Сервоприводы: устройство, принцип работы и основные виды

Познакомимся поближе с сервоприводами. Что это такое и как они работают? Рассмотрим разновидности сервоприводов и их применение, дадим подсказки по подключению и управлению.

Сервопривод — это электродвигатель с блоком управления, который за счёт обратной связи может точно поддерживать заданное положение вала или постоянную скорость вращения.

Сервоприводы используются, чтобы аккуратно приводить в действие различные механизмы. К примеру, привод может открывать/закрывать заслонки кормушки для домашнего питомца или активировать тайник в квеструме. А ещё сервомотор даст возможность вашему роботу управлять руками или вращать головой.

Крутящий момент представляет собой произведение силы на длину рычага. Другими словами, он показывает, насколько тяжёлый груз сервопривод способен удержать в покое на рычаге заданной длины.

Например, если крутящий момент равен 5 кг·см, это означает, что сервопривод удержит в горизонтальном положении рычаг длиной 1 см с подвешенным грузом 5 кг на свободном конце. Или, что равносильно, удержать рычаг длиной 5 см с подвешенным грузом 1 кг.

Скорость сервопривода выражается через время, за которое выходной вал успеет повернуться на 60°. Характеристика 0,1 с/60° означает, что сервопривод поворачивается на 60° за 0,1 с. Из неё можно вычислить скорость в оборотах в минуту, но так сложилось, что для сервоприводов чаще всего используют именно интервал времени поворота на 60°.

Сервоприводы различаются по размерам. И хотя официальной классификации не существует, производители давно придерживаются нескольких размеров с общепринятым расположением крепёжных элементов.

Сервоприводы бывают аналоговые и цифровые. Внешне они ничем не отличаются: электромоторы, редукторы, потенциометры у них одинаковые. Главное отличие между аналоговыми и цифровыми сервоприводами состоит в способе обработки управляющего сигнала и сигнала обратной связи. В остальном их устройство и принципы работы совпадают.

В аналоговом сервоприводе входные данные анализируются логической микросхемой: сравнивается текущее и необходимое положения двигателя, и на основании разницы даётся команда изменить положение. Время реакции составляет порядка 20 мс, поскольку импульс подаётся с частотой 50 Гц. Полученный сигнал определяет, когда и в какую сторону вращать двигатель.

В цифровом сервоприводе входные данные анализируются микроконтроллером. Данное техническое решение позволяет увеличить частоту сигналов до 200 Гц и выше. Каждый импульс короче по длине, но благодаря большому количеству сигналов, двигатель становится более шустрым: быстрее реагирует на внешние воздействия и развивает необходимый крутящий момент, а мёртвые зоны становятся намного короче.

Цифровые сервоприводы решают проблемы, связанные с низкой частотой сигналов, но вместе с тем становятся сложнее в производстве, а потому и дороже. Кроме того, они потребляют чуть больше энергии, чем аналоговые.

Шестерни редуктора могут быть пластиковые или металлические.

Пластиковые шестерни редуктора изготавливаются из силикона или нейлона, они слабо подвержены износу, мало весят и недорого стоят. Это делает их довольно популярными в любительских проектах, где не предполагаются большие нагрузки на механизм.

Металлические шестерни редуктора тяжелее и дороже, но зато способны выручить там, где предполагаются нагрузки, непосильные для пластика. Поэтому более мощные двигатели обычно оснащаются именно металлическим редуктором. Шестерни из титана — фавориты среди металлических шестерней, причём как по техническим характеристикам, так и, к сожалению, по цене.

Однако металлические шестерни быстро изнашиваются, так что придётся менять их практически каждый сезон.

Существует три типа моторов для сервоприводов:

• Коллекторный мотор с сердечником (Brush motor).
• Коллекторный мотор без сердечника (Coreless motor).
• Бесколлекторный мотор (Brushless motor).

Коллекторный мотор с сердечником обладает плотным железным ротором с проволочной обмоткой и магнитами вокруг него. Ротор имеет несколько секций, поэтому когда мотор вращается, ротор вызывает небольшие колебания мотора при прохождении секций мимо магнитов. В результате получается, что сервопривод вибрирует и не отличается точностью, зато это самый доступный по цене тип двигателей.

Коллекторный мотор с полым ротором обладает единым магнитным сердечником с обмоткой в форме цилиндра или колокола вокруг магнита. Конструкция без сердечника легче по весу и не разделена на секции, что приводит к более быстрому отклику и ровной работе без вибраций. Такие моторы дороже, но они обеспечивают более высокий уровень контроля, крутящего момента и скорости по сравнения с мотором с сердечником.

Бесколлекторный мотор обладает всеми положительными качествами моторов без сердечников, но к тому же способен развивать в тех же условиях более высокую скорость и крутящий момент. Такой тип двигателей самый дорогой.

Сервоприводы отличаются по сигналу управления и способу преобразования электрической энергии в механическую.

Сервоприводы с интерфейсом PDM (PWM), которые преобразуют управляющие сигналы в установку и удержание заданного угла.

Сервоприводы с интерфейсом PDM (PWM), которые преобразуют управляющие сигналы, чтобы поддерживать заданную скорость вращения вала в любом направлении без ограничений по углу поворота.

Сервоприводы с интерфейсом SCS, которые преобразуют управляющие сигналы в установку и удержание заданного угла.

Сервоприводы с интерфейсом STS, которые преобразуют управляющие сигналы, чтобы поддерживать заданную скорость вращения вала в любом направлении без ограничений по углу поворота.

Сервоприводы бывают разные: получше или подешевле, надёжнее или точнее. И перед тем, как купить сервопривод, стоит учесть, что он может не обладать лучшими характеристиками, но главное, чтобы он подходил именно для вашего проекта. Удачи в ваших начинаниях!

• Каталог сервоприводов в магазине.

• Сервоприводы PDM с удержанием угла: особенности применения и примеры кода
• Сервоприводы PDM постоянного вращения: особенности применения и примеры кода
• Сервоприводы SCS: особенности применения и примеры кода
• Сервоприводы STS: особенности применения и примеры кода