Подготовка к настройке драйвера сервомотораPost navigation

Принцип работы

Вентильные электродвигатели

Вентильные двигатели – это синхронные бесколлекторные (бесщёточные) машины. На роторе находятся постоянные магниты из редкоземельных металлов, на статоре — якорная обмотка. Коммутация обмоток статора осуществляется полупроводниковыми силовыми ключами (транзисторами) так, чтобы вектор магнитного поля статора был всегда перпендикулярен вектору магнитного поля ротора — для этого используется датчик положения ротора (датчик Холла или энкодер). Фазный ток регулируется с помощью ШИМ-модуляции и может иметь трапецеидальную или синусоидальную форму.

Линейные серводвигатели

Плоский ротор линейного двигателя сделан из редкоземельных постоянных магнитов. По принципу действия он похож на вентильный двигатель.

Шаговые электродвигатели

В отличие от синхронных машин непрерывного вращения шаговые двигатели имеют на статоре явно выраженные полюса, на которых расположены катушки обмоток управления – их коммутация выполняется внешним приводом.

Рассмотрим принцип работы реактивного шагового двигателя, у которого на полюсах статора расположены зубцы, а ротор выполнен из магнитомягкой стали и тоже имеет зубцы. Зубцы на статоре расположены так, что на одном шаге магнитное сопротивление меньше по продольной оси двигателя, а на другом – по поперечной. Если дискретно возбуждать в определённой последовательности обмотки статора постоянным током, то ротор при каждой коммутации будет поворачиваться на один шаг, равный шагу зубцов на роторе.

Сервопривод

Некоторые модели преобразователей частоты могут работать как со стандартными асинхронными двигателями, так и с серводвигателями. То есть основное отличие сервоприводов не в силовой части, а в алгоритме управления и скорости вычислений. Поскольку в программе используется информация о положении ротора, то у сервопривода есть интерфейс для подключения энкодера, установленного на валу двигателя.

Сервоконтроллер

В сервосистемах используется принцип подчинённого управления: контур тока подчинён контуру скорости, который в свою очередь подчинён контуру положения (см. теорию автоматического управления). Сначала настраивается самый внутренний контур – контур тока, потом – контур скорости и самым последним настраивается контур положения.

Контур тока всегда реализован в сервоприводе.

Контур скорости (как и датчик скорости) также всегда присутствует в сервосистеме, он может быть реализован как на базе встроенного в привод сервоконтроллера, так и внешнего.

Контур положения используется для точного позиционирования (например, осей подач в станках с ЧПУ).

Если в кинематических связях между исполнительным органом (координатным столом) и валом двигателя нет люфтов, то координата косвенно пересчитывается по значению кругового датчика. Если люфты есть, то на исполнительный орган устанавливается дополнительный датчик положения (который подключается к сервоконтроллеру) для прямого измерения координаты.

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.

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.

Аналоговые и цифровые модификации

Несколько лет тому назад все сервосхемы были аналоговыми. Сейчас появились и цифровые конструкции. В чем же разница их работы? Давайте обратимся к информации официального характера.

Из отчета фирмы Futaba следует, что за последнее десятилетие сервоприводы стали отличаться более хорошими техническими показателями, чем раньше, а также малыми размерами, высоким уровнем скорости вращения и показателем элементов кручения.

Последний виток развития — появление устройства на цифровой основе. Эти агрегаты обладают существенными преимуществами даже перед моторами коллекторного типа. Хотя имеются и некоторые минусы.

Внешне аналоговые и цифровые устройства неразличимы. Отличия фиксируются лишь на платах устройств. Вместо микросхемы на цифровом агрегате можно увидеть микропроцессор, анализирующий сигнал приемника. Он и управляет двигателем.

Совершенно неправильно говорить о том, что аналоговая и цифровая модификация в корне различаются при функционировании. Они могут обладать одинаковыми двигателями, механизмами и потенциометрами

Основным отличием является способ переработки поступающего сигнала приемника и управление двигателем. В оба сервопривода поступает одинаковый по мощности сигнал радиоприемника.

Таким образом, становится понятно, сервопривод, что это такое?

Сравнение с шаговым двигателем

Другим вариантом точного позиционирования приводимых элементов без датчика обратной связи является применение . 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.

Скетч для управления сервоприводом в Arduino

Управление сервоприводом напрямую через изменение в скетче длительности импульсов — достаточно нетривиальная задача, но у нас, к счастью, есть отличная библиотека Servo, встроенная в среду разработки Arduino. Все нюансы программирования и работы с сервоприводами мы рассмотрим в отдельной статье. Здесь же приведем простейший пример использования Servo.

Алгоритм работы прост:

• Для начала мы подключаем Servo.h
• Создаем объект класса Servo
• В блоке setup указываем, к какому пину подключен серво
• Используем методы объекта обычным для C++ способом. Самым популярным является метод write, которому мы подаем целочисленное значение в градусах (для сервопривода 360 эти значения будут интерпретироваться по-другому).

Пример простого скетча для работы с сервоприводом

Пример проекта, в котором мы сразу сначала устанавливаем серводвигатель на нулевой угол, а затем поворачиваем на 90 градусов.

#include <Servo.h>

Servo servo;  // Создаем объект
void setup() {
  servo.attach(9);   // Указываем объекту класса Servo, что серво присоединен к пину 9
  servo1.write(0);   // Выставляем начальное положение 
  }

void loop() {
  servo.write(90); // Поворачиваем серво на 90 градусов
  delay(1000);        
  servo.write(1800);
  delay(100);        
  servo.write(90);
  delay(1000);
  servo.write(0);
  delay(1000);        
}

Скетч для двух сервпоприводов

А в этом примере мы работаем сразу с двумя сервоприводами:

#include <Servo.h>

Servo servo1;  // Первый сервопривод
Servo servo2;  // Второй сервопривод

void setup() {
  servo1.attach(9);   // Указваем объекту класса Servo, что серво присоединен к пину 9
  servo2.attach(10);  // А этот servo присоединен к 10 пину
  
}

void loop() {
  // Выставялем положения
  servo1.write(0); 
  servo2.write(180);
  delay(20);        
  // Меняем положения
  servo2.write(0); 
  servo1.write(180);
}

Управление сервоприводом с помощью потенциометра

В этом примере поворачиваем серво в зависимости от значения, полученное от потенциометра. Считываем значение и преобразовываем его в угол с помощи функции map:

//Фрагмент стандартного примера использования библиотеки Servo
void loop() {
  val = analogRead(A0); // Считываем значение с пина, к которому подключен потенциометр
  val = map(val, 0, 1023, 0, 180); // Преобразуем число в диапазоне от 0 до 1023 в новый диапазон - от 0 до 180.
  servo.write(val);             
  delay(15);
}

Подключение серводвигателя к ардуино

Сервопривод обладает тремя контактами, которые окрашены в разные цвета. Коричневый провод ведет к земле, красный – к питанию +5В, провод оранжевого или желтого цвета – сигнальный. К Ардуино устройство подключается через макетную указанным на рисунке образом. Оранжевый провод (сигнальный) подключается к  цифровому пину, черный и красный — к земле и питанию соответственно. Для управления серводигателем не требуется подключение именно к шим-пинам — принцип управления серво мы уже описывали ранее.

Не рекомендуется подключать мощные серво напрямую к плате , т.к. они создают для схемы питания Arduino ток, не совместимый с жизнью — повезет, если сработает защита. Чаще всего симптомы перегрузки и неправильного питания сервопривода заключаются в «дергании» серво, неприятному звуку и перезагрузке платы. Для питания лучше использовать внешние источники, обязательно объединяя земли двух контуров.

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.

Устройство и принцип работы сервомоторов

Основным рабочим элементом сервопривода является сильфон. Т.е. такая же деталь, как и в . Небольшой по размерам, герметичный цилиндр с эластичным корпусом заполнен веществом, чутко реагирующим на температуру.  В зависимости от того, происходит повышение или понижение температуры, происходит соответственно изменение объема вещества. Рисунок – схема наглядно демонстрирует устройство сервомотора, где основным местом занимает сильфон.

Сильфон находится в тесном контакте с электрическим нагревательным элементом. Получая сигнал с термостата, нагревательный элемент включается от сети и включается в работу. Внутри сильфона вещество подогревается и увеличивается в объеме. Таким образом, увеличившийся в размерах цилиндр начинает давить на шток, меняя его положение и перекрывая путь потоку теплоносителя. Оценивая работу сервопривода можно сделать вывод – прибор не оснащен никакими моторами, в нем нет никаких шестерней и передаточных звеньев. Обычная рабочая связь «тепловая энергия и электричество». Отсюда и распространенное название приборов, термоэлектрические регуляторы.

Для того, что бы клапан снова стал открытым, весь процесс повторяется только в обратном направлении. Отсутствие электропитания приводит к тому, что нагревательный элемент перестает работать. Следовательно, вещество внутри цилиндра остывает, уменьшаясь в объеме. Давление на шток уменьшается, он подымается, действуя на клапан, а, следовательно, открывается доступ горячей воды в систему.

На заметку: вещество, помещенное внутрь цилиндра – толуол, обладающее высокими термодинамическими характеристиками. Электрическим нагревательным элементом выступает нихромовая нить.

Ознакомившись с принципом работы устройства, важно помнить, что для механического действия клапана необходимо определенное время.  Несмотря на то, что при поступлении сигнала с термостата, нагревательный элемент начинает нагревать вещество внутри цилиндра. Время, необходимое на изменения физического состояния жидкости, составляет 2-3 минуты, поэтому клапан приводится в действие не сразу

Для справки: при выборе модели сервопривода обратите внимание на параметры нагревательного элемента и время нагрева жидкости, указанные в паспорте прибора. .

В отличие от нагрева, остывание жидкости проходит медленнее. На обратный процесс, т.е. на закрытие клапана потребуется уже не 2-3 минуты, а 10-15 минут. При перегреве каждый сервомотор должен автоматически отключаться. Для этого в конструкции предусмотрен механизм аварийного отключения.

Для примера: используемые в работе коллекторной группы сервоприводы не все оснащаются цилиндрами и баллонами с веществом. Ест модели, в которых эту роль играют термоэлементы, напоминающие собой пружину или пластину, которые под действием все того же нагревательного элемента нагреваются. Расширяясь, эти детали воздействуют опять же, на шток, приводя в конечном итоге в рабочее состояние клапан.  Определить в каком положении находится клапан, можно по изменению внешнего вида сервопривода. Выдвигающийся элемент сигнализирует о работе прибора. Если этого не происходит, значит, ваш прибор неправильно подключен или система отопления работает с перебоями.

Для справки: горячий на ощупь сервомотор означает, что в данном случае прибор закрыт и отключен. Если прибор на ощупь прохладный, следовательно, клапан открыт, теплоноситель нормально циркулирует по водяным контурам теплого пола.

Пример проекта

Ниже представлен проект с сервоприводом на «Ардуино». Представьте ситуацию, что требуется создать автоматическое открывание форточек в теплице при достижении определенной температуры. Для этого используется датчик DHT-11 и сервопривод SG92R. Программный код выглядит следующим образом:

Для начала подключаются библиотеки для работы с датчиком DHT-11 и сервоприводом. Следом обозначаются переменные и к каким контактам они подключены. После чего каждые две секунды датчик узнает температуру, и если она выше тридцати градусов, то срабатывает сервопривод, тем самым открывая форточку. Это пример его работы с «Ардуино» и датчиком DHT-11.

Сервопривод SG92R

Самым знаменитым дешевым сервоприводом является модель Tower Pro SG92R. Этот сервопривод для «Ардуино» можно встретить практически во всех начальных наборах радиолюбителя. Обусловлено это тем, что цена его составляет всего лишь каких-то сто рублей, а при оптовых покупках (например, от десяти штук) — и то дешевле выходит. Весит SG92R всего 9 грамм, может принимать на вал 1.6 кг. Так пишется только в характеристиках в интернет-магазинах.

На самом же деле, эти сервоприводы слабые и использовать их, например, для открывания большой двери нецелесообразно, так как они полностью пластмассовые и частенько ломаются. Лучше потратить больше денег, купить более мощный, например, MG995. Но для изучения мелких проектов сервопривод SG92R подходит отлично.

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

Сервопривод с мотором, предназначенный для приведения в движение устройств управления через поворот выходного вала, применяются в таких областях, 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 .

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.

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;
• ;
• изготовление стройматериалов.

Плюсы и минусы SG92R

SG92R — довольно хороший сервопривод, и со своими задачами он справляется отлично. Какие же преимущества и недостатки он имеет?

Среди преимуществ стоит отметить следующие:

1. Доступность. Этот сервопривод продается по очень низкой цене, что позволяет абсолютно каждому приобрести его и использовать для своих проектов.
2. Размеры. Благодаря своему маленькому размеру его можно использовать при конструировании каких-то небольших проектов.

Среди недостатков самыми существенными являются следующие:

1. Слабый. Достаточно даже небольших нагрузок, и он сломается. Конечно, это обусловлено его низкой ценой, но все же стоит переплатить всего в два раза больше и уже можно купить сервопривод мощнее, который и сделан из металла, и способен работать с большими нагрузками.
2. Шумит. Следует только включить его, он начинает издавать звуки. Не то чтобы они сильные, но вечное «жужжание» очень мешает.

Число плюсов и минусов одинаково. Как бы это ни было, но SG92R является отличным сервоприводом, по крайней мере для изучения и понятия их работы.

В полном объеме используйте инструменты регулировки

«Существует широкий спектр методов регулировки. Однако изготовители механических станков часто загружают в сервоконтроллеры только значения параметров по умолчанию без регулировки», — отмечает Поль Вебстер, менеджер по сервопродукции в GE Fanuc Automation Inc. Станок может работать хорошо, и ничего больше не делается. «Установочные параметры сервосистмы по умолчанию предназначены для того, чтобы добиться основных эксплуатационных характеристик в общем случае. Простое выполнение базовой серворегулировки может привести к значительному повышению производительности механизма», — отмечает Вебстер.

Помимо параметров по умолчанию можно задать исходные параметры для обеспечения высокой точности (и высокой скорости) с помощью «одноразовой функции”. Утверждается, что это легко выполнить для контроллеров начального уровня Series 0i-C от компании Fanuc или с помощью программы на основе Servo Guide PC для более совершенной серии компьютерных ЧПУ от Fanuc. Далее Вебстер поясняет, что следующим важным этапом регулировки с целью совершенствования характеристик работы сервомеханизмов является установка усиления по скорости и резонансных режекторных фильтров с использованием диаграммы Боде. Помогают также такие программы регулировки как Servo Guide.

Устойчивость сервосистемы оценивается с помощью диаграммы Боде посредством анализа частотной характеристики контура управления относительно величины коэффициента усиления (измеряется в дБ) и фазового сдвига (в град.). К важным результатам Вебстер относит максимально широкую полосу пропускания (при почти постоянном коэффициенте усиления относительно частоты) на уровне 10 дБ и уменьшение частоты запаса по усилению на уровне -20 дБ. Регулировка фильтра эффективна для подавления резонанса, когда на графике Боде удаляются положительные пики, а частотный спад поддерживается на уровне ниже -10 дБ.

Чтобы добиться наилучшей работы сервосистемы, GE Fanuc предусматривает функции усовершенствованной регулировки своего ЧПУ. По словам Вебстера, простые наглядные навигаторы регулировки помогают пользователям переходить от этапа к этапу. Заслуживает внимания функция динамического обучения, которая автоматически уменьшает вылет квадранта (или холостой ход) в приложениях обработки с применением ЧПУ. Вылет квадранта (QP) складывается из свободного хода вследствие физического зазора между деталями механизма и «упругости» системы, также известной под названием скручивание. Два разных компонента холостого хода объединяются и работают как системная задержка, вызывая эффект QP на круговой диаграмме (см. рисунок «Процесс обучения при вылете квадранта»).

Усовершенствованная регулировка ЧПУ в GE Fanuc включает функцию поэтапного обучения с целью сокращения холостого хода механизма. При операциях контурной обработки по двум координатам, как показано на рисунке, первоначальное значение холостого хода (вылет квадранта) ±5 мкм фактически устраняется на восьмом шаге обучения

«Функция, которую мы используем для устранения вылета квадранта, называется «Ускорение холостого хода”. Она заключается в регулировке величины холостого хода и корректировке управления скоростью для факторов холостого хода”,- отмечает Вебстер. Динамическая регулировка представляет собой поэтапную последовательность и производится до тех пор, пока пользователь или приложение не будут удовлетворены точностью траектории движения. «Однажды запущенный процесс обучения продолжает работать автоматически в том смысле, что ЧПУ учится на своих «ошибках», — добавляет к сказанному Вебстер.

Другие поставщики сервосистем также предлагают некоторые виды коррекции холостого хода.

В этой трубогибочной установке, производимой в Unison TJP Electronics Ltd. (Великобритания), синхронизация перемещения 15 осей производится с помощью программы NextMove е 100 от Baldor. Установка выполняет параллельно несколько операций по гибке труб. Каждая гибочная головка приводится в движение бесколлекторным серводвигателем и сервоприводом BSM Series от компании Baldor

vri-cnc.ru

Шаговые двигатели – дешевле. Однако сервоприводы обладают широким рядом достоинств, в том числе высокой производительностью и точностью позиционирования. Так что же выбрать?

Что такое шаговый электродвигатель

Шаговый электродвигатель – это безщеточный синхронный электродвигатель постоянного тока, имеющий несколько обмоток статора. При подаче тока в одну из обмоток ротор поворачивается, а затем фиксируется в определенном положении. Последовательное возбуждение обмоток через контроллер управления шаговым двигателем позволяет вращать ротор на заданный угол.

Шаговые электродвигатели широко применяются в промышленности, так как имеют высокую надежность и длительный срок службы. Главное преимущество шаговых двигателей – точность позиционирования. При подаче тока на обмотки ротор провернется строго на определенный угол.

Положительные стороны шагового двигателя

·Устойчивость в работе;

·Высокий крутящий момент на малых и нулевых скоростях;

·Быстрый старт, остановка и реверс;

·Работа под высокой нагрузкой без риска выхода из строя;

·Единственный механизм износа, влияющий на длительность эксплуатации – подшипники;

·Невысокая стоимость.

Отрицательные стороны шагового двигателя

·Высокий уровень шума;

·Возможность появления резонанса;

·Постоянный расход электроэнергии вне зависимости от нагрузки;

·Падение крутящего момента на высоких скоростях;

·Отсутствие обратной связи при позиционировании;

·Низкая пригодность к ремонту.

Что такое серводвигатель (сервопривод)

Серводвигатель (сервопривод) – это электрический мотор с управлением через обратную отрицательную связь, которая позволяет точно управлять параметрами движения, чтобы достичь необходимой скорости или получить нужный угол поворота. В состав серводвигателя входят непосредственно сам электродвигатель, датчик обратной связи, блок питания и управления.

Конструктивные особенности электродвигателей для сервопривода мало чем отличаются от обычных электродвигателей имеющих статор и ротор, работающих на постоянном и переменном токе, с щетками и без щеток. Особую роль здесь играет датчик обратной связи, который может быть установлен как непосредственно в самом двигателе и передавать данные о положении ротора, так и определять его позиционирование по внешним признакам. С другой стороны, работа серводвигателя немыслима без блока питания и управления (он же инвертор или сервоусилитель), который преобразует напряжение и частоту тока, подаваемого на электродвигатель, тем самым управляя его действием.

Положительные стороны серводвигателя (сервопривода)

·Высокая мощность при малых размерах;

·Высокий крутящий момент;

·Быстрый разгон и торможение;

·Постоянное и бесперебойное отслеживание положения;

·Низкий уровень шума, отсутствие вибраций и резонанса;

·Широкий диапазон скорости вращения;

·Высокая скорость разгона;

·Точное позиционирование;

·Стабильная работа в широком диапазоне скоростей;

·Малая масса и компактная конструкция;

·Низкий расход электроэнергии при малых нагрузках.

Отрицательные стороны серводвигателя (сервопривода)

·Требовательность к периодическому обслуживанию (например, с заменой щеток);

·Дорогостоящий ремонт;

·Сложность устройства (наличие датчика, блока питания и управления) и логики его работы.

·Высокая стоимость.

Сервопривод или шаговый двигатель?

Сравнивая характеристики сервопривода и шагового двигателя, следует обратить внимание, прежде всего, на их производительность и стоимость. . Для производства фасадов МДФ на небольшом предприятии, работающем с малыми объемами, думаю, нет необходимости переплачивать за установку на фрезерный станок с ЧПУ дорогостоящих серводвигателей

С другой стороны, если предприятие стремится выйти на максимально возможные объемы производства, то дешевить на низкопроизводительных шаговых двигателях для ЧПУ не имеет смысла.

Для производства фасадов МДФ на небольшом предприятии, работающем с малыми объемами, думаю, нет необходимости переплачивать за установку на фрезерный станок с ЧПУ дорогостоящих серводвигателей. С другой стороны, если предприятие стремится выйти на максимально возможные объемы производства, то дешевить на низкопроизводительных шаговых двигателях для ЧПУ не имеет смысла.

Принцип работы

программа управления серводвигателями Mach3

Основным аспектом функционирования серводвигателей является  условия его работы в рамках системы G-кодов,  то есть команд управления, содержащихся в специальной программе. Если рассматривать данный вопрос на примере ЧПУ, то сервомоторы функционируют во взаимодействии с преобразователями, которые изменяют величину  напряжения на  якоре или на возбуждающей обмотке двигателя, исходя из уровня входного напряжения. Обычно управление всей системой производится с помощью стойки ЧПУ. При получении команды из стойки пройти определенное расстояние  вдоль координатной оси Х, в субблоке цифрового аналогового преобразователя стойки создается напряжение некоторой величины, которое передается для питания привода указанной координаты. В сервомоторе начинается вращение ходового винта, с которым связан энкодер и исполнительный орган станка. В первом происходит выработка импульсов, подсчитываемых стойкой. Программа предусматривает, что некоторое количество сигналов с энкодера соответствует определенному расстоянию прохождения исполняющего механизма. При получении нужного количества импульсов аналоговый преобразователь выдает нулевое значение выходного напряжения, и сервомотор останавливается. В случае смещения  под внешним воздействием рабочих элементов станка на энкодере формируется импульс, обсчитываемый стойкой, на привод подается напряжение рассогласования, и якорь двигателя поворачивается до получения  нулевого значения рассогласования. В результате  обеспечивается точное удержание рабочего элемента станка в заданном положении.

Без практики никуда

Без практического опыта невозможно овладеть различными методами настройки. Лучше всего практиковаться на испытательном оборудовании

Это позволит избежать крупных финансовых потерь, так как дорогое или важное оборудование не будет уничтожено в процессе испытания. Также испытательное оборудование с меньшей вероятностью может привести к травме

Для этой цели идеально подходит линейный этап, который может сочетаться с различными комбинациями драйверов и двигателей. Регулировка триммеров руками даст вам почувствовать каждую переменную ПИД регулятора. Этот опыт будет иметь неоценимое значение при принятии решений о выборе серводвигателей и драйверов.

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.

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.

Схема и типы сервоприводов

Принцип работы сервопривода основан на обратной связи с одним или несколькими системными сигналами. Выходной показатель подается на вход, где сравнивается его значение с задающим действием и выполняются необходимые действия — например, выключается двигатель. Самым простым вариантов реализации является переменный резистор, который управляется валом — при изменении параметров резистора меняются параметры питающего двигатель тока.

В реальных сервоприводов механизм управления гораздо сложнее и использует встроенные микросхемы-контроллеры. В зависимости от типа используемого механизма обратной связи выделяют аналоговые и цифровые сервоприводы. Первые используют что-то, похожее на потенциометр, вторые — контроллеры.

Вся схема управления серво находится внутри корпуса, управляющие сигналы и питание подаются, как правило, идут по трем проводам: земля, напряжение питания и управляющий сигнал.

Сервопривод непрерывного вращения 360, 180 и 270 градусов

Выделяют два основных вида серводвигателей — с непрерывным вращением и с фиксированным углом  (чаще всего, 180 или 270 градусов). Отличие серво ограниченного вращения заключается в механических элементах конструкции, которые могут блокировать движение вала вне заданных параметрами углов. Достигнув угла 180, вал окажет воздействие на ограничитель, а тот отдаст команду на выключение мотора. У серводвигателей непрерывного вращения таких ограничителей нет.

Материалы шестерней сервопривода

У большинства сервоприводов связующим звеном между валом и внешними элементами является шестеренка, поэтому очень важно, из какого материала она сделана. Наиболее доступных вариантов два: металлические или пластмассовые шестерни

В более дорогих моделях можно найти элементы из карбона и даже титана.

Пластмассовые варианты, естественно, дешевле, проще в производстве и часто используются в недорогих моделях серво. Для учебных проектов, когда сервопривод делает несколько движений, это не страшно. Но в серьезных проектах использование пластмассы невозможно, в виду очень быстрого снашивания таких шестеренок под нагрузкой.

Металлические шестеренки надежнее, но это, безусловно, сказывается как на цене, так и на весе модели. Экономные производители могут сделать часть деталей пластмассовыми, а часть  металлическими, это тожно нужно иметь в виду. Ну и, естественно, что в самых дешевых моделях даже наличие металлической шестеренки не является гарантией качества.

Титановые или карбоновые шестерни — самый предпочтительный вариант, если вы не ограничены бюджетом. Легкие и надежные, такие сервоприводы активно используются для создания моделей автомобилей, дронов и самолетов.

Преимущества серводвигателей

Широкое использование сервоприводов связано с тем, что они обладают стабильной работой, высокой устойчивостью к помехам, малыми габаритами и широким диапазоном контроля скорости. Важными особенностями сервоприводов являются способность увеличивать мощность и обеспечение обратной информационной связи. И этого следует, что при прямом направлении контур является передатчиком энергии, а при обратном – передатчиком информации, которая используется для улучшения точности управления.

Отличия серво и обычного двигателя

Включая или выключая обычный электрический двигатель, мы можем сформировать вращательное движение и заставить двигаться колеса или другие предметы, прикрепленные к валу. Движение это будет непрерывным, но для того, чтобы понять, на какой угол повернулся вал или сколько оборотов он сделал, потребуется устанавливать дополнительные внешние элементы: энкодеры. Сервопривод уже содержит все необходимое для получения информации о текущих параметрах вращения и мжет самостоятельно выключаться, когда вал повернется на необходимый угол.

Отличия серво и шагового мотора

Важным отличием серводвигателя от шагового двигателя является возможность работать с большими ускорениями и при переменной нагрузке. Также серводвигатели обладают более высокой мощностью. Шаговые двигатели не обладают обратной связью, поэтому может наблюдаться эффект потери шагов, в серводвигателях потери шагов исключены – все нарушения будут зафиксированы и исправлены. При всех этих явных преимуществах серводвигатели являются более дорогостоящими приборами, чем шаговые двигатели, обладают более сложной системой подключения и управления и требуют более квалифицированного обслуживания. Важно отметить, что шаговые двигатели и сервоприводами не являются прямыми конкурентами – каждое из этих устройств занимает свою определенную сферу применения.

Дополнительные возможности

Управление сервоприводами на Ардуино очень простое и мы можем использовать еще несколько интересных фишек.

Контроль точного времени импульса

Ардуино имеет встроенную функцию servo.write(градусы), которая упрощает управление сервомоторами. Однако не все сервоприводы соблюдают одинаковые тайминги для всех позиций. Обычно 1 миллисекунда означает 0 градусов, 1,5 миллисекунды — 90 градусов, и, конечно, 2 миллисекунды означают 180 градусов. Некоторые сервоприводы имеют меньший или больший диапазон.

Для лучшего контроля мы можем использовать функцию servo.writeMicroseconds(микросекунды), которая в качестве параметра принимает точное количество микросекунд. Помните, 1 миллисекунда равна 1000 мкс.

Несколько сервоприводов

Чтобы использовать более одного сервопривода в Ардуино нам нужно объявить несколько серво-объектов, прикрепить разные контакты к каждому из них и обратиться к каждому индивидуально. Итак, нам нужно объявить объекты — столько сколько нам нужно:

// Создаем объекты
Servo Servo1, Servo2, Servo3;

Затем нам нужно прикрепить каждый объект к сервомотору. Помните, что каждый сервопривод использует отдельный пин:

Servo1.attach(servoPin1);
Servo2.attach(servoPin2);
Servo3.attach(servoPin3);

В конце концов, мы должны обращаться к каждому объекту индивидуально:

Servo1.write(0); // Задать для Servo 1 позицию в 0 градусов
Servo2.write(90); // Задать для Servo 2 позицию в 90 градусов

Подключение. Земля сервоприводов идёт на GND Arduino, питание на 5В или VIN (в зависимости от входа). И, в конце концов, каждый привод должен быть подключен к отдельному цифровому выводу.

Вопреки распространенному мнению, сервоприводами не нужно управлять через пины PWM — любой цифровой пин подойдет и будет работать.

Управление мышью

Чтобы управлять серво с помощью мыши, вот простой код:

/**
 * Servocontrol (derived from processing Mouse 1D example.) 
 * 
 * Updated 24 November 2007
 */


// Use the included processing code serial library
import processing.serial.*;        


int gx = 15;
int gy = 35;
int spos=90;

float leftColor = 0.0;
float rightColor = 0.0;
Serial port;                         // The serial port



void setup() 
{
  size(720, 720);
  colorMode(RGB, 1.0);
  noStroke();
  rectMode(CENTER);
  frameRate(100);

  println(Serial.list()); // List COM-ports

  //select second com-port from the list
  port = new Serial(this, Serial.list()[1], 19200); 
}

void draw() 
{
  background(0.0);
  update(mouseX); 
  fill(mouseX/4); 
  rect(150, 320, gx*2, gx*2); 
  fill(180 - (mouseX/4)); 
  rect(450, 320, gy*2, gy*2);
}

void update(int x) 
{
  //Calculate servo postion from mouseX
  spos= x/4;

  //Output the servo position ( from 0 to 180)
  port.write("s"+spos); 



  // Just some graphics
  leftColor = -0.002 * x/2 + 0.06;
  rightColor =  0.002 * x/2 + 0.06;

  gx = x/2;
  gy = 100-x/2;

}

Вам не обязательно использовать этот код, вы также можете отправлять команды на плату arduino с серийного монитора Arduino IDE. Позиция сервопривода от 0 до 180 — это команды 0 и 180 сек соответственно.

В основном этот код берет позицию mouseX (от 0 до 720) и делит на 4, чтобы получить угол для сервопривода (0-180). Наконец, значение выводится на последовательный порт с префиксом ‘s’.

Примечание: «s» на самом деле должен быть суффиксом, но поскольку это повторяется, это не имеет значения для результата.

Не забудьте сначала проверить с помощью println(Serial.list ()) COM-порт, который следует использовать.

Сервоприводы с непрерывным вращением

Существует специальные типы сервоприводов, обозначенные как сервоприводы непрерывного вращения. В то время как нормальный сервопривод переходит в определенную позицию в зависимости от входного сигнала, сервопривод непрерывного вращения вращается по часовой стрелке или против часовой стрелки со скоростью, пропорциональной сигналу.

Например, функция Servo1.write(0) заставит сервомотор вращаться против часовой стрелки на полной скорости. Функция Servo1.write(90) остановит двигатель, а Servo1.write(180) будет вращать вал по часовой стрелке на полной скорости.

Таким сервоприводам нашли несколько применений, но нужно понимать, что они достаточно медленные. Один из вариантов — микроволновая печь, когда есть необходимость в двигателе для вращения продуктов питания. Но будьте осторожны, микроволны — опасное дело!

Программный код управления

Для управления углом поворота сервопривода, в программном коде можно либо вбивать ширину имлульсов вручную и подбирать точный угол, либо задавать угол в виде градусов при помощи команды библиотеки.

• ​ Вариант 1

В данном скетче зададим 3 угла поворота выходного вала сервопривода используя управление изменением непосредственно значения ширины импульса. Данный метод самый точный, однако для каждого угла ширину импульсов придется подбирать индивидуально. 

пример программного кода:

//Тестировалось на Arduino IDE 1.0.1
// добавляем библиотеку для работы с сервоприводами
#include <Servo.h> 
// для дальнейшей работы назовем 9 пин как servoPin
#define servoPin 9
// 544 это эталонная длина импульса при котором сервопривод должен принять положение 0°
#define servoMinImp 544 
// 2400 это эталонная длина импульса при котором сервопривод должен принять положение 180°
#define servoMaxImp 2400 
Servo myServo;
void setup()
{
myServo.attach(servoPin, servoMinImp, servoMaxImp);
// устанавливаем пин как вывод управления сервоприводом,
// а также для работы сервопривода непосредственно в диапазоне углов от 0 до 180° задаем мин и макс значения импульсов.
// импульсы с большей или меньшей длиной восприниматься не будут.
// для сервоприводов даже одной партии значения длин импульсов могут отличаться, может быть даже и 584-2440.
// поэкспериментируйте и найдите идеальные длины импульсов конкретно для вашего сервопривода.
}
void loop()
{
  // устанавливаем качалку сервопривода в положение 0°(т.к.импульс равен 544мкс)
  myServo.writeMicroseconds(servoMinImp);
  delay(2000);
  // в данной функции можно задавать длины импульсов непосредственно числами.
  // 90°(т.к.vимпульс равен 1520мкс)
  myServo.writeMicroseconds(1520);
  delay(2000);
  // 180°(т.к. импульс равен 2400мкс)
  myServo.writeMicroseconds(servoMaxImp);
  delay(2000);
}

• ​ Вариант 2

В этом же скетче зададим теже 3 угла поворота выходного вала сервопривода используя команду myservo.write. В данной команде мы уже не задаем ширину импульсов, а просто пишем нужный нам угол. Данный вариант намного удобнее, однако настройка не такая точная как при первом.

пример программного кода:

//Тестировалось на Arduino IDE 1.0.1
#include <Servo.h> 
Servo myservo;

void setup() { 
  // устанавливаем пин как вывод управления сервой  
  myservo.attach(9);
}

void loop() {  
  // устанавливаем угол 0°  
  myservo.write(0);  
  delay(2000);
  // устанавливаем угол 90°  
  myservo.write(90);  
  delay(2000);
  // устанавливаем угол 180°  
  myservo.write(180);  
  delay(2000);
}

Также вам могут понадобиться следующие команды:

myservo.read();
Считывает текущий угол поворота сервопривода, возвращает значение типа int — угол от 0 до 180 градусов.

myservo.attached();
Проверяем, привязан ли сервопривод. Возвращает логическое значение bool.

myservo.detach();
Отключает сервопривод от пина.

Цикл статей о сервоприводах:

• Что такое сервопривод?

• Отличие цифрового сервопривода от аналогового

Купить в России  

Для большого числа осей используйте децентрализацию

По мере того, как на станке увеличивается количество осей, возникает необходимость нахождения компромиссного соотношения между желательной производительностью, точностью и гибкостью, с одной стороны, и вычислительной мощностью контроллера перемещений, с другой. В B&R Industrial Automation рекомендуют для определенных приложений с несколькими осями применять распределенное управление движением. Это облегчает обработку данных и связь между сервоприводами и контроллером перемещений. Области применения включают печатные, упаковочные и расфасовочные машины, а также сборочные линии.

Распределенное управление движением (DMC) отличается от централизованного подхода, при котором используется стандартный контроллер, например, для станка с 8 или 16 координатными осями. Если для расширения функций станка требуется 10 или 18 осей соответственно, то в этом случае приходится использовать второй контроллер. «На самом деле благодаря DMC отпадает необходимость в централизованном контроллере перемещений или в ЦПУ, поскольку все быстрые расчеты перемещения выполняются локально внутри привода, — говорит Зандхeфнер из B&R. — Отпадает также необходимость в точной синхронизации контроллеров перемещения, намного упрощается монтаж электропроводки”. Логические и системные функции ввода/вывода, однако, остаются у основного контроллера.

Как поясняет Зандхeфнер, с помощью DMC осуществляется передача положения главного контроллера по скоростной сети реального времени (такой как Ethernet Power-link), что позволяет каждому приводу одновременно вычислять свое положение в зависимости от «внутреннего шаблона привода”. Далее положение каждого ведомого привода обрабатывается в режиме реального времени как новая уставка для контура управления положением, также замкнутого внутри привода. «В результате этого управление перемещением больше не зависит от количества координатных осей, установленных на станке, даже в том случае, когда при полном объеме производства на участке пользователь добавляет блок с новой опцией» — говорит Зандхeфнер.

И последний совет: не пропускайте литературу и web-сайты производителей, представляющие полезные источники информации по применению сервоперемещения.

Электрический сервопривод для отопления

Более совершенным устройством является электрический сервопривод для отопления или теплого пола. Он включает систему взаимосвязанных механизмов, обеспечивающих поддерживание температуры воздуха в помещении.

Сервопривод для отопления работает вместе с термостатом, который монтируется на стену. Кран с электроприводом устанавливается на подающей трубе, перед коллектором водяного теплого пола. Затем производится подключение, подача питания 220 В и установка на терморегуляторе заданного режима. Система снабжается двумя датчиками: один — в полу, а другой — в комнате. Они передают команды на термостат, который управляет сервоприводом, соединенным с краном. Точность регулирования будет выше, если установить еще прибор на улице, поскольку климатические условия постоянно меняются и влияют на температуру в помещениях.

Сервопривод управляет двух- или трехходовым клапаном. Первый изменяет температуру теплоносителя в системе отопления. с сервоприводом поддерживает температуру постоянной, но изменяет расход горячей воды, подаваемой в контуры. Од содержит 2 входа для горячей жидкости (подающий трубопровод) и холодной (обратка). Выход всего один, через него подается смесь с заданной температурой. Клапан обеспечивает смешивание потоков, регулируя таким путем подачу тепла в коллекторы. Если один из входов открывается, то другой начинает прикрываться. При этом расход на выходе остается постоянным.

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.

Регулировка — ключевой вопрос

«Регулировка — это процесс установки различных коэффициентов усиления (обычно от трех до пяти) с целью получения быстрого, стабильного отклика без избыточных помех», — продолжает Эллис. Регулировка сервосистем, однако, может быть затруднена в большей мере из-за незнакомых принципов, чем вследствие своей сложности. «Старайтесь избегать регулировки с помощью метода проб и ошибок, когда коэффициент усиления увеличивается или снижается для получения хорошего отклика», — советует он. Без плана регулировки процесс наладки может выйти из-под контроля. «Поставщик сервомеханизмов может предоставить потребителю технологию регулировки своей продукции, таким образом отпадает необходимость в специалистах высокой квалификации в области теории управления», — утверждает Эллис.

Джон Мазуркевич, менеджер по серво-продукции в компании Baldor Electric Co., отмечает, что современные элементы сервоуправления позволяют осуществлять ручную или автоматическую регулировку. Несмотря на то, что это требует больше времени, опытные инженеры обычно проводят регулировку вручную. Для выполнения автоматической регулировки он предлагает сначала провести испытания на холостом ходу, затем, когда пользователь познакомится с управлением, характером и местоположением нагрузки, провести регулировку с нагрузкой. «Обычно элементы управления автоматически настраивают контуры тока и скорости. Однако элементы управления Baldor являются уникальными, поскольку они настраивают также и контур положения, что еще более упрощает установку. Обычно полная автоматическая регулировка легко проводится за 10 минут», — утверждает Мазуркевич.

Подключение сервоприводов

При подключении сервомотора в первую очередь следует убедиться  в правильности коммутации питающих кабелей. Сервомоторы имеют две группы проводов. Силовые (питающие) и провода от энкодера. Питающих провода в пучке 3 штуки, они подключаются к драйверу. Провода от энкодера подключаются к COM — порту драйвера. Тип питания и его величина зависит от разновидности изделия.

Маленькие сервомашинки имеют в большинстве 3 провода. 1 провод общий, 1 провод плюсовой и 3 провод сигнальный, от датчика оборотов. Такая питающая схема распространенна для низкооборотистых маломощных сервомашинок, в конструкции которых есть редуктор.

Рекомендуется применять  экранированные витые проводники для передачи управляющих сигналов. Для исключения возможности возникновения наводок электромагнитных полей  не нужно размещать рядом кабеля питания и провода управления. Они должны располагаться на расстоянии не менее тридцати сантиметров.

Подключение сервопривода к Ардуино

Схема подключения ниже:

Сервомотор имеет много встроенных деталей: двигатель, цепь обратной связи и, самое главное, драйвер мотора. Ему просто нужно дополнительно питание, земля и один контрольный пин. Ниже шаги для подключения сервопривода к Arduino, но вы можете всегда свериться с изображением выше.

• Сервомотор имеет гнездовой разъем с тремя контактами. Самый темный или даже черный — это обычно земля. Подключите его к GND Arduino.
• Подключите кабель питания, который по всем стандартам должен быть красным к 5В на Ардуино.
• Подключите оставшийся контакт разъема сервопривода к цифровому выходу на Arduino.

Также ниже приводим пример подключения двигателя и Arduino Diecimilia. Фото найдено на официальном сайте производителя микроконтроллеров.

Для этого варианта подключение следующее:

• Подключите красный от сервопривода к +5 В на ардуине.
• Подключите черный/коричневый от сервопривода к Gnd на ардуино.
• Подключите белый/оранжевый от сервопривода к аналоговому 0 на arduino.

Управление сервоприводом

Решающее значение в управлении сервоприводами выполняет управляющий сигнал, который представляет собой импульсы постоянной частоты и переменной ширины. Длина импульса – это один из важнейших параметров, который определяет положение сервопривода. Эту длину можно задать в программе вручную методом подбора через угол или использовать команды библиотеки. Для каждой марки устройства длина может быть различной.

Когда сигнал попадает в управляющую схему, генератор подает свой импульс, длительность которого определяется с помощью потенциометра. В другой части схемы происходит сравнение длительности поданного сигнала и сигнала с генератора. Если эти сигналы разные по длительности, включается электромотор, направление вращения которого определяется тем, какой из импульсов короче. При равенстве длины импульсов мотор останавливается.

Стандартная частота, с которой подаются импульсы, равна 50 Гц, то есть 1 импульс в 20 миллисекунд. При таких значениях длительность составляет 1520 микросекунд,  и сервопривод занимает среднее положение. Изменение длины импульса приводит к повороту сервопривода – при увеличении длительности поворот осуществляется по часовой стрелке, при уменьшении – против часовой стрелки. Имеются границы длительности – в Ардуино в библиотеке Servo для 0° установлено значение импульса в 544 мкс (нижняя граница), для 180° — 2400 мкс (верхняя граница).

(Использовано изображение с сайта amperka.ru)

Важно учитывать, что на конкретном устройстве настройки могут несколько отличаться от общепринятых значений. У некоторых устройств среднее положение и ширина импульса может быть равной 760 мкс

Все принятые значения также могут незначительно отличаться из-за погрешности, которая может быть допущена при производстве устройства.

Способ управления приводом часто по ошибке называют PWM/ШИМ, но это не совсем корректно. Управление напрямую зависит именно от длины импульса, частота их появления не так важна. Корректная работа будет обеспечена как при 40 Гц, так и при 60 Гц, вклад внесет только сильное уменьшение или увеличение частоты. При резком спаде сервопривод начнет работать рывками, при завышении частоты выше 100 Гц устройство может перегреться. Поэтому правильнее называть PDM.

По внутреннему интерфейсу можно выделить аналоговые и цифровые сервоприводы. Внешних отличий нет – все различия только во внутренней электронике. Аналоговый сервопривод внутри содержит специальную микросхему, цифровой – микропроцессор, принимающий и анализирующий импульсы.

При получении сигнала аналоговый сервопривод принимает решение, менять или нет положение, и по необходимости подает на мотор сигнал с частотой 50 Гц. За время реакции (20 мс) могут произойти внешние воздействия, которые изменят положение сервопривода, и устройство не успеет среагировать.  Цифровой сервопривод использует процессор, который подает и обрабатывает сигналы с большей частотой – от 200 Гц, поэтому он может быстрее отреагировать на внешние воздействия, быстрее развивать нужную скорость и крутящий момент.  Следовательно, цифровой сервопривод будет лучше удерживать заданное положение. При этом для работы цифрового сервопривода требуется больше электроэнергии, что повышает их стоимость. Большой вклад в цену делает и сложность их производства. Высокая стоимость – единственный недостаток цифровых сервоприводов, в техническом плане они намного лучше аналоговых устройств.

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.