по отношению к вращающему моменту серводвигателя. Если энергия рекуперации невелика, она накапливается на конденсаторах звена постоянного тока, повышая напряжение на них.

Если разница абсолютных значений моментов нагрузки и серводвигателя составляет значительную величину, напряжение на конденсаторах шины постоянного тока может превысить пороговый уровень. В этом случае энергия рекуперации сбрасывается в тормозной резистор.

Другие полезные материалы:

Выбор оптимального типоразмера электродвигателя Сервопривод или шаговый двигатель? Принципы программирования ПЛК

Функции современных сервоприводов

Большинство сервоприводов поставляют в виде готовых систем сервоусилитель-датчик- двигатель. Крупные производители, например Mitsubishi Electric, Schneider Electric предлагают сервисы выбора совместимых элементов.

Современные сервоприводы обеспечивают не только точное полеориентированное управление. Устройства:

• Могут встраиваться в АСУТП любой сложности, а также поддерживают автономное управление. Оборудование обеспечивает связь по унифицированным цифровым, аналоговым сигналам, безпотенциальным контактам, интерфейсам CANopen, PROFIBUS DP, RS 485, DeviceNet, EtherCAT, Modbus TCP, Ethernet Powerlink и другим.
• Легко осваиваются пользователями. Настройка устройств не представляет сложности, управление имеет интуитивно понятный интерфейс. Сервоприводы уже укомплектованы заводским ПО, имеет функции автоматического распознавания внешнего оборудования. При необходимости можно скачать нужные программы или обновить их с сервера производителя.
• Можно масштабировать и модернизировать. Ряд сервоприводов промышленного назначения имеет отрытую архитектуру. Оборудование легко адаптируется путем установки дополнительных элементов: датчиков, модулей и других.
• Имеют защиту от ненормальных режимов работы. Сервоприводы обеспечивают отключение при превышении допустимого значения тока, колебаний или отключения напряжения в сети, перегрузок при динамическом торможении. Оборудование также имеет защиту от перегрева электродвигателя, ошибок датчика, превышения допустимого рассогласования. Для поиска причины возникновения ненормального режима сервоприводы автоматически записывают время и дату аварии, код предположительной причины.

Современные сервосистемы отличаются разнообразием. Выпускают устройства для несложного оборудования с алгоритмом управления по 1оси, до сложных роботов с многоосевым управлением.

Вид привода.

Вид сервопривода это его основная качественная характеристика. В завимости от рассматриваемого аспекта, сервоприводы могут быть синхронные и асинхронные, щеточные и бесщеточные. Каждый вид сервоприводов обладает своими преимуществами.

[spoiler title="Источники"]

• https://intech-irk.ru/montazh/servodvigatel-chto-eto-takoe.html
• http://www.servotechnica.spb.ru/servomotor/
• https://LesSale.ru/glavnoe/chto-takoe-servomotor.html
• https://GorGaznn.ru/novosti/princip-raboty-servoprivoda.html
• https://www.multicut.ru/articles/konstruktsiya-servodvigatelya-kollektornyy-ili-besshchetochnyy/
• https://RkzSp.ru/informbyuro/servodvigatel-postoyannogo-toka.html
• https://www.asutpp.ru/chto-takoe-servoprivod.html
• https://principraboty.ru/servodvigatel-princip-raboty/
• https://drives.ru/stati/servodvigateli-princip-raboty/

[/spoiler]