Серводвигатель — это двигатель с замкнутым контуром управления, который самостоятельно измеряет и корректирует свою скорость и положение. Энкодер на конце вала непрерывно измеряет текущий угол и частоту вращения; сервопривод сравнивает эти данные с заданной командой и при наличии отклонения мгновенно корректирует ток. Благодаря такой обратной связи двигатель может удерживать заданное положение с точностью порядка одной тысячной градуса даже при изменении нагрузки. Именно поэтому серводвигатели применяются в станках с ЧПУ, роботизированных манипуляторах, упаковочных машинах и всех автоматизированных линиях, где требуется точное позиционирование.
Что такое серводвигатель?
Серводвигатель — это не отдельный компонент, а система, элементы которой работают совместно. Система состоит из трех основных компонентов:
- Корпус двигателя: Конструкция ротора, как правило с постоянными магнитами, рассчитанная на низкую инерцию и быстрый отклик.
- Энкодер (устройство обратной связи): Датчик, измеряющий угловое положение и частоту вращения вала и способный формировать тысячи импульсов за один оборот.
- Сервопривод: Блок управления, который принимает команду, сравнивает ее с данными энкодера и за миллисекунды корректирует ток, подаваемый на двигатель.
Обычный асинхронный двигатель после включения просто вращается; он не знает, насколько повернулся и остановился ли в нужной точке. Отличительная особенность серводвигателя — способность измерять и корректировать собственное движение. Поэтому серводвигатель правильнее определять не столько как «двигатель, создающий мощность», сколько как «систему управления движением».
Как работает серводвигатель?
В основе принципа работы лежит управление с замкнутым контуром . В системе с разомкнутым контуром команда подается и предполагается, что результат будет правильным; в замкнутом контуре результат измеряется, а при наличии ошибки она сразу корректируется.
Цикл выполняется в следующей последовательности:
- Команда. ПЛК или блок управления передает сервоприводу заданное положение, скорость или крутящий момент.
- Движение. Сервопривод подает ток на двигатель и начинает вращать вал.
- Измерение. Энкодер непрерывно передает сервоприводу фактическое положение вала.
- Сравнение. Сервопривод вычисляет разницу между заданным и фактическим значением. Эта разница называется сигналом ошибки.
- Коррекция. Ток увеличивается или уменьшается до тех пор, пока ошибка не станет равной нулю. Цикл повторяется тысячи раз в секунду.
На практике это выглядит так: когда нагрузка на машину возрастает, например когда транспортная тележка принимает тяжелую деталь, двигатель начинает замедляться. Энкодер обнаруживает замедление за миллисекунды, сервопривод увеличивает ток, и скорость остается постоянной. То же происходит при остановке: двигатель останавливается под заданным углом и продолжает создавать крутящий момент, удерживая это положение, если внешняя сила пытается повернуть вал. Это называется удерживающим моментом.
Сервосистемы могут выполнять этот цикл в трех режимах: управление положением (перейти в заданную точку), управление скоростью (вращаться с заданной скоростью) и управление крутящим моментом (создавать заданное усилие). В зависимости от задачи выбирается один режим либо несколько режимов используются последовательно.
Виды серводвигателей
По типу питания серводвигатели делятся на две основные группы. Оба типа работают по одному и тому же принципу обратной связи; различие заключается в электрической конструкции двигателя.
| Сравнение | Серводвигатель AC | Серводвигатель DC |
|---|---|---|
| Конструкция | Бесщеточный; коммутация выполняется электронно | Преимущественно щеточный; механическая коммутация |
| Необходимость обслуживания | Низкая; изнашиваемых щеток нет | Щетки и коллектор периодически заменяются |
| Диапазон мощности | От сотен ватт до десятков киловатт | Как правило, малая и средняя мощность |
| Сложность управления | Требует современного сервопривода | Более простая конструкция привода |
| Типичное применение | Промышленная автоматизация, ЧПУ, робототехника | Аккумуляторные и мобильные системы, лабораторные установки |
Сегодня в промышленном оборудовании преимущественно используются бесщеточные серводвигатели AC; отсутствие необходимости в частом обслуживании на непрерывно работающих линиях является важным преимуществом. Серводвигатели DC чаще применяются в низковольтном мобильном оборудовании; для сравнения может быть полезна наша статья о характеристиках двигателей DC 24 В . В сетевых приложениях с постоянной скоростью вместо сервопривода более экономичной альтернативой являются мотор-редукторы AC .
Области применения серводвигателей
Серводвигатель используется везде, где важно не только само движение, но и точно где и с какой скоростью оно происходит.
Станки с ЧПУ. При механической обработке траектория режущего инструмента задается с микронной точностью. В приводах осей серводвигатель удерживает заданную координату даже при изменении силы резания. Для линейного перемещения оси он часто используется вместе с реечным механизмом .
Робототехника и манипуляторы. Каждый сустав роботизированной руки представляет собой отдельную сервоось. Точное положение конечной точки манипулятора зависит от синхронной работы всех суставов.
Упаковочные и фасовочные машины. Подача пленки, режущий нож и дозирующий узел должны работать синхронно. На линиях, выпускающих сотни упаковок в минуту, отклонения в несколько миллисекунд приводят к браку. Бумага и упаковка — одна из областей, где сервоприводы применяются наиболее интенсивно.
Текстильные машины. Постоянное натяжение нити, управление рисунком и синхронизация подачи обеспечиваются сервоосями. Текстиль — область, где режим управления крутящим моментом особенно востребован.
Общие автоматизированные линии. Станции маркировки, укладки, резки, позиционирования и переноса работают на сервоприводах. Информацию об архитектуре системы и коммуникациях можно найти на нашей странице автоматизация .
Связь серводвигателя и редуктора
Серводвигатели работают на высокой скорости и при сравнительно небольшом крутящем моменте. Большинству машин на практике требуется обратное: низкая скорость и высокий крутящий момент. Этот разрыв компенсирует редуктор, и в сервосистемах он является не аксессуаром, а частью системы.
Редуктор дает сервосистеме четыре основных преимущества:
| Преимущество | Результат в системе |
|---|---|
| Увеличение крутящего момента | Крутящий момент увеличивается пропорционально передаточному отношению, что позволяет выбрать двигатель меньшего размера с меньшим потреблением тока |
| Снижение скорости | Высокая скорость, при которой двигатель работает эффективно, снижается до рабочей скорости, необходимой машине |
| Согласование инерции | Инерция нагрузки, приведенная к двигателю, уменьшается пропорционально квадрату передаточного отношения; система работает стабильнее и с меньшими вибрациями |
| Повышение разрешения | Каждый градус на валу двигателя соответствует меньшему углу на выходном валу после деления на передаточное отношение |
Согласование инерции — один из наиболее часто упускаемых аспектов в сервоприводах. Если инерция нагрузки значительно больше инерции двигателя, система начинает колебаться, увеличивается время установления, а машина вибрирует, пока обратная связь энкодера постоянно пытается компенсировать ошибку. Правильно выбранное передаточное отношение устраняет проблему в ее источнике.
Предпочтительным типом для сервоприводов является планетарный редуктор. Причина заключается в конструкции: нагрузка распределяется между несколькими сателлитами, а не передается через одну пару шестерен. Такое распределение обеспечивает высокую передаваемую нагрузку, малый люфт (backlash) и высокую крутильную жесткость в компактном корпусе. Поскольку точность позиционирования напрямую зависит от люфта, в сервосистемах применяются планетарные редукторы с малым угловым люфтом. Подробнее о принципе работы читайте в нашей статье о принципе работы планетарного редуктора .
При выборе решающими являются два расчета: требуемый выходной крутящий момент и необходимое передаточное отношение. Для этих расчетов можно напрямую использовать формулы из наших статей о расчете крутящего момента и расчете скорости редуктора .
Подберем правильный редуктор для вашей сервосистемы вместе
В машине с сервоприводом производительность определяется не только мощностью двигателя, но и согласованностью связки двигатель–редуктор–нагрузка. Неправильно выбранное передаточное отношение или редуктор с большим люфтом приведут к ошибкам позиционирования и вибрациям даже при использовании отличного серводвигателя.
Компания Remak Redüktör производит редукторы и коробки передач с 1987 года. По значениям крутящего момента, скорости и инерции вашей задачи мы можем вместе подобрать подходящую серию планетарных редукторов. Ознакомиться с ассортиментом можно на странице планетарные редукторы , а технические детали проекта можно отправить нам через страницу контактов.
Часто задаваемые вопросы о серводвигателях
В чем разница между серводвигателем и шаговым двигателем?
Главное отличие — наличие обратной связи. Шаговый двигатель работает в разомкнутом контуре: он выполняет заданное количество шагов, но не может проверить, действительно ли произошло движение. Если нагрузка выше ожидаемой, он может пропустить шаги и не обнаружить это. Серводвигатель, напротив, постоянно знает свое положение по данным энкодера и мгновенно корректирует отклонения. Шаговые двигатели экономичны при низких скоростях и постоянной нагрузке; серводвигатели применяются там, где требуются высокая скорость, переменная нагрузка и точная остановка.
Зачем к серводвигателю добавляют редуктор?
По четырем причинам: чтобы увеличить крутящий момент двигателя в соответствии с передаточным отношением, снизить высокую скорость двигателя до рабочей скорости машины, уменьшить приведенную инерцию нагрузки до уровня, с которым двигатель может устойчиво работать, предотвратить вибрации и повысить разрешение позиционирования. Без редуктора для получения того же крутящего момента потребовался бы значительно более крупный и дорогой двигатель; большая инерция нагрузки также может сделать систему неустойчивой.
Насколько точно может позиционироваться серводвигатель?
Точность определяется тремя факторами: разрешением энкодера, угловым люфтом редуктора и жесткостью механических элементов передачи. Промышленные энкодеры могут формировать сотни тысяч импульсов на оборот, поэтому теоретическое разрешение может достигать примерно одной тысячной градуса. На практике ограничивающим фактором обычно является не двигатель, а механическая передача. При использовании редуктора с большим люфтом отклонение на выходном валу возникает независимо от точности энкодера.
Когда вместо серводвигателя следует выбирать обычный асинхронный двигатель?
Если точное место остановки не имеет значения и скорость может оставаться постоянной, достаточно асинхронного двигателя. В вентиляторах, насосах, мешалках, непрерывно работающих конвейерах и подобных системах функция позиционирования сервопривода не используется, поэтому дополнительные затраты не дают преимущества. Если достаточно только регулирования скорости, асинхронный двигатель с частотным преобразователем будет значительно экономичнее. Серводвигатель экономически оправдан только тогда, когда действительно требуется высокая точность позиционирования или синхронизации.
Может ли серводвигатель работать без сервопривода?
Нет. Сервопривод подает ток на обмотки двигателя в правильной последовательности и с нужной величиной, одновременно считывая и обрабатывая сигнал энкодера. Прямая подача напряжения на двигатель не обеспечивает управляемого движения. Кроме того, двигатель и привод должны быть совместимы; если токовая мощность привода, тип энкодера и протокол связи не соответствуют двигателю, система не запустится.
Сохраняет ли серводвигатель положение при отключении питания?
При отключении питания двигатель перестает создавать удерживающий момент, поэтому на вертикальных осях нагрузка может опуститься под собственным весом. В таких применениях используется электромагнитный тормоз, который включается при отсутствии питания. Для сохранения информации о положении применяется абсолютный энкодер; при наличии резервной батареи он сохраняет положение после отключения питания и устраняет необходимость повторного поиска нулевой точки машины.
