Сервопривод: подключение и управление Ардуино

Что такое сервопривод?

Сервопривод — это электрический двигатель, движением вала которого можно управлять с высокой точностью. Можно поворачивать вал привода на любой требуемый угол, а также задавать необходимую скорость его вращения.

Это устройство устанавливается для точного контроля положения или движения механических систем.

Сервопривод: устройство и принцип работы

Конструктивное исполнение и принцип действия механизма отличается, исходя из серии оборудования. Практически все устройства состоят из следующих элементов:

• Привод — это узел, который сообщает движение исполнительному органу;
• Передаточный механизм — чаще всего эту функцию выполняет редуктор и передача (шестеренчатая кривошипная);
• Датчик – оповещает оператора о достижении нужной позиции и направляет сигнал через обратную связь;
• Блок питания — используется в системах, которые напрямую подключаются к электросети, поскольку там нужно трансформация типа и уровня напряжения;
• Система управления — это блок, который передает сигналы на серводвигатель для изменения места положения. Подача осуществляется с помощью микроконтроллеров, микропроцессоров или других плат.

Принцип работы сервопривода основан на передаче сигнала управления на двигатель асинхронного или синхронного типа. Сервопривод получает сигналы от контроллера (например, микроконтроллера или компьютера). Он указывает, в какую позицию необходимо переместиться или какую скорость соблюдать. Датчики выполняют контролирующую функцию, а электроника регулирует их, чтобы достичь заданной точки или скорости. Мотор вращается до тех пор, пока исполнительный орган не достигнет заданного положения. Об этом уведомляет сигнал на датчике обратной связи. При его переходе на блок управления, механический узел отключается. Сервопривод прекращает движение до получения новых импульсов.

Сравнение сервопривода с шаговым двигателем

Вполне вероятно вы могли слышать, что та же функция часто выполняется шаговыми двигателями, однако между этими двумя устройствами имеется существенное отличие. Шаговый привод действительно осуществляет точное  позиционирование объекта за счет четкого числа подаваемых на электрическую машину импульсов, они достаточно тихоходны и не создают лишнего шума. В остальном сервоприводы обладают рядом весомых преимуществ по сравнению с шаговыми электродвигателями:

• Прецизионная точность позиционирования.
• Использование редуктора позволяет повышать крутящий момент и понижать число оборотов.
• Быстрая коррекция положения вала после регулировки перемещения исполнительного механизма путем простого внесения изменений в программу.
• Хорошо совмещаются с быстродействующими устройствами благодаря развитию больших ускорений.
• Могут поддерживать равномерный крутящий момент на всей протяженности рабочего диапазона.
• Отлично переносят температурные, физические и иные нагрузки на протяжении довольно продолжительного времени эксплуатации.

И всё-таки сервоприводы не являются идеальными устройствами, их невозможно применять абсолютно везде, потому что у них есть и недостатки.

• Быстрый износ резистивных дорожек (модели с потенциометрами).
• Более высокая стоимость по сравнению с шаговым приводом.
• Сложная в настройке программа, которая служит для того, чтобы обеспечить высокую точность.

Преимуществ больше, и они важнее недостатков, поэтому сервоприводы имеют такую высокую популярность в разных областях жизнедеятельности.

Виды сервоприводов

Агрегаты классифицируются по многим параметрам, поэтому мы рассмотрим основные критерии.

Тип привода

• Асинхронный — бюджетный вариант сравнительно с синхронными моделями, способный добиться высокой точности позиционирования даже на низких оборотах;
• Синхронный — имеет более высокую цену, но способствует более быстрому выполнению задач за счет быстрого разгона;
• Линейный – отличается повышенным ускорением, в конструкции не предусмотрено классических электромоторов.

С появлением преобразователей частоты стало возможным применение в сервоприводах асинхронных двигателей. ПЧ с микроконтроллером позволяет реализовать практически любые законы регулирования с обратной связью по относительному и абсолютному положению ротора, моменту и скорости вращения. Они особенно востребованы в автомобилестроении и активно устанавливаются в АКПП — для беспроблемного переключения передач. Также они актуальны для спецтехники, транспортирующей грузы весом свыше 100 кг. Вторые и третьи больше ориентированы на различное промышленное оборудование.

Главное преимущество сервоприводов с асинхронными двигателями — относительно низкая цена. При значительных мощностях такие устройства намного дешевле сервоприводов с электродвигателями постоянного тока.

С появлением современных материалов для постоянных магнитов, которые не теряют свойств при нагреве и ударах, наибольшее распространение для сервоприводов получили синхронные электродвигатели на постоянных магнитах или СДПМ.

Главное достоинство таких электрических машин — маленькие размеры. Так, двигатель той же мощности синхронного типа с роторными обмотками имеет габариты в 2 раза превышающие размеры СДПМ.

Кроме того, такие электродвигатели:

• Обладают высоким КПД во всем диапазоне скоростей вращения.
• Имеют возможность поддерживать заданный момент на валу независимо от нагрузки.
• Отличаются относительно простой конструкцией.
• Обладают невысокой инерцией.

В СДМП отсутствуют потери на возбуждение. Сфера применения электрических машин — сервоприводы малой и средней мощности, в том числе с очень высокими требованиями к стабильности скорости вращения.

Принцип действия

• Электромеханический сервопривод — движение обеспечивается электрической машиной и шестеренчатым редуктором;
• Гидромеханический серводвигатель — движение осуществляется при помощи поршневого цилиндра, обладают значительно большей скоростью перемещения.

Материал передаточного механизма

Также разнообразие моделей можно разделить по материалу шестеренок – на такие группы:

• С пластиковыми (нейлоновыми) — легкими, стойкими к износу, но не к большим нагрузкам;
• С карбоновыми — более прочными, при этом не обладающими значительным весом, но и стоящими в несколько раз дороже предыдущих;
• С металлическими (латунными, титановыми) — тяжелыми, выдерживающими даже самый серьезный крутящий момент, но стирающимися друг о друга.

Тип вала двигателя

• Коллекторный с сердечником. Создает высокие вибрации, имеет низкую точность;
• Коллекторный с полым ротором. Отличается быстрым откликом и отсутствием колебаний, а также высокой точностью контроля;
• Бесколлекторный. Самая дорогая модель, обладает высокой скоростью и крутящим моментом.

Размер сервопривода

Еще один важный фактор различия видов — габаритные размеры, а именно соотношение ДхШхВ и вес. В соответствии с ними выделяют три группы силовых агрегатов:

• Малые — 22 на 15 на 25 мм и до 25 г;
• Стандартные (средние) — 40 на 20 на 37 мм и до 80 г;
• Большие — 49 на 25 на 40 мм и до 90 г.

Технические характеристики сервопривода

При выборе конкретной модели сервопривода необходимо руководствоваться основными техническими параметрами, которые изготовитель указывает в паспорте устройства.

Наиболее значимыми характеристиками сервомотора являются:

• Усилие на валу серводвигателя — определяет механический момент и способность перемещать определенный вес, создавать усилие при резке, фрезеровке и т.д.

• Скорость вращения — показывает, сколько поворотов вала может совершить устройство за единицу времени.
• Величина питающего напряжения — чаще всего электроснабжение сервопривода выполняется постоянным током, хотя встречаются модели и с переменным током выходного напряжения. Подключение питания к сервоприводу осуществляется тремя проводами: питающим, управляющим и общим.
• Угол вращения сервопривода — поворот выходного элемента, как правило, выпускается на 180° и 360°.
• Скорость поворота — подразделяется на сервоприводы с постоянным вращением и с переменной частотой.

К двигателям для современных сервоприводов предъявляют следующие требования:

• Высокая точность отработки управляющего сигнала. Электрические машины должны обладать низкой инерцией, иметь неизменные механические характеристики во всем диапазоне регулирования скорости.
• Обеспечивать неравномерность частоты вращения. Часть технологического оборудования регулируется по нелинейным законам, двигатель должен обеспечить их реализацию с минимальными ошибками.
• Иметь достаточную перегрузочную способность. Двигатель не должен перегреваться, выходить из строя при превышении нагрузки на валу.
• Обеспечивать высокую динамику. Скорость реакции силового агрегата сервопривода должна быть достаточной для нормального функционирования оборудования.
• Управляться как можно более простыми алгоритмами. Цена контроллера и ПО составляет значительную часть стоимости сервопривода. Упрощение управления без ущерба характеристикам позволяет снизить стоимость электроники.

Подключение сервопривода к Arduino

Для того чтобы управлять сервоприводом нужно минимальное количество комплектующих:

1. Плата Arduino, подойдет абсолютно любая;
2. Сервопривод, тут тоже особо нет никакой разницы;
3. Перемычки.

Схема подключение сервопривода к Arduino

Тут представлена простейшая схема подключения одного сервопривода, питание на него поступает с самой платы Arduino.

Распиновка выводов сервопривода

Для того чтобы подключить сервопривод нужно знать его распиновку (назначение выводов), разъем имеет 3 вывода. Управляющие сигнал на вывод, цвет которого отличается в зависимости от производителя.

Управление несколькими сервоприводами сигналом с датчика

Если сигнал управления зависит от каких-то внешних факторов, то нужно подключать к Ардуино соответствующий датчик. В данном примере — аналоговый датчик угла (потенциометр). Управлять будем независимо двумя сервоприводами. Задача — следить за напряжением на датчике и закрывать один сервопривод в одну сторону, а другой — в другую. Как-бы имитируя ворота.

Поворачивая ручку потенциометра, сервоприводы приведутся в движение и станут следить за углом поворота.

Удаленное управление сервоприводом по последовательному порту Ардуино

Иногда нужно удаленно управлять исполнителем, подавая команды по последовательному порту UART Ардуино. Управлять можно с ПК и мобильных телефонов, а также с других устройств по USB, UART или Bluetooth.

Программа принимает по последовательному порту строку с числом равным углу требуемого отклонения сервопривода, а затем постепенно переводит рычаг на нужный угол. Затем опять ждет команд.
Благодаря этому, есть возможность определить угол поворота сервопривода.

Управление может осуществляться через монитор последовательного порта Ардуино, терминал порта или терминал Bluetooth на мобильном устройстве, если подключить Bluetooth модуль к Ардуино.

Для чего применяются сервоприводы?

Сегодня сервоприводы широко используются в самых разных областях:

• в робототехнике и при создании манипуляторов, чтобы управлять ими, в свою очередь, берут аппаратно-программные средства ардуино;



• для реализации системы теплого пола — они помогают автоматически регулировать температуру, понижая или повышая ее по мере необходимости;
• в автомобилестроении — для интеграции с замками, подачи жидкости на печку, переключения скоростей в АКПП;
• в грузовом оборудовании — задают режимы захвата, подъема, транспортировки, опускания и отпускания предметов самого разного веса и габаритов.

Это далеко не все возможные сферы и ниши — данные силовые агрегаты, по сути, актуальны везде, где только требуется точно контролировать движение вала.

Большинство сервоприводов поставляют в виде готовых систем сервоусилитель-датчик- двигатель. Современные сервоприводы обеспечивают не только точное полеориентированное управление. Устройства:

• Могут встраиваться в АСУТП любой сложности, а также поддерживают автономное управление. Оборудование обеспечивает связь по унифицированным цифровым, аналоговым сигналам, безпотенциальным контактам, интерфейсам CANopen, PROFIBUS DP, RS 485, DeviceNet, EtherCAT, Modbus TCP, Ethernet Powerlink и другим.
• Легко осваиваются пользователями. Настройка устройств не представляет сложности, управление имеет интуитивно понятный интерфейс. Сервоприводы уже укомплектованы заводским ПО, имеет функции автоматического распознавания внешнего оборудования. При необходимости можно скачать нужные программы или обновить их с сервера производителя.
• Можно масштабировать и модернизировать. Ряд сервоприводов промышленного назначения имеет открытую архитектуру. Оборудование легко адаптируется путем установки дополнительных элементов: датчиков, модулей и других.
• Имеют защиту от ненормальных режимов работы. Сервоприводы обеспечивают отключение при превышении допустимого значения тока, колебаний или отключения напряжения в сети, перегрузок при динамическом торможении. Оборудование также имеет защиту от перегрева электродвигателя, ошибок датчика, превышения допустимого рассогласования. Для поиска причины возникновения ненормального режима сервоприводы автоматически записывают время и дату аварии, код предположительной причины.

Современные сервосистемы отличаются разнообразием. Выпускают устройства для несложного оборудования с алгоритмом управления по 1оси, до сложных роботов с многоосевым управлением.

Что может стать причиной поломки серводвигателей?

В отличие от планового ремонта сервомоторов, который включает замену расходников и профилактическое обслуживание, аварийные ремонтные работы требуются уже при возникновении поломки. Причинами неисправностей серводвигателей бывают:

• наличие заводского брака;
• неполадки внутри обмоток — замыкание витков, нарушение изоляции, обрыв и прочие;
• заклинивание подшипников;
• истирание сальников и посадочных мест подшипников;
• выход из строя датчиков и сбой их положения;
• размагничивание ротора;
• нарушение целостности корпуса.

Эти и многие другие неисправности устраняются на месте или с доставкой сервомотора в сервисный центр. 

Ошибки сервоприводов

В процессе работы выходит из строя даже самое надежное промышленное оборудование. Привода в наше время, нашли широкое применение абсолютно во всех сферах промышленности, управляя как мини моторами в оргтехнике, так и гигантскими двигателями в горнодобывающей промышленности.

Для простоты общения со столь сложной электроникой все сервопривода оснащены небольшими дисплеями, с помощью которых выводятся информационные сообщения с кодами ошибок, расшифровав которые можно сразу же узнать причину ее возникновения.

Существует несколько видов ошибок, некоторые из них можно устранить автоматически, а некоторые возможно исправить только обратившись в специализированный сервисный центр. 

Ремонт сервопривода

По аналогии с частотными преобразователями, сервопривод состоит из двух частей, это:

• Аппаратная часть;
• Программная часть.

В первую очередь ремонтируется аппаратная часть промышленного сервопривода. После глубокой диагностики неисправного блока выявляются все неисправные компоненты, которые впоследствии заменяются на оригинальные запасные части (по возможности), в случае если сервопривод уже давно снят с производства и найти оригинальные запчасти просто невозможно они заменяются на аналоги.

Данный вид ремонта называется компонентным. От других видов его отличает две немаловажные вещи.

• Значительное удешевление ремонта;
• Существенное сокращение времени ремонта.

По завершении ремонта аппаратной части сервопривода наступает очередь программной. В зависимости от серии выбирается программный продукт и зашивается в блок.

Заключительный этап ремонта сервопривода — это проверка на специализированном стенде, без нагрузки и с нагрузкой, максимально приближенной к реальным условиям эксплуатации.