9. КЕРУВАННЯ СЕРВОПРИВОДАМИ

Призначення сервоприводу

Сервомеханізм (система автоматичного регулювання із стеженням) працює за принципом зворотного зв'язку і в якому один або більше системних сигналів, сформованих в керуючий сигнал, надають механічну регулюючу дію на об'єкт. Термін "серво-" (лат. servus – слуга) використовується для позначення механізмів і систем, вихідна величина яких поступає на вхід, де порівнюється із заданою дією. Робота сервоприводу ілюструється схемою – рис. 1.

Рис. 1. Функціональна схема роботи сервоприводу

До складу сервоприводу входять: електродвигун, редуктор, потенціометр кута повороту, плата керування (рис. 2).

Рис. 2. Конструкція сервоприводу

Підключення сервоприводу здійснюється трьохпровідною лінією (1). Керуюча напруга надходить на електронну плату (2), яка перетворює її в послідовність імпульсів, що безпосередньо подаються на двигун (4). Завдяки цій платі можна зчитувати і задавати кут повороту сервоприводу (3).

Принцип роботи. Під час обертання електродвигуна сервоприводу змінюється опір вбудованого потенціометру оскільки його вал з’єднаний з вихідним валом сервоприводу. Умовно приймемо вхідну напругу (ковзанок потенціометра в крайньому правому положенні) рівною 5 В, при крайньому лівому положенні на опорі потенціометра впаде вся вхідна напруга, отже вихідна напруга буде дорівнювати нулю. В середньому положення вихідна напруга буде дорівнювати 2,5 В. Таким чином при куті 180° на виході потенціометра буде 5 В, при 90°– 2,5 В, а при 0° – 0.

Наприклад, сервопривод знаходиться в положенні 0°. На вхід плати керування надходить сигнал, який несе в собі інформацію про поворот сервоприводу на 90°. Електронна схема на вбудованій в сервопривод платі зчитує показники, на потенціометрі 0 вольт, а в програмі вказано, що має бути 2,5 В. Плата аналізує різницю, обирає напрям обертання мотора і обертатиме його до тих пір, поки напруга на виході потенціометра не стане 2,5 В.

Керуючий сигнал являє собою імпульси змінної ширини (ШІМ). Імпульси повторюються з постійною частотою (як правило, з частотою 50 Гц). Положення сервоприводу визначається шириною імпульсу (рис. 3).

Рис. 3. Керуючий сигнал сервоприводу

Сервоприводи застосовуються для точного (за сигналом датчика) позиціювання елементу, що приводиться в рух, в автоматичних системах: елементи механічної системи (заслінки, засувки, кути повороту), робочі органи і заготовки у верстатах і інструментах. Сервоприводи обертального руху використовуються для: промислових роботів, верстатів з ЧПУ, поліграфічних верстатів, системах опалення, промислових швацьких машин, пакувальних верстатів, приладів, безпілотних летальних апаратів тощо.

Основні характеристики сервоприводу

Зусилля на валу, або момент – це один з найважливіших показників сервоприводу і вимірюється в кг/см. У характеристиках зазвичай вказується для двох варіантів напруги живлення, найчастіше для 4,8 В і 6 В.

Швидкість повороту також є одним з найважливіших параметрів. Її прийнято вказувати в тимчасовому еквіваленті, який потрібний для зміни положення вивідного валу сервоприводу на 60°. Наприклад характеристика 0,13/60° означає що поворот сервоприводу на 60° може бути здійснений за 0,13 секунди.

Тип сервоприводу: цифровий або аналоговий.

Напруга живлення – для більшості сервоприводів знаходиться в діапазоні від 4,8 до 7,2 В.

Кут повороту – це максимальний кут на який може обернути вихідний вал (180° і 360°).

Сервоприводи поділяються на 4 основних типорозміри:
• мікро: 24мм x 12мм x 24мм, вага: 8-10 г;
• міні: 30мм x 15мм x 35мм, вага 23-25 г;
• стандарт: 40мм x 20мм x 37мм, вага: 50-80 г;
• гігант: 49x25x40 мм, вага 50-90 г.

Порівняння аналогового та цифрового сервоприводів

Цифрові сервоприводи мають значні експлуатаційні переваги в порівнянні із стандартними сервоприводами. Будова механічної частини у них однакова, різниця в електронній схемі – аналоговий сервопривод має в своєму складі логічні елементи і дискретні пасивні елементи задають необхідні часові інтервали, в той час як цифровий в сервопривод встановлений мікропроцесор з кварцовим генератором.

Отже цифрові сервоприводи можна перепрограмувати. Процесор посилає імпульси до двигуна із значно більшою частотою, це означає що замість напри-клад 50 імпульсів/сек в аналоговим сервоприводом, двигун отримає 300 імпульсів/сек. Через це двигун може швидше реагувати на команди, швидше розганятися і гальмувати, точніше позиціонуватися і утримувати більший момент. Більш наочно дану інформацію можна побачити на діаграмах 1-4.

Діаг. 1 – Знаходиться в режимі чекання. Діаг. 2 – Подача коротких імпульсів, тобто напруга на двигун поступає з великими інтервалами. Двигун обертається з невеликою швидкістю. Діаг. 3 – Збільшення ширини імпульсів, тобто за один цикл напруга на двигун поступає довше за часом, а отже двигун обертається швидше і збільшується момент.

Недоліком цифрового сервоприводу є більше споживання електроенергії джерела живлення.

Керування сервоприводом

Керування сервоприводом можна здійснювати різними способами. Нижче представлена одна з схем керування сервоприводом за допомогою мікроконтролера PIC16F628A, який потребує програмування для здійснення необхідного алгоритму роботи.

Рис. 4. Схема керування сервоприводом

Керування сервоприводом здійснюється двома кнопками, при натисненні кнопки SB1 вал сервоприводу плавно повертається за годинниковою стрілкою, тобто відбувається зменшення ширини імпульсів, що управляють, на лінії RB4, кнопка SB2 відповідно повертає вал проти годинникової стрілки, ширина імпульсів збільшується.

Мікроконтролер працює від внутрішнього тактового генератора на частоті 4 МГц. Тривалість тимчасових інтервалів для керуючих імпульсів відлічуються внутрішнім 16-ти розрядним таймером. Імпульси керування сервоприводом генеруються в програмі, що знаходиться в мікроконтролері.