Serwomechanizmy

**SERWOMECHANIZM**

Zalety
serwomotoru:

1) Duża mocy wyjściowa w odniesieniu
do wymiarów/wagi silnika

2) Enkoder zapewnia wymaganą dokładność/rozdzielczość

3) Duża sprawność, przy małych obciążeniach dochodzi do
90%

4) Duża moc, możliwość osiągania dużych przyśpieszeń

5) Posiada "zapas" mocy. W krótkim okresie czasu
możliwe 2-3 krotne przeciążenie

6) Posiada "zapas" siły. W krótkim okresie czasu
możliwy wzrost 5-10 krotny.

7) Motor się nie grzeje. Prąd proporcjonalny do obciążenia

8) Bardzo dobry wskaźnik prędkość/siła

9) Cicha praca przy dużych prędkościach

10) Brak rezonansów i wibracji

Serwomechanizm to zamknięty układ sterowania (układ
automatyki, układ regulacji) ze sprzężeniem zwrotnym, w którym sygnałem
wyjściowym jest jakaś dana, taka jak położenie, prędkość czy przyśpieszenie.
Często jest to po prostu przesunięcie.

Wartość wzorcowa porównywana jest
z przetworzonym przez przetwornik bieżącym sygnałem wyjściowym i powstały w ten
sposób uchyb podawany jest na człon korekcyjny, a dalej na wzmacniacz.
Wzmocniony sygnał trafia do siłownika (może być to odpowiedni silnik
elektryczny – ang. servomotor), którego przemieszczenie jest wartością
wyjściową układu. Zadaniem serwomechanizmu jest likwidacja błędów regulacji
(uchybu przemieszczenia), powstających na skutek zmian wielkości wzorcowej, a
więc klasyfikujemy go jako układ nadążny. Serwomechanizm ma strukturę typowego
układu regulacji, nie steruje jednak obiektem technologicznym, lecz siłownikiem
w celu usprawnienia działania toru wykonawczego.

Specyfiką serwomechanizmów jest całkujący
charakter siłownika o dynamice nie utrudniającej regulacji, ale wnoszącej nieliniowość.
Zmusza to do stosowania korektorów proporcjonalnych (regulator P), o dużym
wzmocnieniu, a nawet wzmacniaczy trójpołożeniowych.

Całkujący charakter siłownika
zapewnia teoretycznie zerowy błąd statyczny. Duże wzmocnienie w torze głównym
poprawia nadążanie układu za zmianami wzorca, ale zmniejsza zapas stabilności.
Sytuację można poprawić wprowadzając korektor, regulator
proporcjonalno-różniczkujący (PD).

Serwomechanizmy są powszechnie
stosowane w przemyśle, np. w maszynach działających automatycznie.

Serwomechanizmem nazywamy układ
automatycznej regulacji, w którym wielkością zadaną jest liniowe lub kątowe
przesunięcie mechaniczne.

Serwomechanizmy składają się z:

- Serwo wzmacniacza, który zasila silnik elektryczny

- Serwo silnika wyposażonego w enkoder

- Układu wejściowego/wyjściowego do odbioru sygnałów
zadających i sterujących

Proces
pozycjonowania osi to taki sposób sterowania osią, aby przyjmowała ona ściśle
określone pozycje wg zadanych parametrów ruchu, takich jak prędkość,
przyśpieszenie, szarpnięcie. Ruch obrotowy osi, napędzanej przez silnik
serwonapędu, może być wykorzystany do napędzania mechanizmów obrotowych lub
może zostać zamieniony np. za pomocą śruby pociągowej, na ruch liniowy.

Serwomechanizmy
stosujemy:

- Kiedy istotne
jest zapewnienie właściwych pozycji przyjmowanych przez mechanizmy,

- Kiedy zależy
nam na ruchu szybkim i precyzyjnym, utrzymaniu stałego naprężenia rozwijanego
lub zwijanego materiału, wierceniu, dokręcaniu śrub z określonym momentem itp.

**Podstawowe rodzaje regulacji serwomechanizmów:**

- Regulacja
położenia ze sprzężeniem od położenia

- Regulacja
prędkości ze sprzężeniem od prędkości

- Regulacja
momentu obrotowego ze sprzężeniem prądowym

**Podstawowe tryby pracy serwomechanizmów**

- regulowanie
położenia (pozycjonowanie),

- regulowanie
prędkości obrotowej,

- regulowanie
momentu obrotowego,

Wiele enkoderów
wyposażonych jest w możliwość zmiany trybu regulacji, tj. tryb pracy z
przełączeniem pomiędzy regulacją położenia/prędkości, prędkości/momentu,
momentu/położenia.

**Tryb regulacji położenia „P”:**

Prędkość i kierunek
obrotów silnika są zadawane z zewnątrz, np. ciągiem impulsów, co wraz z
połączeniem z enkoderami o wysokiej rozdzielczości zapewnia niezwykle
precyzyjne pozycjonowanie wału.

**Tryb regulacji prędkości „S”:**

Prędkość obrotowa
serwosilnika jest zadawana zewnętrznym sygnałem analogowym lub cyfrowym z
zaprogramowanymi wartościami parametrów. Kierunek obrotów zadawany jest
zewnętrznym sygnałem dwustanowym lub znakiem analogowego sygnały zadawania
prędkości

**Tryb regulacji momentu „T”:**

Wartość
generowanego przez serwosilnik momentu obrotowego jest zadawana zewnętrznym
sygnałem analogowym lub zaprogramowanymi wartościami parametrów. Kierunek
momentu zadawany jest zewnętrznym sygnałem dwustanowym lub znakiem analogowego
sygnału zadawania momentu.

    **ENKODERY**

Rodzaje
enkoderów:

- Enkoder inkrementalny

- Enkoder absolutny

- Enkoder liniowy

**Enkoder absolutny**

– Impulsator,
który przyporządkowuje odpowiednim wartościom kąta, kodowane wartości liczbowe.

- Na wałku
napędowym znajduje się tarcza kodowa, która pozwala na zadawanie wartości
absolutnych położenia w dowolnym momencie, bez konieczności porównywania z
punktem odniesienia.

- Pozwala
uzyskać informację o pozycji wału silnika po ponownym uruchomieniu, gdy zanikło
napięcie zasilania

- Dostępne są
dwa rodzaje enkoderów absolutnych: jednoobrotowe i wieloobrotowe. W enkoderze jednoobrotowym
dzielony jest jeden obrót wału na odpowiednią liczbę korków i pomiar wielkości
powtarza się po jednym obrocie. W enkoderze wieloobrotowym pomiar wielkości
jest wynikiem pozycji kątowej i liczby obrotów wału.

- Informacja o
pozycji przekazywana jest do modułu pozycjonującego w formie cyfrowej, a nie np.
w postaci dwóch przesuniętych sygnałów A i B.

- W przypadku
wystąpienia zakłócenia, informacja cyfrowa o aktualnej pozycji zostanie
ponownie wysłana do modułu, tak więc ewentualne zakłócenia nie pogorszą procesu
sterowania osiami.

- Kod Gray’a ma
jedną ogromną zaletę – kolejne liczby różnią się zawsze tylko jednym bitem. Eliminuje
to możliwość odczytania błędnych pozycji pośrednich.

**Enkoder inkrementalny:**

- Impulsator,
który zlicza impulsy (przyrosty kątowe) odpowiadające ruchowi obrotowemu.

Charakterystyczną cechą tych urządzeń jest stała, niezmienna ilość impulsów na
wyjściu np. 1024 imp/obrót., odpowiadająca rozdzielczości systemu pomiarowego.

- Do kontroli
kierunku, drugi sygnał w kolejności jest przesunięty fazowo o 90 st. Licznik
zewnętrznego systemu kontroli może być ponownie ustawiany dodatkowym zerowym
impulsem,

- Pomiar
położenia następuje niezależnie od rozdzielczości wyjściowej enkodera, oznacza
to, że każda rozdzielczość, od 1 do 32768 impulsów na obrót, może zostać
uzyskana na podstawie mechanicznego ruchu obrotowego i jego zamiana na sygnał
elektryczny jest zasadnicza dla niezawodnego działania w pozycjonowaniu i CNC.

**SERWOSILNIKI, SERWOMOTORY**

Stosuje się
silniki prądu stałego i przemiennego:

- Silnik prądu stałego

- Silnik krokowy (skokowy)

- Silnik prądu stałego z
magnesami trwałymi

- Silnik prądu stałego
bezszczotkowy (brushless motor)

- Silnik asynchroniczny dwufazowy

- Silnik asynchroniczny
trójfazowy

- Silnik synchroniczny trójfazowy

**SERWOSTEROWNIKI**

Zazwyczaj są to
specjalizowane urządzenia do sterowania serwosilnikami, które umożliwiają
regulację prędkości oraz położenia kątowego wału silnika. W układzie
serwonapędu zadaniem sterownika pracującego w zamkniętej pętli sprzężenia
zwrotnego jest, na podstawie danych z enkodera, takie sterowanie silnikiem
napędowy, aby uzyskać założony skutek, np. obrót wału silnika o określony kąt.

Serwosterowniki
są układami cyfrowymi ale umożliwiają sterowanie analogowe z poziomu listwy
zaciskowej przez wejścia/wyjścia analogowe. W trybie analogowym mogą pracować
jako automatyczne regulatory ruchu realizując proste zadania. Pełne możliwości
funkcjonalne serwosterowników mogą być wykorzystywane dopiero przy sterowaniu
cyfrowym przy pomocy zainstalowanego mikrokontrolera pozwalającego na uzyskanie
czasów próbkowaniu rzędu kilkudziesięciu mikrosekund oraz zamknięcia
wewnętrznej pętli pozycjonowania w czasie rzędu kilku mikrosekund.

Współcześnie są
wyposażane w interfejsy komunikacyjne RS232, które umożliwiają szybką
komunikację z jednostką nadrzędną lub wymianę informacji pozwalającą na
synchroniczną prace wielu serwosilników.