Как позвонить серводвигатель

Автор:
Monica Porter

Дата создания:
13 Март 2021

Дата обновления:
11 Февраль 2023

Содержание

• Шаг 1
• Шаг 2
• Шаг 3
• Шаг 4
• Шаг 5
• Шаг 6
• Шаг 7

Тестирование серводвигателя важно, чтобы убедиться, что он работает правильно. Эти типы двигателей очень часто используются в системах управления, которые должны быть автоматическими, таких как системы круиз-контроля, установленные во многих современных транспортных средствах. Иногда системы с серводвигателями не работают должным образом и требуют проверки на наличие проблем. Это необходимо сделать, чтобы предотвратить любое повреждение двигателя, которое может привести к очень дорогостоящему ремонту.

Шаг 1

Отключает питание машины, к которой подключен серводвигатель. Если это автомобиль, отсоедините разъемы аккумулятора, чтобы через автомобиль не протекала энергия. Наденьте пару резиновых защитных перчаток на случай, если во время работы возникнет искра.

Шаг 2

Проверьте двигатель на предмет коротких замыканий. Проверьте заземляющий провод серводвигателя с помощью мегомметра. Подсоедините положительный провод мегомметра к клемме T1 (фаза 1), а отрицательный провод к заземляющему проводу. Повторите этот шаг для клемм T2 и T3, убедившись, что провода или выводы не касаются других точек вокруг двигателя.

Шаг 3

Проверьте показания мегаомов. Каждое показание должно составлять от 600 до 2000 МОм. Значительно более низкие значения или нулевые значения указывают на короткое замыкание в системе.

Шаг 4

Проверить кабель на предмет короткого замыкания. Снимите кабель с двигателя и осмотрите его на предмет повреждений. Как и в случае с любым другим электрическим элементом, контакты разъема или провода, которые соприкасаются друг с другом, могут вызвать короткое замыкание. Вы должны разделить эти части вручную, если они соприкасаются друг с другом.

Шаг 5

Проверить на обрыв цепи в системе. Поместите омметр между клеммами T1 и T2, между T2 и T3 и между T1 и T3. Измерения омметра должны быть в пределах от 0,3 до 2 Ом. Более низкое значение или один из нуля указывает на короткое замыкание.

Шаг 6

Проверьте моторные щетки. Их можно найти, сняв крышки с мотора. Обычно это круглые элементы, которые можно раскрашивать. Щетки расположены под квадратным блоком, который защищен колпачками. Использованные щетки можно протирать тряпкой. Очистите всю поверхность до полного очищения от грязи.

Замените разъемы аккумулятора, если серводвигатель находится в автомобиле. Подключите питание к двигателю, и теперь он готов к работе.

Серводвигатели — чрезвычайно полезные устройства. Они похожи на двигатели переменного/постоянного тока, за исключением того, что имеют дополнительное устройство позиционирования. Присоединенное к ним устройство позиционирования обеспечивает полезную обратную связь для дополнительного контроля в замкнутом системном контуре. Несмотря на свои небольшие размеры, эти двигатели обладают огромной мощностью и эффективностью.

Серводвигатели становятся все более и более распространенными в сегодняшних отраслях промышленности, где необходимы точность и контроль положения вала, вращения, крутящего момента и скорости. Серводвигатели можно найти практически в каждой отрасли производства, везде, где есть автоматизированный процесс. Поэтому, наличие надежного партнера для ремонта серводвигателей является ключом к предотвращению дорогостоящих простоев.

Если ваш серводвигатель выходит из строя, вам нужно знать, как проверять различные проблемы и ориентироваться в процессе ремонта. 
В приведенном ниже руководстве мы расскажем, как работают услуги по ремонту серводвигателей, обсудим некоторые распространенные проблемы с серводвигателями и проведем вас через устранение неисправностей, прежде чем вы примите решение о профессиональном ремонте.

Процесс ремонта серводвигателей

Инженеры нашей компании следуют строгому пошаговому процессу ремонта серводвигателей. Процесс выглядит так:

• Устройство подвергается визуальному осмотру на предмет очевидных неисправностей, таких как следы ожогов, коррозия, трещины и плохие соединения.
• Крышка обратной связи снимается, и устройство внимательно осматривается. Выполняются электрические испытания, чтобы определить, можно ли безопасно запитать обратную связь. В это время также отключается обратная связь, чтобы можно было проверить обмотки двигателя, не повредив их.
• Обмотки двигателя проверяются с помощью мегомметра, тестирования высокого потенциала, баланса сопротивлений и импульсных перенапряжений на двигателе.
• В случае серводвигателей, использующих магниты, проводятся постоянного напряжения.
• При необходимости выполняются механические работы, в том числе ремонт шпоночных пазов, ремонт вала и подшипниковых посадочных мест.
• При каждом ремонте устанавливаются новые подшипники и уплотнительные элементы.
• Обратная связь проверяется на электронной системе Mitchell, будь то резольвер, энкодер или тахометр.
• В случае неисправности устройство обратной связи ремонтируется или заменяется.

Наша приверженность предоставлению качественных услуг по ремонту серводвигателей с помощью описанных выше шагов помогает гарантировать, что ваше оборудование продолжит работать, когда вы снова начнете его использовать.

Распространенные причины поломки серводвигателей

Если ваша компания часто использует серводвигатель, возможно, вам стоит ознакомиться с типичными причинами поломки двигателя. 

1. Неисправный блок питания или привод.

Одна из причин заключается в том, что серводвигатель может иметь недостаточное питание или неисправный привод. В этом случае сам мотор в порядке, но отказы внешних систем вызывают его неисправность.

Неисправный привод или источник питания могут повредить серводвигатель, создав скачок напряжения или неравномерность подачи мощности на двигатель. 

2. Неисправности подшипников.

Часто серводвигатель беспокоит неисправный подшипник. Изношенный или несмазанный подшипник может вызвать резкий визг или вой. Поэтому, если ваш двигатель проявляет этот симптом, вероятнее всего дело в подшипнике. 

Иногда вы можете изменить настройки и параметры, чтобы компенсировать эту проблему, но если это не сработает, вам, вероятно, потребуется заменить подшипник.

Обязательно сделайте это сразу — со временем неисправный подшипник может привести к полной поломке мотора.

3. Пыльный тормоз

Пыльные тормоза также могут вызвать пронзительный визг серводвигателя. Если у вашего серводвигателя есть тормоз, пыль с тормозных колодок могла проникнуть в сам тормоз. Тогда пыль может перейти к подшипникам, впитать масло и вызвать трение и визг. Несмотря на то, что подшипники серводвигателя обычно имеют экранирование, пыль часто может проникнуть внутрь и скомпрометировать их.

4. Ошибка позиционирования

Ошибка позиционирования также может вызвать проблемы для вашего серводвигателя. Если это произойдет, двигатель остановится и будет издавать гудение или дребезжание, а вал будет слегка дергаться, даже если он находится в состоянии покоя.

5. Проблема с настройкой или потеря параметров

Проблемы с настройкой и потеря параметров могут вызывать вибрации, аналогичные тем, которые вызваны ошибками позиционирования. Вы можете проверить, являются ли эти проблемы причиной неисправности, выполнив процедуры настройки двигателя и привода. В противном случае проблема с обратной связью в двигателе может потребовать ремонта.

6. Электрические отказы

Конденсаторы, резисторы, диоды, энкодеры, резольверы и другие электрические компоненты со временем изнашиваются. По мере того, как ваше электрическое оборудование выходит из строя, оно в конечном итоге начинает снижать производительность вашего двигателя и требует ремонта.

7. Неисправности механического крепления, проблемы с тормозом или проблемы с перегрузкой.

Проблемы с механическим заеданием, тормозом серводвигателя или перегрузкой могут привести к перегреву серводвигателя. Если ваш двигатель сильно нагревается, и вы подозреваете, что это следствие указанных выше причин, немедленно отремонтируйте его, чтобы избежать дальнейших повреждений.

8. Проблемы с обмоткой

Если с обмоткой серводвигателя какие-либо проблемы, двигатель может начать перегреваться, а перегрев неминуемо приведет к поломке устройства. Причиной же такой неисправности может быть загрязнение обмотки или короткое замыкание. 

В любом случае вам нужно будет устранить проблему.

9. Внутреннее загрязнение

Если грязь, масло, смазочно-охлаждающая жидкость и охлаждающая жидкость, попадут во внутренние механизмы двигателя, они могут вызвать повреждение компонентов, особенно подшипников, обмоток, энкодера и электрических частей двигателя. Загрязнения склеивают детали и мешают им функционировать должным образом.

Вы можете предотвратить загрязнение, осторожно используя жидкости и поддерживая оборудование в чистоте, но если грязь или жидкости начинают нарушать целостность основных компонентов, потребуется ремонт.

10. Поврежденные кабели

Если кабель поврежден, ваш серводвигатель может выйти из строя. Поврежденные кабели встречаются довольно часто, и они также могут вызвать скачки напряжения, которые в итоге повредят двигатель.

11. Перегрузка мотора

Ваш серводвигатель может выйти из строя, если нагрузка будет превышать установленную производителем или он будет работать слишком долго. Вы можете помочь предотвратить эту проблему, предоставив вашему двигателю достаточное время простоя и обеспечив нагрузку надлежащей величины.

12. Ошибки при установке

Также возможно, что при первоначальной установке серводвигателя произошла ошибка, которая теперь приводит к неисправности. Ошибки случаются, и неправильно установленный серводвигатель может иметь множество проблем. Это может быть связано с изношенной шарико-винтовой парой или редуктором, или ремни могут быть слишком тугими, или он может быть немного смещен, а даже незначительные ошибки в положении могут снизить производительность серводвигателя.

13. Пренебрежение обслуживанием серводвигателя.

Пренебрежение проведением необходимого обслуживания серводвигателя может вызвать некоторые из проблем, описанных выше. Подшипники могут изнашиваться, а масло и другие жидкости со временем накапливаются и приводят к поломкам. Периодическое планирование базового обслуживания серводвигателя может помочь избежать необходимости в дорогостоящем ремонте.

Поиск и устранение неисправностей серводвигателей

Некоторые проблемы с серводвигателем возникают по обычным, легко устранимым причинам. Серводвигатели обычно подают сигнал, чтобы сказать о том, что что-то не так, поэтому у вас будет четкое указание на проблему, даже если вы не знаете, в чем она. 

Если ваш серводвигатель работает не так, как должен, вы можете устранить неполадки и выявить проблему.

Имейте в виду, что серводвигатели — это сложные машины. Вашей команде потребуется опыт в области электромеханики, приводов, а также вольтметров и омметров. Если вы не знаете, что делать дальше, пусть лучше профессионалы займутся устранением неполадок быстро, тщательно и безопасно.

Ниже приводится краткое руководство по устранению  проблем с вашим серводвигателем:

1. Проверьте и предотвратите перегрев

Перегрев — частая причина выхода из строя серводвигателей. Перегрев особенно распространен летом. Это особенно характерно для старых устройств, где компоненты начинают изнашиваться.

Большинство серводвигателей имеют аварийные устройства, которые автоматически отключают их при достижении опасно высокой температуры. Но перегрев все равно может вызвать повреждение и потребовать ремонта.

Ваша компания может предпринять несколько различных шагов, чтобы предотвратить перегрев:

• Регулируйте температуру: климат-контроль на вашем предприятии имеет важное значение для обеспечения высокой производительности и долговечности ваших машин.
• Будьте осторожны с вентиляторами и открытыми шкафами: иногда может возникнуть соблазн направить вентиляторы на серводвигатель или открыть шкаф, когда двигатель перегревается. Но оба эти действия могут привести к дальнейшему ущербу. Вентиляторы могут вдувать пыль и мусор в двигатель и заклинивать его компоненты. А вентиляторы и открытые шкафы могут перегружать двигатель, заставляя его работать больше.
• Замените детали: если ваш серводвигатель старый и его детали изнашиваются, подумайте о замене этих деталей. Если все компоненты двигателя исправны, вероятность перегрева значительно снизится.
• Выключите двигатель: если ваш двигатель перегревается, не забудьте сразу выключить его. Небольшое время простоя дает двигателю возможность остыть до того, как произойдет какое-либо необратимое повреждение. Однако, если вы выключаете серводвигатель так часто, что производительность вашего предприятия начинает падать, возможно, пришло время заменить двигатель.

2. Проверьте диск.

Если ваш серводвигатель вообще не работает, проблема также может заключаться в приводе. Чтобы проверить привод, вы можете выключить серводвигатель, а затем включить машину или главный выключатель. Скорее всего, сначала загорится светодиодный экран или дисплей. Обратите внимание на то, когда срабатывает аварийный сигнал, указывающий на проблему с двигателем. Если аварийный сигнал срабатывает до включения других компонентов, проблема, скорее всего, связана с приводом.

3. Запустите самотестирование.

Чтобы исключить возможность проблем с приводом, вы также можете запустить самотестирование, которое заставит двигатель работать с минимальной эффективностью. Если вы сделаете это, и все вроде бы работает нормально, скорее всего, проблема не в приводе. Если двигатель по-прежнему не запускается, привод требует ремонта.

4. Проверьте выход ЦАП.

Если ваш серводвигатель полностью отказывается работать, вы также можете проверить выход цифро-аналогового преобразователя (DAC). Может быть проблема с контроллером, и вы можете выяснить это, проверив параметр DAC. Если значение равно нулю или почти нулю, проблема обнаружена. В этом случае может потребоваться замена контроллера.

5. Проверьте заземление и питание.

Если ваш серводвигатель издает странный гудящий шум, вероятно, проблема с электрическими компонентами или неисправной проводкой. После выключения двигателя убедитесь, что он правильно заземлен и получает достаточную мощность.

6. Проверьте, нет ли проблем с крутящим моментом.

Различные серводвигатели предназначены для создания разного крутящего момента. Если ваш серводвигатель обеспечивает меньший крутящий момент, чем вам нужно, он не сможет выполнять требуемую работу.

Даже если ваш двигатель способен создавать достаточный крутящий момент, такие проблемы, как номинальные характеристики усилителя, пределы его рабочей нагрузки, низкое напряжение, падение напряжения в системе, неисправные конденсаторы и плохие соединения, могут привести к неадекватной производительности. Проверьте все эти аспекты работы вашего серводвигателя.

7. Осмотрите провода, подшипники и систему охлаждения.

Если ваш серводвигатель слегка дымит или издает едкий запах, это верный признак того, что что-то не так и ваша система перегревается. Чтобы разобраться, что происходит, проверьте проводку, систему охлаждения и подшипники. Система охлаждения могла быть заблокирована из-за мусора или частиц пыли. Подшипники могут быть изношены, в них слишком много смазки или они перегреваются. Или провода могут гореть из-за того, что они соприкасались друг с другом или неправильно заземлены. Также возможно, что охлаждающая жидкость просочилась в распределительную коробку.

8. Выявление причин неисправностей на высоких скоростях.

В некоторых случаях серводвигатель может начать нормально работать, но при достижении высоких скоростей возникают проблемы. Если ваш серводвигатель издает громкое рычание при работе на высокой скорости, вероятно, проблема с подшипниками. В противном случае вы можете проверить несколько различных возможных причин:

• Перегоревшие или изношенные предохранители.
• Сильный перегрев.
• Неадекватная защита от перегрузки.
• Неисправная проводка.
• Падение напряжения.
• Неточности измерителя оборотов.
• Неисправные конденсаторы.

9. Осмотрите кабели на предмет повреждений.

Поскольку поврежденные кабели могут вызвать опасные скачки напряжения, вы всегда должны проверять кабели, если подозреваете, что с вашим серводвигателем что-то не так. Кабели заменить намного проще, чем компоненты двигателя, поэтому своевременное выявление этой проблемы может помочь вам сэкономить время и минимизировать затраты на ремонт.

10. Запустите процедуры установки.

Если ваш серводвигатель дребезжит, рекомендуется повторно запустить процедуру настройки. Это особенно важно сделать, если ваше оборудование имеет возможность автонастройки. Возможно, ваш привод был перезагружен без вашего ведома, и если это так, повторный запуск процедур настройки должен помочь вашему двигателю снова начать бесперебойную работу.

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.

• Области использования устройства
• Принцип работы
• Схема и типы сервоприводов
• Характеристики сервоприводов
• Как управлять цифровым сервоприводом?
• Области использования устройства
• Основные характеристики изделия

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Металлические шестеренки надежнее, но это сказывается на цене 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.

Характеристики сервоприводов

Устройства выпускаются аналогового и цифрового типов. Приводы внешне ничем не отличаются, но различие между ними существенное. Последние обладают более точной отработкой команд, поскольку управление производится микропроцессорами. Для сервоприводов пишутся и вводятся программы. Аналоговые устройства работают от сигналов микросхем. Их преимуществами являются простое устройство и меньшая цена.

Основными параметрами для выбора являются следующие:

1. Питание. Подача напряжения производится по трем проводам. По белому передают импульс, через красный — рабочее напряжение, черный или коричневый является нейтральным.
2. Размеры: большие, стандартные и микроустройства.
3. Скорость. От нее зависит, за какой промежуток времени вал повернется на угол 600. Недорогие устройства обладают скоростью 0,22 сек. Если требуется высокое быстродействие, она составит 0,06 сек.
4. Величина момента. Параметр является приоритетным, поскольку при малом вращающем моменте управление затрудняется.

Как управлять цифровым сервоприводом?

Приводы подключаются к программируемым контроллерам, среди которых хорошо известен Arduino. Подключение к его плате производится тремя проводами. По двум подается питающее напряжение, а по третьему — управляющий сигнал.

Инструкция сервопривода с цифровым управлением предусматривает наличие в контроллере простой программы, позволяющей считывать с потенциометра показания и переводить их в число. Затем оно преобразуется в команду передачи на поворот вала сервопривода в заданное положение. Программа записывается на диске, а затем передается на контроллер.

Применение приборов высокого качества необходимо в оборудовании, отличающемся высоким уровнем производительности.

Области использования устройства

• изготовление бумаги и упаковок;
• изготовление листов из металла;
• обрабатывание материалов;
• производство транспортного оборудования;
• деревообрабатывающая промышленность;
• изготовление стройматериалов.

Основные характеристики изделия

Работа сервопривода характеризуется двумя основными показателями: скоростью поворота и усилия на валу. Первая величина служит показателем времени, которое измеряется в секундах. Усилие мерится в кг/см, то есть, какой уровень усилия развивает механизм от центра вращения.

Сейчас выпускают механизмы, функционирующие при показателе напряжения питания от 4,8 до 6 В. Чаще этот показатель равен 6 В. Однако не все модели рассчитаны на широкий диапазон напряжений. Иногда двигатель сервопривода работает лишь при 4,8 В или же только при 6 В (последние конфигурации производятся крайне редко).

Сервопривод

Теория

Сервоприводы — семейство устройств, состоящих из двигателя и системы управления на основе отрицательной обратной связи. Главной отличительной чертой таких приводов является возможность точного управления параметрами движения, например, скоростью, усилием или удерживаемым положением вала. В любительской сфере в сервоприводах обычно контролируется последний параметр – положение вала. Далее будут рассмотрены общие принципы работы устройств данного типа.

Общее устройство и принцип работы

Логика работы сервопривода довольно проста. На вход подается управляющий ШИМ сигнал, который сравнивается с сигналом, генерируемым системой обратной связи. И если

длительность импульса сигнала обратной связи

оказывается

короче длительности импульса ШИМ сигнала

, то двигатель вращается в одном направлении, а если

длиннее

, то в противоположном. Если же импульсы сигналов

совпадают

, то двигатель

остается неподвижным

.

Важным моментом здесь является то, что длительность импульсов обратной связи регулируется встроенным потенциометром, положение вала которого устанавливается валом двигателя через зубчатую передачу: куда вал двигателя, туда и ручка потенциометра. Таким образом за любом движением вала двигателя последует изменение длины импульсов сигала обратной связи. Эта сцепка и образует обратную связь. Увидеть ее можно на схеме устройства серводвигателя выше.

Стоит отметить, что сам двигатель постоянного тока приводится в движение тоже импульсным сигналом. Длина импульса этого сигнала есть разность длины импульса входного ШИМ сигнала и импульса обратной связи. Отсюда становится вполне очевидно, почему двигатель остается неподвижным, когда длины импульсов равны. Однако на практике, по причине плохого качества сигнала, погрешности, изношенности потенциометра и инерции может возникать дребезг, приводящий к хаотичным, небольшим по амплитуде подергиваниям двигателя (в англ. терминологии – jitter). Для борьбы с этим явлением управляющей электронике задается условие, согласно которому слишком маленькие разности между импульсами игнорируются и не приводят к генерации импульсов управления двигателем. Например, могут игнорироваться все разности короче 4 мкс. Эта зона нечувствительности получила название «мертвая зона» (в англ. терминологии – deadband).

Направление вращения вала двигателя задается полярностью напряжения сигнала.

Основные характеристики сервоприводов

Тип сервопривода: аналоговые и цифровые

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.

Большинство аналоговых моделей, в силу особенностей устройства плат их управления, способны принимать и обрабатывать управляющие импульсы с частотой 50 Гц, то есть каждые 20 мс. Как следствие и сигналы на двигатель тоже отправляются каждые 20 мс. Это значит, что чем ближе вал к своему «пункту назначения», заданному управляющим ШИМ сигналом, тем слабее сигнал, посылаемый на двигатель, ведь длина его импульсов сокращается по мере приближения к заданной позиции. Поэтому при малых отклонениях двигатель уже не может развивать большой момент силы. Кроме того нельзя забывать про наличие у сервоприводов «мертвых зон».

В цифровых сервоприводах эти недостатки в значительной степени устраняются доработкой платы управления, а именно – применением специальных микроконтроллеров. Данное техническое решение позволяет увеличить частоту сигналов до 200 Гц и более. В результате сервопривод становится более шустрым: быстрее реагирует на внешние воздействия и развивает необходимый крутящий момент, мертвые зоны становятся намного короче.

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

Угол поворота

Одной из характерных особенностей большинства сервоприводов является ограниченный угол поворота вала. Это объясняется использованием потенциометра в качестве датчика положения. Среди сервоприводов, распространенных в любительской сфере, наиболее часто встречаются модели с допустимым углом поворота 60°—180°, хотя можно встретить и приводы рассчитанные на 360°.

Момент силы (крутящий момент)

С практической точки зрения этот параметр говорит нам, какого веса тяжесть способен удерживать сервопривод на плече указанной длины. Например, сервопривод с моментом силы 2 кгс∙см может удерживать груз весом 2 кг на горизонтальном рычаге длиной 1 см.

Более строгая формулировка звучит следующим образом: момент силы есть векторная физическая величина, равная векторному произведению вектора силы и радиус-вектора, проведённого от оси вращения к точке приложения этой силы. Характеризует вращательное действие силы на твёрдое тело.

Единица измерения данной величины в системе СИ — ньютон-метр [Н∙м], но на практике часто можно встретить другую единицу — килограмм-силы-сантиметр [кгс∙см]. Также кгс∙см часто записывают как кг∙см.

1 кгс∙см ≈ 0,098 Н∙м.

Скорость

Скорость сервопривода традиционно измеряется в секундах на 60° [сек/60°]. Эта величина говорит о том, за сколько секунд выходной вал сервопривода повернется на 60°.

Стоит отметить, что обычно более скоростные приводы имеют меньший момент силы, и наоборот – более мощные серводвигатели крутятся медленнее, чем менее мощные.

Мертвая зона

Как уже было описано выше, мертвые зоны предусмотрены с целью предотвращения возможного «дребезжания» (jitter) двигателя. Однако слишком большие мертвые зоны отрицательно сказываются на точности позиционирования вала привода. Слишком же короткие мертвые зоны могут недостаточно эффективно справляться со своей задачей.

Обычно «ширина» мертвой зоны указывается в микросекундах. Например, наличие мертвой зоны в 4 мкс говорит о том, что всякая разность импульсов управляющего сигнала и сигнала обратной связи короче 4 мкс будет игнорироваться платой управления и не будет приводить к генерации сигнала управления двигателем.

Тип электродвигателя

Сервоприводы оснащаются разными видами двигателей. Всего используется три типа электромоторов.

Мотор с редечником. Самый доступный по цене тип двигателей, однако из-за того, что ротор данных двигателей обычно разбит на секции, данные двигатели могут вибрировать во время работы, и не отличаются высокой точностью.

Мотор без сердечника. Ротор этих двигателей не разделен на секции и, как следствие, может работать без вибраций и более точно, чем обычные моторы с сердечником. Также ротор у данного типа двигателя полый, что значительно уменьшает вес конструкции. Повышенная точность, стабильность работы и малый вес являются неоспоримыми преимуществами перед моторами с сердечником, но и цена за такой мотор будет выше.

Бесколлекторный мотор. Такие моторы обладают всеми положительными качествами моторов без сердечников, но к тому же способны развивать в тех же условиях более высокие скорость и крутящий момент, но и обойдутся они дороже.

Материал элементов редуктора

Шестерни редуктора могут быть изготовлены из разных материалов. Каждый материал, как это водится, обладает своими преимуществами и недостатками, поэтому выбор определяется только потребностями и тем, как в итоге планируется применять сервопривод.

Пластиковый редуктор. Чаще изготавливается из силикона. Силиконовые шестерни слабо подвержены износу, имеют малый вес и довольно дешевы. Это делает их довольно популярными в любительских и учебных проектах, а так же там, где не предполагаются большие нагрузки на механизм. Большие нагрузки – слабое место пластиковых редукторов.

Металлический редуктор. Такие редукторы тяжелее и дороже, а также менее износостойки, чем силиконовые, но зато способны выручить там, где предполагаются нагрузки непосильные для силиконовых. Поэтому более мощные двигатели обычно оснащаются именно металлическим редуктором.

Карбоновый редуктор. Карбоновые редукторы объединяют в себе легкость, прочность и износостойкость. Поэтому главным их недостатком остается довольно высокая цена.

Материал шестерней. Шестерни редуктора производятся из пластика, карбона, металла. Пластиковые шестерни легкие, но не предназначены для серьезных нагрузок. Карбоновые шестерни более прочные, но и более дорогие. Металлические шестерни – самые тяжелые, идеально подходят для максимальных нагрузок.

Виды сервоприводов

Сервоприводы бывают цифровые и аналоговые. 

По внешнему виду они почти не отличаются друг от друга. Основное отличие заключается в принципе управления мотором. У аналоговых сервоприводов управление происходит с помощью специальной микросхемы, цифровые сервоприводы обладают микропроцессором. Микросхема и микропроцессор способны принимать и анализировать управляющие импульсы. Только на микросхему они обычно поступают с частотой 50 Гц, а на микропроцессор – с частотой 200 Гц и более. В результате этого цифровой сервопривод мобильнее и четче реагирует на управляющий сигнал.

Цифровые сервоприводы – это новый шаг в развитии техники, и они характеризуются рядом преимуществ. К таким преимуществам относятся: высокая точность позиционирования, возможность более быстрого управления приводом, возможность поддержания постоянного крутящего момента.

Подключение к Arduino

Для достижения самых разных целей робототехники к программируемому контроллеру Arduino может быть подключен сервопривод. Подключение осуществляется через кабели, которые выходят из сервопривода. Обычно это три кабеля: красный; коричневый или черный; желтый, оранжевый или белый.

Красный кабель отвечает за питание сервопривода. Коричневый — за заземление. Желтый – подключается непосредственно к плате Arduino и предназначен для передачи управляющего сигнала. 

Подключение сервопривода к плате Arduino производится через ШИМ-выводы.

Итак, черный провод подключается к любому GND-пину.

Красный кабель питания (VTG) — к соответствующему выводу для подключения питания.

Белый сигнальный кабель – к ШИМ-выводу.

Питание сервоприводов

Большинство плат Arduino рассчитано на 500 мА. Исходя из этого, сервопривод является достаточно энергоемким компонентом, так как потребляет более 100 мА. Если в ходе проекта требуется использование мощного сервопривода или нескольких сервоприводов, то необходимо позаботиться об их дополнительном питании. Проблема дополнительного питания сервоприводов может быть решена следующим образом:

• Обеспечить питание сервопривода от дополнительно приобретенного блока питания, например, 5 или 6 В;

• При отсутствии блока питания с нужным напряжением, можно использовать стабилизатор.

Напрямую к Arduino можно подключать только маломощный сервопривод. В противном случае пользователя ожидают разные побочные эффекты: от перезагрузки платы до перегорания отдельных компонентов.

Количество сервоприводов

Количество подключаемых к плате Arduino сервоприводов ограничено. Большинство моделей Arduino предусматривает подключение 12 сервоприводов, Arduino Mega позволяет подключить до 48 сервоприводов. 

Управление сервоприводом

Библиотека Servo

Библиотека для сервопривода содержит в себе набор дополнительных команд, которые позволяют вводить программу в упрощенном виде.

На платах Arduino за исключением модели Arduino Mega обращение к библиотеке отключает функцию analogWrite(PWM) на пинах 9 и 10. Наличие подключения сервопривода или отсутствие такового при этом роли не играет. На платах Arduino Mega можно подключить до 12 сервомоторов без отключения функции PWM.

Для управления сервоприводом предусмотрена библиотека Servo.h. 

Вызывается она через #include <Servo.h>. После подключения библиотеки становится возможным пользоваться списком, содержащихся в ней функций. С функциями библиотеки можно ознакомиться через меню «Файл/примеры». Для каждого сервопривода создается свой «объект» (servo), который прикрепляется к соответствующему цифровому пину. После этого программируемый контроллер Arduino готов отправлять управляющие сигналы на конкретный сервопривод. Передача сигналов производится постоянно, даже при «простое» сервопривода. Для приостановки передачи сигналов нужно отправить команду вручную.

Управляющий сигнал

Для управления сервоприводом управляющий сигнал приобретает решающее значение. Он представляет собой импульс, который имеет нужную ширину и посылается с соответствующей частотой. Ширину импульса можно вбивать в программном коде вручную, методом подбора достигнув точного угла, или использовать команды библиотеки, указывая нужный угол в градусах. У разных марок сервоприводов ширина импульса для поворота выходного вала на определенный угол может быть различна.

Импульсы отвечают как за движение сервопривода, так и за его неподвижное положение. Работа сервопривода происходит в замкнутом цикличном кругу посылаемых импульсов.

Управляющие команды

Управление сервоприводом через библиотеку основано на следующих командах:

• attach() — позволяет подключить определенный сервопривод к соответствующему пину;

• write() — на пин поступают значения для управления им;

• writeMicroseconds() — позволяет управлять сервоприводом путем передачи на него значений в микросекундах; 

• read() — считывает значение текущего положения сервопривода;

• attached() — контролирует подключение сервопривода к пину;

• detach() — отключает сервопривод от конкретного пина.

Возможные сложности

Если в работе сервопривода возникают нарушения, то, как правило, об этом говорят соответствующие шумы: жужжание, потрескивание и прочее. Ниже рассмотрим основные причины таких шумов.

Невозможность поворота на заданный угол

Бывают случаи, когда поворот сервопривода на заданный угол невозможен. Например, на его пути возникает какая-либо преграда. Этой преградой может стать закрепленное на сервоприводе устройство или его часть. Упираясь в преграду, сервопривод начинает характерно жужжать. Чтобы решить данную проблему, в программу вносятся команды, ограничивающие перемещение сервопривода путем изменения угла перемещения.

Настройки начальной и конечной позиции

Иногда необходимо подкорректировать координаты начальной или конечной позиции. Это нужно когда значения датчика и фактического положения выходного вала расходятся относительно конечной позиции последнего. Например, выходной вал находится в конечной позиции, но датчик считает, что он еще ее не достиг и пытается заставить выходной вал продолжить движение. Возникает характерный шум. В этом случае начальная позиция не обязательно должна начинаться с 0°С, а конечная не обязательно должна заканчиваться на 180°C. Эти предельные значения можно немного сдвинуть на 5-10°C, и проблема будет решена.

Заключение

На сегодняшний день сервопривод – это необходимый элемент в робототехнике, с помощью которого воплощаются многие творческие проекты. Этот умный управляемый моторчик предназначен для моделирования движения. Пользоваться его функциями достаточно просто, уже написано множество программ, которые могут быть использованы в качестве трафарета для воплощения собственных идей. Сервопривод подключается к программируемому контроллеру Arduino. Все тонкости этого процесса подробно освещены как в этой статье, так и в других статьях, выложенных в сети.

Современные магазины предлагают большой выбор сервоприводов. Зная нужные характеристики, легко подобрать подходящую модель. 

Компания X Prom Support ремонтирует серводвигатели на компонентном уровне.

Мы работаем с продукцией следующих производителей

Компания X Prom Support является одной из самых востребованных на столичном рынке в плане ремонта серводвигателей от Faulhaber, Baumuller, Sew-Eurodrive и других зарекомендовавших себя с положительной стороны брендов.

Серводвигатель (сервомотор) – важнейшая составляющая высокотехнологического оборудования XXI века. По сути, данный конструктивный элемент дает возможность производить цикличные (повторяющиеся через заданный промежуток времени) линейные и угловые движения, при их равномерности и полном контроле поворота вала. Также за счет него возможно регулирование скорости перемещения, применительно к электромеханическим приборам и фиксирование необходимого положения. 

Серводвигатели активно применяют в самых разных промышленных сферах. Они присутствуют в станках с ЧПУ и прессо-штамповочном оборудовании, им нашлось место в автомобильной промышленности и металлургии. Особо важную роль они играют в роботехнике, так как позволяют моделировать движения. При всей своей эффективности в работе и энергоэффективности серводвигатели Jack и иных производителей отличает весьма невысокий уровень шума.

Типовое устройство серводвигателя

Конструктивно серводвигатель ЧПУ или иных систем – это устройство, состоящее в первую очередь из неподвижного (в некоторых случаях – подвижного) элемента – статора, и вращающегося ротора. Дополняют их узлы управления и контроля, система подключения и выключения, а также энкодер – датчик, позволяющий выявлять направление, угол и скорость вращения ротора.

По принципу работы и основным задачам серводвигатели делятся на синхронные и асинхронные, на рынке представлены электрогидромеханические и электромеханические модели.

Основные причины неисправностей серводвигателей

В первую очередь следует отметить систематическую перегрузку и условия эксплуатации, отличные от нормативных, в частности резкий перепад температур или чрезмерно высокая температура. Страдают от этого как датчики температуры и магниты, так и экондер. Крайне чувствителен экондер и к перепадам напряжения в сети, а также разным видам загрязнения. Нередки случаи заклинивания его подшипников. Выработка ресурса компонентов серводвигателя – тормозной системы и иных – тоже весьма распространенная причина, по которой может потребоваться их ремонт или полная замена. Стоит упомянуть и человеческий фактор – к необходимости ремонта может привести некорректная сборка и установка, попытка восстановить работоспособность серводвигателя Ардуино (также, как и других) самостоятельно или силами сторонних специалистов, обладающих низкой квалификацией.

Ремонт серводвигателей – важные моменты

Привлекать для ремонта вышедшего из строя серводвигателя необходимо исключительно мастеров специализированного центра. Только в этом случае присутствует значительная вероятность восстановления его работоспособности.

Ремонт данного оборудования затруднен тем фактором, что перед специалистом стоит задача восстановить как механическую, так и электронную составляющую. После чего добиться их корректного совместного функционирования.

В работе по восстановлению необходимо использовать как специальные инструменты и современные средства диагностики, так и оборудование, которое позволит перепрограммировать энкодер, после чего обеспечить его правильное позиционирование.