Jak działają serwonapędy: zasada i komponenty serwonapędów

Servo to najbardziej zaawansowany i nowoczesny typ silnika. Przeznaczony jest do stosowania w aplikacjach sterowania ruchem wymagających wysokiej dokładności pozycjonowania. Wiedza o tym, jak działa serwonapęd, pozwala nam zrozumieć jego rosnące zapotrzebowanie na automatyzację procesów przemysłowych i technologię konsumencką.

Era przedcyfrowa

Nazwa Le-Servomoteur została po raz pierwszy użyta przez Josepha Farco w 1868 roku do opisania silników hydraulicznych i parowych stosowanych w przemyśle stoczniowym. Rzeczywiste znaczenie tego słowa z czasem zaginęło, ale można przypuszczać, że była to gra słów z francuskiego cerveau (mózg) i łacińskiego servus (serwować). W szerokim znaczeniu termin ten został wprowadzony nie po to, aby podkreślić użyteczność lub złożoność silników, ale skupił się na ich zdolności do obsługi poleceń kompleksu sterowania napędem. Oznacza to, że napęd ma sprzężenie zwrotne z resztą systemu i reaguje na jego sygnały.

W 1898 Tesla eksperymentował z bezprzewodowym sterowaniem modelami statków wyposażonymi w serwosilniki ze stycznikami, aw 1911 Hobart już umieścił w swoim słowniku termin „serwomotor”. Do 1915 roku słowo to zostało mocno zakorzenione wśród anglojęzycznych inżynierów elektryków, pomimo jego francuskiego pochodzenia.. Dalszy rozwój technologii przed II wojną światową był więcej niż szybki:

• 1916 - opatentowana torpeda pneumatyczna, w której kierownica była podporządkowana mechanizmowi serwo;
• 1922 – General Electric rozpoczyna prace nad serwomechanizmami do sterowania działami okrętowymi;
• 1925 - stworzył elektroniczne serwomechanizm pistoletu, wykorzystujący sterowanie proporcjonalne i dodatnie sprzężenie zwrotne;
• 1933 – Wprowadzenie na rynek magnetofonu serwo DC.
• 1935 - testowano pierwszy silnik krokowy jako zdalny przekaźnik położenia kompasu i celownika pistoletu.

Ewolucja precyzji

Silniki krokowe były używane w ograniczonej liczbie podczas i po II wojnie światowej. W latach 60. ubiegłego wieku doświadczyły kilku ulepszeń i były wszechobecne przez ponad dwie dekady jako niezastąpione bezzałogowe elementy sterujące, wskaźniki do sortowania wagonów i stanowisk ważenia, cyfrowe wysokościomierze różnicowe i komputer obrzeże.

Pierwsze silniki bezszczotkowe zostały opracowane w połowie lat 50-tych. Wyeliminowanie szczotek mechanicznych pozwoliło im działać zaskakująco długo z wysoką niezawodnością. Silniki krokowe mają silnego konkurenta. Silniki bezszczotkowe są niezbędne w eksploracji kosmosu, co determinowało ich szybki rozwój.

Pojawienie się niedrogich metod produkcji magnesów z kobaltem ziem rzadkich w latach 60. stało się główną podstawą przełomu technologicznego silników prądu stałego. To właśnie te, wyposażone w sterowane napędy sprzężenia zwrotnego, stanowią większość produkowanych na świecie serwosilników. Mikroprocesory weszły na rynek automatyki na początku lat 70. i były w stanie zapewnić niemal idealną kontrolę nad ruchem maszyny.

Urządzenie i typy

Serwonapęd to urządzenie przeznaczone do wykonywania czynności mechanicznych z dużą precyzją przy ciągłej samokontroli położenia celu i parametrów ruchu. Obecność systemu sprzężenia zwrotnego z czułym urządzeniem do korekcji odchyleń od ustawionych parametrów odróżnia go od innych typów napędów. W szerszym znaczeniu termin ten odnosi się do nowoczesnych silników elektrycznych wyposażonych w serwonapędy. W uproszczeniu urządzenie serwo można opisać jako zamknięty system czterech elementów:

• czujnik;
• silnik;
• kontroler;
• system sprzężenia zwrotnego.

Zasada działania siłownika wygląda tak: na wejście urządzenia wysyłane jest polecenie nadania nowego stanu (współrzędne, prędkość itp.) ), urządzenie określa wartość prądu, porównuje ją z otrzymaną i wykonuje działanie sterujące na silniku w celu zmniejszenia ich różnicy.

Ze względu na możliwość utrzymywania i kontrolowania zadanych parametrów serwomechanizmy uznawane są za najbardziej zaawansowane siłowniki. Nowoczesne urządzenia bardzo się zmieniły w porównaniu z pierwszymi generacjami. Teraz są to inteligentne urządzenia, wykonane z wykorzystaniem najnowszych osiągnięć w produkcji magnesów i technologii procesorowej. W XXI wieku postęp umożliwił kilkukrotne obniżenie kosztów prostych urządzeń bez utraty ich walorów i tworzenie zaawansowane technicznie napędy o zmiennej prędkości i wysokiej precyzji dla wymagających branż, takich jak: budowa obrabiarek.

We współczesnym przemyśle stosowane są dwa rodzaje serwosilników: liniowy i obrotowy. Liniowe pozwalają osiągnąć:

• duże prędkości i przyspieszenia;
• wysoka dokładność pozycjonowania.

Mają niezaprzeczalne zalety, niemniej jednak popularne są serwa obrotowe. Wynika to głównie z faktu, że liniowe mają tendencję do przegrzewania się. Ciepło powoduje niepożądane rozszerzanie się, obciążając łożyska, smar i czujniki. Z biegiem czasu wpływa to negatywnie na żywotność komponentów.

Silniki obrotowe dzielą się z kolei na serwa pozycyjne i obrotowe ciągłe. Najpopularniejszym typem są pozycyjne urządzenia obrotowe. Wał wyjściowy działa tylko w wycinku koła, ograniczonym fizycznymi ogranicznikami, aby zapobiec obrotom poza granice określone w projekcie.

Silniki ciągłe są bardzo podobne do silników pozycyjnych z tą różnicą, że mają możliwość obracania się w dowolnym kierunku z różnymi prędkościami w zależności od sygnału wejściowego.

Zalety serwonapędów obrotowych z punktu widzenia sterowania są następujące:

• moment obrotowy jest proporcjonalny do prądu;
• prędkość jest proporcjonalna do przyłożonego napięcia.

Zarówno pierwszy, jak i drugi są poszukiwane w zastosowaniach, od zabawek dla dzieci po robotykę kosmiczną.

Serwa oczywiście nadal się poprawiają. Powstały i ewoluowały w wyniku tendencji do decentralizacji systemów automatycznych. Zmniejszenie kosztów procesorów przyspiesza ten proces. Liczba funkcji wykonywanych przez nowoczesne serwa rośnie i prawdopodobnie będzie rosła. Najnowsze urządzenia posiadają już możliwość samoregulacji i optymalizacji parametrów sterowania i mogą być produkowane ze sterownikami procesowymi do instalacji zdalnych.

Jest całkiem możliwe, że serwonapędy przyszłości rozwiążą wiele powiązanych zadań w maszynach i mechanizmach, pomagając uniknąć instalacji dodatkowego wyposażenia.