DC servomotor: Konštrukcia, práca, rozhranie s Arduino a jeho aplikácie

A servo motor alebo servo je jeden typ elektrického motora, ktorý sa používa na otáčanie častí stroja s vysokou presnosťou. Tento motor obsahuje riadiaci obvod, ktorý poskytuje spätnú väzbu o aktuálnom umiestnení hriadeľa motora, takže táto spätná väzba jednoducho umožňuje týmto motorom otáčať sa s vysokou presnosťou. Servomotor je užitočný pri otáčaní objektu v určitej vzdialenosti alebo uhle. Tento motor je rozdelený do dvoch typov AC servomotor a DC servomotor. Ak servomotor používa na prácu jednosmerný prúd, potom sa motor nazýva jednosmerný servomotor, zatiaľ čo ak pracuje so striedavým prúdom, potom je známy ako striedavý servomotor. Tento tutoriál poskytuje stručné informácie o Jednosmerný servomotor - práca s aplikáciami.

Čo je DC servomotor?

Servomotor, ktorý využíva jednosmerný elektrický vstup na produkciu mechanického výstupu, ako je poloha, rýchlosť alebo zrýchlenie, sa nazýva jednosmerný servomotor. Vo všeobecnosti sa tieto typy motorov používajú ako hlavné pohony v rámci numericky riadených strojov, počítačov a mnohých ďalších všade tam, kde sa spúšťajú a zastavujú. presne a veľmi rýchlo.

Konštrukcia a práca DC servomotora

Jednosmerný servomotor je skonštruovaný z rôznych komponentov, ktoré sú uvedené v nasledujúcej blokovej schéme. V tomto diagrame je každý komponent a jeho funkcia diskutovaná nižšie.

Motor použitý v tomto je typický jednosmerný motor vrátane jeho budiaceho vinutia, ktoré je budené samostatne. Takže v závislosti od povahy budenia môžu byť ďalej kategorizované ako servomotory riadené kotvou a riadené poľom.

Použitá záťaž je jednoduchý ventilátor alebo priemyselná záťaž, ktorá sa jednoducho pripojí k mechanickému hriadeľu motora.

Prevodovka v tejto konštrukcii funguje ako mechanický prevodník na zmenu výkonu motora, ako je zrýchlenie, poloha alebo rýchlosť v závislosti od aplikácie.

Hlavnou funkciou snímača polohy je získať spätnoväzbový signál ekvivalentný aktuálnej polohe záťaže. Vo všeobecnosti ide o potenciometer, ktorý sa používa na poskytovanie napätia, ktoré je úmerné absolútnemu uhlu hriadeľa motora cez prevodový mechanizmus.

Funkciou komparátora je porovnať o/p snímača polohy a referenčného bodu, aby sa vytvoril chybový signál a odovzdal sa zosilňovaču. Ak jednosmerný motor pracuje s presným riadením, potom nie je chyba. Snímač polohy, prevodovka a komparátor urobia zo systému uzavretú slučku.

Funkciou zosilňovača je zosilniť chybu z komparátora a priviesť ju do jednosmerného motora. Funguje teda ako proporcionálny regulátor všade tam, kde je zosilnenie zosilnené pre nulovú chybu v ustálenom stave.

Riadený signál dáva vstup do PWM (modulátor šírky impulzu) v závislosti od signálu spätnej väzby, takže moduluje vstup motora pre presné riadenie, inak je nulová chyba v ustálenom stave. Ďalej tento modulátor šírky impulzov využíva referenčný tvar vlny a komparátor na vytváranie impulzov.

Vytvorením systému uzavretej slučky sa získa zrýchlenie, rýchlosť alebo presná poloha. Ako už názov napovedá, servomotor je riadený motor, ktorý poskytuje preferovaný výstup vďaka efektu spätnej väzby a regulátora. Chybový signál sa jednoducho zosilní a použije na pohon servomotora. V závislosti od povahy výroby riadiaceho signálu a modulátora šírky impulzov majú tieto motory vynikajúce metódy riadenia s čipmi FPGA alebo digitálnymi signálovými procesormi.

Činnosť jednosmerného servomotora je; vždy, keď je vstupný signál privedený na jednosmerný motor, otáča hriadeľ a ozubené kolesá. Takže v podstate je rotácia výstupu prevodov privádzaná späť do snímača polohy (potenciometer), ktorého gombíky sa otáčajú a menia svoj odpor. Kedykoľvek sa zmení odpor, zmení sa napätie, čo je chybový signál, ktorý sa privádza do regulátora a následne sa generuje PWM.

Ak sa chcete dozvedieť viac o typoch jednosmerných servomotorov, pozrite si tento odkaz: Rôzne typy servomotorov .

Prenosová funkcia DC servomotora

Prenosovú funkciu možno definovať ako pomer Laplaceovej transformácie (LT) premennej o/p k LT ( Laplaceova transformácia ) premennej i/p. Všeobecne platí, že jednosmerný motor mení energiu z elektrickej na mechanickú. Dodávaná elektrická energia na svorkách kotvy sa mení na riadenú mechanickú energiu.

Prenosová funkcia jednosmerného servomotora riadená kotvou je znázornená nižšie.

θ(s)/Va(s) = (K1/(Js2 + Bs)*(Las + Ra)) /1 + (K1KbKs)/(Js2 + Bs)*(Las+Ra)

Funkcia prenosu jednosmerného servomotora riadeného poľom je uvedená nižšie.

θ(s)/Vf (s) = Kf / (sLf + Rf) * (s2J + Bs)

Jednosmerný servomotor riadený kotvou poskytuje vynikajúci výkon vďaka systému s uzavretou slučkou v porovnaní s jednosmerným servomotorom riadeným poľom, ktorý je systémom s otvorenou slučkou. Okrem toho je rýchlosť odozvy v rámci systému riadenia poľa nízka. V prípade ovládania kotvy je indukčnosť kotvy zanedbateľná, zatiaľ čo v prípade ovládania poľa nie je rovnaká. Ale pri riadení Infield nie je možné dosiahnuť lepšie tlmenie, zatiaľ čo pri ovládaní kotvy ho možno dosiahnuť.

technické údaje

Jednosmerný servomotor poskytuje špecifikácie výkonu, ktoré zahŕňajú nasledujúce. Tieto špecifikácie by sa mali zhodovať s požiadavkami na zaťaženie aplikácie, aby sa motor správne dimenzoval.

• Rýchlosť hriadeľa jednoducho definuje rýchlosť, pri ktorej sa hriadeľ otáča, vyjadrenú v otáčkach za minútu (otáčky za minútu).
• Zvyčajne sú otáčky ponúkané výrobcom otáčky naprázdno o/p hriadeľa alebo otáčky, pri ktorých je výstupný krútiaci moment motora nulový.
• Svorkové napätie je konštrukčné napätie motora, ktoré určuje rýchlosť motora. Táto rýchlosť sa jednoducho riadi zvyšovaním alebo znižovaním privádzaného napätia do motora.
• Krútiaci moment podobný rotačnej sile je generovaný hriadeľom jednosmerného servomotora. Požadovaný krútiaci moment pre tento motor je teda jednoducho určený charakteristikami rýchlosti a krútiaceho momentu rôznych zaťažení v rámci cieľovej aplikácie. Tieto krútiace momenty sú dva typy počiatočného krútiaceho momentu a trvalého krútiaceho momentu.
• Počiatočný krútiaci moment je požadovaný krútiaci moment pri štartovaní servomotora. Tento krútiaci moment je normálne vyšší v porovnaní s trvalým krútiacim momentom.
• Trvalý krútiaci moment je výstupný krútiaci moment, ktorý predstavuje kapacitu motora pri konštantných prevádzkových podmienkach.
• Tieto motory musia mať pre danú aplikáciu dostatočnú kapacitu otáčok a krútiaceho momentu vrátane 20 až 30 % rezervy medzi potrebnými záťažami, ako aj menovitými hodnotami motora, aby bola zaistená spoľahlivosť. Keď tieto rozpätia prekročia príliš veľa, zníži sa efektívnosť nákladov špecifikácie 12V DC Coreless DC Servo Motor od Faulhaber sú:
• Pomer prevodovky je 64: l planétová trojstupňová prevodovka.
• Zaťažovací prúd je 1400 mA.
• Výkon je 17W.
• Rýchlosť je 120 ot./min.
• Prúd naprázdno je 75 mA.
• Typ kódovača je optický.
• Rozlíšenie kodéra je 768CPR O/P hriadeľa.
• Priemer je 30 mm.
• Dĺžka je 42 mm.
• Celková dĺžka je 85 mm.
• Priemer hriadeľa je 6 mm.
• Dĺžka hriadeľa je 35 mm.
• Krútiaci moment stojana je 52 kg cm.

Charakteristika

The vlastnosti jednosmerného servomotora zahŕňajú nasledujúce.

• Konštrukcia DC servomotora je podobná ako u motora s permanentným magnetom alebo samostatne budeného jednosmerného motora.
• Regulácia rýchlosti tohto motora sa vykonáva ovládaním napätia kotvy.
• Servomotor je navrhnutý s vysokým odporom kotvy.
• Poskytuje rýchlu odozvu krútiaceho momentu.
• Skoková zmena napätia kotvy generuje rýchlu zmenu rýchlosti motora.

AC servomotor Vs DC servomotor

Rozdiel medzi jednosmerným servomotorom a striedavým servomotorom zahŕňa nasledovné.

Prepojenie DC servomotora s Arduino

Na ovládanie jednosmerného servomotora v presnom a požadovanom uhle možno použiť dosku Arduino/akýkoľvek iný mikrokontrolér. Táto doska má analógový o/p, ktorý generuje PWM signál na otočenie servomotora do presného uhla. Môžete tiež posunúť uhlovú polohu servomotora pomocou potenciometra alebo tlačidiel pomocou Arduina.

Servomotor je možné ovládať aj pomocou IR diaľkového ovládača, ktorý je ľahko dostupný. Toto diaľkové ovládanie je užitočné pri posúvaní jednosmerného servomotora do špecifického uhla alebo pri lineárnom zvyšovaní alebo znižovaní uhla motora pomocou IR diaľkového ovládača.

Tu budeme diskutovať o tom, ako pohybovať servomotorom pomocou IR diaľkového ovládača pomocou Arduina v špecifickom uhle a tiež o zvyšovaní alebo znižovaní uhla servomotora s diaľkovým ovládačom v smere hodinových ručičiek a proti smeru hodinových ručičiek. Schéma prepojenia jednosmerného servomotora s Arduino a IR diaľkovým ovládačom je uvedená nižšie. Spojenia tohto rozhrania sú nasledovné;

Toto rozhranie využíva hlavne tri základné komponenty, ako je jednosmerný servomotor, doska Arduino a IR senzor TSOP1738. Tento snímač má tri svorky ako Vcc, GND a výstup. Svorka Vcc tohto snímača je pripojená k 5V dosky Arduino Uno, svorka GND tohto snímača je pripojená ku svorke GND dosky Arduino a výstupná svorka je pripojená na kolík 12 (digitálny vstup) dosky Arduino.

Digitálny výstupný kolík 5 je jednoducho pripojený k vstupnému kolíku signálu servomotora na pohon motora
Kladný kolík jednosmerného servomotora je priradený externému napájaniu 5V a kolík GND servomotora je priradený kolíku GND Arduina.

Pracovné

IR diaľkové ovládanie sa používa na vykonanie dvoch akcií 30 stupňov, 60 stupňov a 90 stupňov a tiež na zvýšenie/zníženie uhla motora od 0 do 180 stupňov.

Diaľkové ovládanie obsahuje mnoho tlačidiel, ako sú číselné tlačidlá (0-9), tlačidlá na ovládanie uhla, tlačidlá šípok, tlačidlá hore/dole atď. Po stlačení ľubovoľného číselného tlačidla od 1 do 5 sa jednosmerný servomotor presunie na toto tlačidlo. presný uhol a keď stlačíte tlačidlo uhla hore/dole, uhol motora sa dá presne nastaviť na ±5 stupňov.

Po rozhodnutí o tlačidlách je potrebné dekódovať kódy týchto tlačidiel. Po stlačení ľubovoľného tlačidla na diaľkovom ovládači sa odošle jeden kód na vykonanie požadovanej akcie. Na dekódovanie týchto vzdialených kódov sa používa IR vzdialená knižnica z internetu.

Nahrajte nasledujúci program do Arduina a pripojte IR senzor. Teraz umiestnite diaľkové ovládanie smerom k IR senzoru a stlačte tlačidlo. Potom otvorte sériový monitor a sledujte kód stlačeného tlačidla vo forme čísel.

Arduino kód

#include // pridanie IR vzdialenej knižnice
#include // pridanie knižnice servomotorov
Servisná služba1;
int IRpin = 12; // pin pre IR senzor
int uhol_motora=0;
IRrecv irecv(IRpin);
výsledky decode_results;
void setup()
{
Serial.begin(9600); // inicializácia sériovej komunikácie
Serial.println(“IR Diaľkovo ovládaný servomotor”); // zobrazenie správy
irecv.enableIRIn(); // Spustite prijímač
servo1.attach(5); // deklaruje kolík servomotora
servo1.write(uhol_motora); // posuňte motor na 0 st
Serial.println(“Uhol servomotora 0 stupňov”);
oneskorenie (2000);
}
void loop()
{
while(!(irrecv.decode(&results))); // počkajte, kým nestlačíte žiadne tlačidlo
if (irrecv.decode(&results)) // po stlačení tlačidla a prijatí kódu
{
if(results.value==2210) // skontrolujte, či je stlačené tlačidlo s číslicou 1
{
Serial.println(“uhol servomotora 30 stupňov”);
motor_uhol = 30;
servo1.write(uhol_motora); // posuňte motor na 30 st
}
else if(results.value==6308) // ak je stlačené tlačidlo číslica 2
{
Serial.println(“uhol servomotora 60 stupňov”);
motor_uhol = 60;
servo1.write(uhol_motora); // posuňte motor na 60 st
}
else if(results.value==2215) // rovnako pre všetky číselné tlačidlá
{
Serial.println(“uhol servomotora 90 stupňov”);
motor_uhol = 90;
servo1.write(uhol_motora);
}
else if(results.value==6312)
{
Serial.println(“uhol servomotora 120 stupňov”);
motor_uhol = 120;
servo1.write(uhol_motora);
}
else if(results.value==2219)
{
Serial.println(“uhol servomotora 150 stupňov”);
motor_uhol = 150;
servo1.write(uhol_motora);
}
else if(results.value==6338) // ak je stlačené tlačidlo ZVÝŠIŤ hlasitosť
{
if(uhol_motora<150) uhol_motora+=5; // zvýšenie uhla motora
Serial.print(“Uhol motora je “);
Serial.println(uhol_motora);
servo1.write(uhol_motora); // a posuňte motor do tohto uhla
}
else if(results.value==6292) // ak je stlačené tlačidlo zníženia hlasitosti
{
if(uhol_motora>0) uhol_motora-=5; // zníženie uhla motora
Serial.print(“Uhol motora je “);
Serial.println(uhol_motora);
servo1.write(uhol_motora); // a posuňte motor do tohto uhla
}
oneskorenie(200); // počkajte 0,2 sekundy
irecv.resume(); // buďte opäť pripravení prijať ďalší kód
}
}

Napájanie jednosmerného servomotora je z externého 5V a napájanie IR senzora a dosky Arduino je z USB. Po privedení energie do servomotora sa posunie na 0 stupňov. Potom sa na sériovom monitore zobrazí správa ako „uhol servomotora je 0 stupňov“.

Teraz na diaľkovom ovládači sa po stlačení tlačidla 1 jednosmerný servomotor pohne o 30 stupňov. Podobne, po stlačení tlačidiel ako 2, 3, 4 alebo 5 sa motor bude pohybovať v požadovaných uhloch ako 60 stupňov, 90 stupňov, 120 stupňov alebo 150 stupňov. Teraz sériový monitor zobrazí polohu uhla servomotora ako „uhol servomotora xx stupňov“

Po stlačení tlačidla zvýšenia hlasitosti sa uhol motora zvýši o 5 stupňov, čo znamená, že ak je 60 stupňov, posunie sa na 65 stupňov. Poloha nového uhla sa teda zobrazí na sériovom monitore.

Podobne, akonáhle stlačíte tlačidlo uhla nadol, uhol motora sa zníži o 5 stupňov, čo znamená, že ak je uhol 90 stupňov, posunie sa na 85 stupňov. Signál z IR diaľkového ovládača je snímaný IR senzorom. Ak chcete vedieť, ako to sníma a ako funguje IR senzor, kliknite tu

Poloha nového uhla sa teda zobrazí na sériovom monitore. Preto môžeme ľahko ovládať uhol jednosmerného servomotora pomocou diaľkového ovládača Arduino a IR.

Ak chcete vedieť, ako prepojiť jednosmerný motor s mikrokontrolérom 8051, kliknite tu

Výhody DC servomotora

The výhody jednosmerných servomotorov zahŕňajú nasledujúce.

• Prevádzka DC servomotora je stabilná.
• Tieto motory majú oveľa vyšší výstupný výkon ako veľkosť a hmotnosť motora.
• Keď tieto motory bežia pri vysokých rýchlostiach, nevytvárajú žiadny hluk.
• Táto prevádzka motora je bez vibrácií a rezonancie.
• Tieto typy motorov majú vysoký pomer krútiaceho momentu k zotrvačnosti a dokážu veľmi rýchlo zachytiť zaťaženie.
• Majú vysokú účinnosť.
• Dávajú rýchle odpovede.
• Tieto sú prenosné a ľahké.
• Je možná prevádzka štyroch kvadrantov.
• Pri vysokých rýchlostiach sú počuteľne tiché.

The nevýhody jednosmerných servomotorov zahŕňajú nasledujúce.

• Chladiaci mechanizmus jednosmerného servomotora je neefektívny. Takže tento motor sa po vyvetraní rýchlo znečistí.
• Tento motor generuje maximálny výstupný výkon pri vyšších otáčkach krútiaceho momentu a vyžaduje pravidelné radenie.
• Tieto motory môžu byť poškodené preťažením.
• Majú zložitý dizajn a potrebujú kódovač.
• Tieto motory potrebujú ladenie na stabilizáciu spätnej väzby.
• Vyžaduje si údržbu.

Aplikácie DC servomotorov

The aplikácie jednosmerných servomotorov zahŕňajú nasledujúce.

• Jednosmerné servomotory sa používajú v obrábacích strojoch na rezanie a tvárnenie kovov.
• Používajú sa na polohovanie antény, tlač, balenie, spracovanie dreva, textilu, výrobu špagátov alebo lán, CMM (súradnicové meracie stroje), manipuláciu s materiálom, leštenie podlahy, otváranie dverí, X-Y stola, zdravotnícke vybavenie a točenie plátkov.
• Tieto motory sa používajú v riadiacich systémoch lietadiel, kde priestorové a hmotnostné obmedzenia vyžadujú motory na dodávanie vysokého výkonu pre každý objem jednotky.
• Sú použiteľné tam, kde je potrebný vysoký rozbehový moment, ako sú pohony ventilátorov a ventilátory.
• Používajú sa tiež hlavne v robotike, programovacích zariadeniach, elektromechanických akčných členoch, obrábacích strojoch, procesných regulátoroch atď.

Toto je teda prehľad dc servomotor – funkčný s aplikáciami. Tieto servomotory sa používajú v rôznych priemyselných odvetviach na riešenie mnohých mechanických pohybov. Vďaka vlastnostiam týchto motorov budú veľmi efektívne a výkonné. Tu je otázka pre vás, čo je AC Servo Motor?