Поддержание положения в сервоприводе: подчинённое регулирование vs шаговый режим / хабр

Применение [ править | править код ]

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:

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

Серводвигатель

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.

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.

Область применения

Сервопривод нашел широкое применение в робототехнике и манипуляторах. При создании небольших механизмов используют сервопривод mg995 и ему подобные.

Для управления современными приводами в радиолюбительских изделиях часто используется представители семейства ардуино. Оно представляет набор электронных устройств, предназначенных для управления роботами и приборами автоматики, где применяется сервопривод. Управляющий сигнал может быть аналоговым или цифровым.

Схема подключения привода к устройству управления представлена на рисунке. Устройство может управлять несколькими приводами.

Для теплых полов используют автоматику, которая поддерживает заданную температуру. А подачу теплоносителя, который представляет собой горячую воду от отопительного котла, регулирует сервопривод.

Его подключают к устройству управления, которое контролирует температуру с помощью датчика температуры, и выдает команду на электротермический сервопривод типа RBM 24V. Также может применяться сервопривод АС230V с регулятором.

Регулирование температуры в отоплении осуществляется автоматикой, для чего используется сервопривод типа ICMA NC230V или NC24V. Приборы выпускаются на различное напряжение питания.

Унифицированный сервопривод, используемый в автомобиле, имеет малые габариты. Предназначен для работы с бортовым напряжением на 12 Вольт. Он интегрирован с центральным замком, устанавливается на все двери машины, в том числе и на пятую дверь (дверь багажника).

Также механизм управляет подачей горячей жидкости на печку. Работает в паре с термоэлектрическим датчиком, сигнал от которого поступает на устройство управления. После анализа датчик подает команду на сервопривод, который увеличивает или уменьшает подачу жидкости.

Например, для автомобилей ВАЗ применяют электропривод с редуктором SL-5.

Это далеко не полный перечень применения таких устройств.

Виды и характеристики

Серводвигатели выпускаются в самых разных вариантах, позволяющих использовать их во многих областях. Основные конструкции разделяются на коллекторные и бесколлекторные, 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.

Установка сервопривода. Особенности и нюансы

Перед монтажом сервопривода определитесь, с каким типом термостата прибору придется взаимодействовать. В случаях, когда термостат контролирует работу одного водяного контура, оба прибора напрямую связываются между собой проводами. Когда речь идет об использовании мультизонального термостата, прибора, обслуживающего сразу несколько трубопроводов, подключение сервомоторов осуществляется следующим образом.

Что бы правильно присоединить все провода и клеммы, используются коммутатор теплого пола. В функции этого устройства входит подключение и соединение устройств различного назначения в единую цепь. Помимо распределительной и связующей функции, коммутатор играет еще роль и предохранителя. В ситуациях, когда закрыты все отсекающие клапаны водяных контуров, коммутатор отключает питание циркуляционного насоса.

Коммутатор очень удобен в тех случаях, когда теплые полы работают от автоматизированного автономного газового котла. Рисунок показывает, каким образом подключаются термостаты и сервоприводы к единой системе управления.

Управление сервоприводом. Интерфейс управляющих сигналов

Чтобы указать сервоприводу желаемое положение, по предназначенному для этого проводу необходимо посылать управляющий сигнал. Управляющий сигнал — импульсы постоянной частоты и переменной ширины.

То, какое положение должен занять сервопривод, зависит от длины импульсов. Когда сигнал поступает в управляющую схему, имеющийся в ней генератор импульсов производит свой импульс, длительность которого определяется через потенциометр. Другая часть схемы сравнивает длительность двух импульсов. Если длительность разная, включается электромотор. Направление вращения определяется тем, какой из импульсов короче. Если длины импульсов равны, электромотор останавливается.

Чаще всего в хобби-сервах импульсы производятся с частотой 50 Гц. Это значит, что импульс испускается и принимается раз в 20 мс. Обычно при этом длительность импульса в 1520 мкс означает, что сервопривод должен занять среднее положение. Увеличение или уменьшение длины импульса заставит сервопривод повернуться по часовой или против часовой стрелки соответственно. При этом существуют верхняя и нижняя границы длительности импульса. В библиотеке Servo для Arduino по умолчанию выставлены следующие значения длин импульса: 544 мкс — для 0° и 2400 мкс — для 180°.

Обратите внимание, что на вашем конкретном устройстве заводские настройки могут оказаться отличными от стандартных. Некоторые сервоприводы используют ширину импульса 760 мкс

Среднее положение при этом соответствует 760 мкс, аналогично тому, как в обычных сервоприводах среднему положению соответствует 1520 мкс.

Также стоит отметить, что это всего лишь общепринятые длины. Даже в рамках одной и той же модели сервопривода может существовать погрешность, допускаемая при производстве, которая приводит к тому, что рабочий диапазон длин импульсов немного отличается. Для точной работы каждый конкретный сервопривод должен быть откалиброван: путём экспериментов необходимо подобрать корректный диапазон, характерный именно для него.

На что ещё стоит обратить внимание, так это на путаницу в терминологии. Часто способ управления сервоприводами называют PWM/ШИМ (Pulse Width Modulation) или PPM (Pulse Position Modulation)

Это не так, и использование этих способов может даже повредить привод. Корректный термин — PDM (Pulse Duration Modulation). В нём крайне важна длина импульсов и не так важна частота их появления. 50 Гц — это норма, но сервопривод будет работать корректно и при 40, и при 60 Гц. Единственное, что нужно при этом иметь в виду — это то, что при сильном уменьшении частоты он может работать рывками и на пониженной мощности, а при сильном завышении частоты (например, 100 Гц) может перегреться и выйти из строя.

Подключение к Ардуино

Итак, как уже говорилось выше, сервопривод славится тем, что может поворачиваться на заданный угол. Как же мы будем указывать ему этот угол? Предлагаю использовать для этой цели переменный резистор, он же — потенциометр. Будем вращать ручку потенциометра, а контроллер будет командовать сервоприводу поворачиваться на соответствующий угол.

У потенциометра есть всего три вывода. Крайние подключим к +5В и земле, а центральный к аналоговому входу A0.

У сервопривода SG90 также имеется три контакта. Обычно они окрашиваются следующим образом:

коричневый — земля;
красный — питание +5В;
оранжевый (или желтый) — сигнальный.

Сигнальный провод подключим в цифровому выходу №8. В итоге, получим такую схему:

Подключать оба устройства к Ардуино Уно удобнее через макетную плату:

Принцип работы цифровой конструкции

Цифровыми устройствами используется специальный процессор, функционирующий на высоких частотах. Он обрабатывает сигнал приемника и посылает импульсы управления в двигатель с показателем частоты в 300 раз в секунду. Так как показатель частоты значительно выше, то и реакция заметно быстрее и держит позицию лучше. Это вызывает оптимальное центрирование и высокий уровень кручения. Но такой метод требует больших затрат энергии, поэтому батарея, используемая в аналоговом механизме, в этой конструкции будет разряжаться намного быстрее.

Однако все пользователи, которые хоть однажды столкнулись с цифровой моделью, говорят о том, что ее различие с аналоговой конструкцией настолько значительно, что они никогда бы больше не употребляли последнюю.

Виды и характеристики

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.

Сравнение с шаговым двигателем

Другим вариантом точного позиционирования приводимых элементов без датчика обратной связи является применение шагового двигателя. В этом случае схема управления отсчитывает необходимое количество импульсов (шагов) от положения репера (этой особенности обязан характерный шум шагового двигателя в дисководах 3,5″ и CD/DVD при попытках повторного чтения). При этом точное позиционирование обеспечивается параметрическими системами с отрицательной обратной связью, которые образуются взаимодействующими между собой соответствующими полюсами статора и ротора шагового двигателя. Сигнал задания для соответствующей параметрической системы формирует система управления шаговым двигателем, активизирующая соответствующий полюс статора.

Так как датчик обычно контролирует приводимый элемент, электрический сервопривод имеет следующие преимущества перед шаговым двигателем

не предъявляет особых требований к электродвигателю и редуктору — они могут быть практически любого нужного типа и мощности (а шаговые двигатели, как правило, маломощны и тихоходны);
гарантирует максимальную точность, автоматически компенсируя: механические (люфты в приводе) или электронные сбои привода;
постепенный износ привода, шаговому же двигателю для этого требуется периодическая юстировка;
тепловое расширение привода (при работе или сезонное), это было одной из причин перехода на сервопривод для позиционирования головок в жестких дисках;
обеспечивая немедленное выявление отказа (выхода из строя) привода (по механической части или электронике);

большая возможная скорость перемещения элемента (у шагового двигателя наименьшая максимальная скорость по сравнению с другими типами электродвигателей);
затраты энергии пропорциональны сопротивлению элемента (на шаговый двигатель постоянно подаётся номинальное напряжение с запасом по возможной перегрузке);

Недостатки в сравнении с шаговым двигателем

необходимость в дополнительном элементе — датчике;
сложнее блок управления и логика его работы (требуется обработка результатов датчика и выбор управляющего воздействия, а в основе контроллера шагового двигателя — просто счётчик);
проблема фиксирования: обычно решается постоянным притормаживанием перемещаемого элемента либо вала электродвигателя (что ведёт к потерям энергии) либо применение червячных/винтовых передач (усложнение конструкции) (в шаговом двигателе каждый шаг фиксируется самим двигателем).
сервоприводы, как правило, дороже шаговых.

Сервопривод, однако, возможно использовать и на базе шагового двигателя или в дополнение к нему до некоторой степени совместив их достоинства и устранив конкуренцию между ними (сервопривод осуществляет грубое позиционирование в зону действия соответствующей параметрической системы шагового двигателя, а последняя осуществляет окончательное позиционирование при относительно большом моменте и фиксации положения). // Проблемы фиксирования никакой нет в сервоприводе в отличие от шагового. Высокоточное позиционирование и удержание в заданной позиции обеспечивается работой электрической машины в вентильном режиме, суть которого сводится к её работе в качестве источника силы. В зависимости от рассогласования положения (и других координат электропривода) формируется задание на силу. При этом несомненным преимуществом сервопривода является энергоэффективность: ток подается только в том необходимом для того объеме, чтобы удержать рабочий орган в заданном положении. В противоположность шаговому режиму, когда подается максимальное значение тока, определяющее угловую характеристику машины. Угловая характеристика машины аналогична при малых отклонениях механической пружине, которая пытается «притянуть» рабочий орган в нужную точку. В шаговом приводе чем больше рассогласование положения, тем больше сила при неизменном токе. Очевидно, что автор ошибается в данном тезисе. Более того, известны примеры сложных систем управления электроприводом в шаговом режиме, которые не рассмотрены в данной статье, в частности микрошаговый режим.

Понятие сервопривода

Под сервоприводом чаще всего понимают механизм с электромотором, который можно попросить повернуться в заданный угол и удерживать это положение. Однако, это не совсем полное определение.

Если сказать полнее, сервопривод — это привод с управлением через отрицательную обратную связь, позволяющую точно управлять параметрами движения. Сервоприводом является любой тип механического привода, имеющий в составе датчик (положения, скорости, усилия и т.п.) и блок управления приводом, автоматически поддерживающий необходимые параметры на датчике и устройстве согласно заданному внешнему значению.

Наиболее распространены сервоприводы, которые удерживают заданный угол, и сервоприводы, поддерживающие заданную скорость вращения.

Типичный хобби-сервопривод изображён ниже.

Каким же образом устроены сервоприводы?

Шаговый сервопривод

Виды

Сервоприводы вращательного движения. Чаще всего используются в полиграфических, упаковочных станках, авиамоделировании. Делятся на:

синхронные – дают возможность точно задавать степень поворота (с точностью до угловых минут), скорость, ускорение. Достигают максимальных оборотов быстрее асинхронных, дороже их в несколько раз;
асинхронные — позволяют точно выполнять команды скорости даже на малых оборотах.

Сервоприводы линейного движения. Данные устройства могут развивать значительную скорость (до 70 м/с²), что делает их востребованными в автоматах монтажа электронных деталей на печатную плату. Делятся на плоские и круглые модели.

Также сервоприводы классифицируются по принципу действия на электромеханические, где движение обеспечивают мотор и редуктор, и электрогидромеханические, где действует система ил поршня и цилиндра. Вторая группа устройств дает более высокие показатели быстродействия.

Переделка сервопривода в серво непрерывного вращения

Как описывалось выше, сервопривод управляется импульсами переменной ширины, которые задают угол поворота. Текущее положение считывается с потенциометра. Если рассоединить вал и потенциометр, серводвигатель будет принимать положение движка потенциометра как в средней точке. Все эти действия приведут к тому, что будет убрана обратная связь. Это позволяет управлять скоростью и направлением вращения по сигнальному проводу, и создать серво непрерывного вращения

При этом важно отметить, что серво постоянного вращения не может поворачиваться на определенный угол и делать строго заданное количество оборотов

Чтобы произвести вышеописанные действия, придется разобрать устройство и внести изменения в конструкцию.

В Ардуино IDE нужно создать небольшой скетч, который поставит качалку в среднее положение.

#include <Servo.h>

Servo myservo;

void setup(){
myservo.attach(9);
myservo.write(90);
}

void loop(){
}

После этого устройство нужно подключить к Ардуино. При подключении серво начнет вращаться. Нужно добиться ее полной остановки путем регулирования резистора. После того, как вращение прекратится, нужно найти вал, вытащить из него гибкий элемент и установить обратно.

Этот метод имеет несколько недостатков – настройка резистора до полной остановки неустойчива, при малейшем ударе/нагреве/охлаждении настроенная нулевая точка может сбиться. Поэтому лучше использовать способ замены потенциометра подстроечником. Для этого нужно вытащить потенциометр и заменить его на подстроечный резистор с таким же сопротивлением. Нулевую точку нужно настроить калибровочным скетчем.

Любой из методов переделки сервопривода в серво непрерывного вращения имеет свои недостатки. Во-первых, сложно настроить нулевую точку, любое движение может ее сбить. Во-вторых, диапазон регулирования мал – при небольшом изменении ширины импульса скорость может значительно измениться. Расширить диапазон можно программно в Ардуино.

Принципиальные отличия и рекомендации к применению у разных типов сервоприводов

Сервоприводы для теплого водяного пола бывают 2 типов:

Нормально открытый. Изначально кран, которым он управляет, будет открыт. При отсутствии питания на приводе теплоноситель циркулирует свободно через устройство;
Нормально закрытый. Соответственно, изначально кран будет закрыт. Нет питания — теплоноситель не проходит через него.

Бывают сервоприводы, где можно выбирать положение по умолчанию. Их называют универсальными или переключающимися. При выборе конкретного типа нужно знать, в каком из положений большую часть времени необходимо находиться крану. Если циркуляция теплоносителя предполагается постоянной, рекомендуется выбирать нормально открытый тип устройства.

Если в вашем регионе бывают продолжительные морозы, необходимо выбирать только нормально открытый тип сервопривода. Так как при отсутствии или сбоях электропитания, а также при поломке привода, циркуляция теплоносителя не нарушится и пол будет горячий, пока подается горячая вода от котла.

Нормально закрытые устройства применяются в регионах с мягким климатом, где прекращение подачи теплоносителя в систему не будет иметь негативных последствий. Среди моделей обоих типов бывают сервоприводы с плавной регулировкой. Применять их рекомендовано, когда по проекту необходимо количественно дозировать подачу теплоносителя.