Silnik prądu stałego: budowa, działanie, interfejs z Arduino i jego zastosowaniami

A siłownik lub serwo to jeden rodzaj silnika elektrycznego używanego do obracania części maszyny z dużą precyzją. Ten silnik zawiera obwód sterujący, który zapewnia informację zwrotną na temat aktualnego położenia wału silnika, więc ta informacja zwrotna po prostu pozwala tym silnikom obracać się z dużą precyzją. Silnik serwo jest korzystny w obracaniu obiektu w pewnej odległości lub pod pewnym kątem. Ten silnik jest podzielony na dwa typy serwomotoru prądu przemiennego i serwosilnika prądu stałego. Jeśli serwosilnik wykorzystuje prąd stały do ​​pracy, wówczas silnik nazywany jest serwomotorem prądu stałego, natomiast jeśli działa z zasilaniem prądem przemiennym, jest znany jako serwosilnik prądu przemiennego. Ten samouczek zawiera krótkie informacje na temat Silnik serwo prądu stałego – praca z aplikacjami.

Co to jest silnik serwo prądu stałego?

Serwomotor, który wykorzystuje wejście elektryczne prądu stałego do generowania mechanicznych sygnałów wyjściowych, takich jak położenie, prędkość lub przyspieszenie, nazywany jest serwomotorem prądu stałego Ogólnie rzecz biorąc, tego typu silniki są używane jako główne napędy w maszynach sterowanych numerycznie, komputerach i wielu innych wszędzie tam, gdzie wykonywane są starty i zatrzymania dokładnie i bardzo szybko.

Budowa i działanie silnika serwo prądu stałego

Silnik serwo prądu stałego jest zbudowany z różnych elementów, które przedstawiono na poniższym schemacie blokowym. Na tym schemacie każdy komponent i jego funkcja są omówione poniżej.

Zastosowany silnik to typowy silnik prądu stałego, w tym jego uzwojenie wzbudzane oddzielnie. Tak więc, w zależności od charakteru wzbudzenia, można dalej podzielić na serwosilniki sterowane twornikiem i sterowane polem.

Zastosowane obciążenie to prosty wentylator lub obciążenie przemysłowe, które jest po prostu podłączone do mechanicznego wału silnika.

Skrzynia biegów w tej konstrukcji działa jak mechaniczny przetwornik, który zmienia moc wyjściową silnika, np. przyspieszenie, położenie lub prędkość w zależności od zastosowania.

Główną funkcją czujnika położenia jest uzyskanie sygnału sprzężenia zwrotnego równoważnego aktualnej pozycji ładunku. Ogólnie rzecz biorąc, jest to potencjometr używany do dostarczania napięcia proporcjonalnego do kąta bezwzględnego wału silnika przez mechanizm przekładni.

Funkcja komparatora polega na porównaniu o/p czujnika położenia i punktu odniesienia w celu wytworzenia sygnału błędu i przekazania go do wzmacniacza. Jeśli silnik prądu stałego działa z precyzyjną kontrolą, nie ma błędu. Czujnik położenia, przekładnia i komparator sprawią, że system będzie stanowił zamkniętą pętlę.

Funkcja wzmacniacza polega na wzmocnieniu błędu z komparatora i dostarczeniu go do silnika prądu stałego. Działa więc jak regulator proporcjonalny wszędzie tam, gdzie wzmocnienie jest wzmacniane dla zerowego błędu stanu ustalonego.

Sterowany sygnał podaje sygnał wejściowy do PWM (modulator szerokości impulsu) w zależności od sygnału sprzężenia zwrotnego, tak że moduluje wejście silnika w celu precyzyjnego sterowania, w przeciwnym razie błąd stanu ustalonego wynosi zero. Ponadto ten modulator szerokości impulsu wykorzystuje przebieg odniesienia i komparator do wytwarzania impulsów.

Tworząc układ w pętli zamkniętej, uzyskuje się przyspieszenie, prędkość lub dokładną pozycję. Jak sama nazwa wskazuje, serwosilnik jest sterowanym silnikiem, który zapewnia preferowaną moc wyjściową dzięki sprzężeniu zwrotnemu i efektowi kontrolera. Sygnał błędu jest po prostu wzmacniany i wykorzystywany do napędzania serwomotoru. W zależności od charakteru wytwarzania sygnału sterującego i modulatora szerokości impulsu, silniki te mają lepsze metody sterowania z układami FPGA lub cyfrowymi procesorami sygnałowymi.

Działanie serwomotoru prądu stałego jest; ilekroć sygnał wejściowy jest doprowadzany do silnika prądu stałego, obraca on wał i koła zębate. Zasadniczo więc obrót wyjściowych kół zębatych jest podawany z powrotem do czujnika położenia (potencjometru), którego pokrętła obracają się i zmieniają swoją rezystancję. Za każdym razem, gdy zmienia się rezystancja, zmienia się napięcie, które jest sygnałem błędu, który jest podawany do kontrolera i w konsekwencji generowany jest PWM.

Aby dowiedzieć się więcej o typach serwosilników prądu stałego, zapoznaj się z tym linkiem: Różne rodzaje serwomotorów .

Funkcja przenoszenia serwomotoru prądu stałego

Funkcję przejścia można zdefiniować jako stosunek transformaty Laplace'a (LT) zmiennej o/p do LT ( Transformata Laplace'a ) zmiennej i/p. Zasadniczo silnik prądu stałego zmienia energię z elektrycznej na mechaniczną. Dostarczona energia elektryczna na zaciskach twornika jest zamieniana na kontrolowaną energię mechaniczną.

Sterowana przez twornik funkcja przenoszenia serwomotoru prądu stałego jest pokazana poniżej.

θ(s)/Va(s) = (K1/(Js2 + Bs)*(Las + Ra)) /1 + (K1KbKs)/(Js2 + Bs)*(Las+Ra)

Sterowana polem funkcja przenoszenia serwomotoru prądu stałego jest pokazana poniżej.

θ(s)/Vf (s) = Kf / (sLf + Rf) * (s2J + Bs)

Sterowany przez twornik serwosilnik prądu stałego zapewnia lepszą wydajność ze względu na układ zamkniętej pętli w porównaniu z serwomotorem prądu stałego sterowanym polem, który jest układem otwartej pętli. Ponadto szybkość reakcji w systemie sterowania w terenie jest niska. W przypadku sterowanym twornikiem indukcyjność twornika jest pomijalna, podczas gdy w przypadku sterowania polowego nie jest taka sama. Ale w sterowaniu Infield, lepsze tłumienie nie jest osiągalne, podczas gdy w sterowaniu twornikiem jest to możliwe.

Specyfikacje

Silnik serwo prądu stałego zapewnia specyfikacje wydajności, które obejmują następujące elementy. Te specyfikacje powinny być dopasowane w oparciu o wymagania obciążenia aplikacji, aby prawidłowo dobrać rozmiar silnika.

• Prędkość wału po prostu określa prędkość, z jaką obraca się wał, wyrażoną w RPM (obroty na minutę).
• Zwykle prędkość oferowana przez producenta to prędkość obrotowa wału O/P bez obciążenia lub prędkość, przy której wyjściowy moment obrotowy silnika wynosi zero.
• Napięcie na zaciskach to napięcie projektowe silnika, które określa prędkość silnika. Ta prędkość jest po prostu kontrolowana przez zwiększanie lub zmniejszanie napięcia dostarczanego do silnika.
• Siła obrotowa, podobnie jak moment obrotowy, jest generowana przez wał serwosilnika prądu stałego. Tak więc wymagany moment obrotowy dla tego silnika jest po prostu określony przez charakterystykę prędkości i momentu obrotowego różnych obciążeń występujących w docelowym zastosowaniu. Te momenty obrotowe to dwa typy momentu rozruchowego i momentu ciągłego.
• Moment rozruchowy to moment wymagany podczas uruchamiania serwomotoru. Ten moment obrotowy jest zwykle wyższy w porównaniu z momentem ciągłym.
• Ciągły moment obrotowy to wyjściowy moment obrotowy, który jest pojemnością silnika w stałych warunkach pracy.
• Silniki te muszą mieć wystarczającą prędkość i moment obrotowy do zastosowania, w tym margines 20 do 30% pomiędzy wymaganymi obciążeniami, a także wartości znamionowe silnika, aby zapewnić niezawodność. Kiedy te marże przekroczą zbyt dużą wartość, zmniejszy się efektywność kosztowa specyfikacje bezrdzeniowego serwomotoru prądu stałego 12 V DC firmy Faulhaber są:
• Przełożenie skrzyni biegów wynosi 64: l Planetarna trzystopniowa skrzynia biegów.
• Prąd obciążenia to moc 1400 mA.
• Moc wynosi 17W.
• Prędkość wynosi 120 obr./min.
• Prąd bez obciążenia wynosi 75mA.
• Typ enkodera to optyczny.
• Rozdzielczość enkodera wynosi 768CPR wału O/P.
• Średnica wynosi 30 mm.
• Długość wynosi 42 mm.
• Całkowita długość wynosi 85 mm.
• Średnica wału wynosi 6 mm.
• Długość wału wynosi 35 mm.
• Moment obrotowy przeciągnięcia wynosi 52kgcm.

Charakterystyka

The Charakterystyka serwomotoru prądu stałego zawierać następujące.

• Konstrukcja silnika DC Servo jest podobna do magnesu stałego lub oddzielnie wzbudzanego silnika prądu stałego.
• Sterowanie prędkością tego silnika odbywa się poprzez sterowanie napięciem twornika.
• Silnik serwo został zaprojektowany z wysoką rezystancją twornika.
• Zapewnia szybką reakcję momentu obrotowego.
• Skokowa zmiana napięcia twornika generuje szybką zmianę prędkości silnika.

Silnik serwo prądu przemiennego kontra silnik serwo prądu stałego

Różnica między serwomotorem prądu stałego a serwomotorem prądu przemiennego obejmuje następujące elementy.

Interfejs serwomotoru prądu stałego z Arduino

Aby sterować serwomotorem prądu stałego pod dokładnym i wymaganym kątem, można użyć płytki Arduino lub dowolnego innego mikrokontrolera. Ta płyta ma analogowe o/p, które generuje sygnał PWM, aby obrócić serwosilnik pod precyzyjnym kątem. Możesz także zmienić położenie kątowe serwomotoru za pomocą potencjometru lub przycisków za pomocą Arduino.

Serwomotorem można również sterować za pomocą łatwo dostępnego pilota na podczerwień. Ten pilot jest pomocny w przesuwaniu silnika serwo prądu stałego pod określonym kątem lub zwiększaniu lub zmniejszaniu kąta silnika liniowo za pomocą pilota na podczerwień.

Tutaj omówimy, jak przesuwać serwosilnik za pomocą pilota na podczerwień za pomocą Arduino pod określonym kątem, a także zwiększać lub zmniejszać kąt serwomotoru za pomocą pilota zgodnie z ruchem wskazówek zegara i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Schemat interfejsu serwomotoru prądu stałego z Arduino i pilotem na podczerwień pokazano poniżej. Połączenia tego interfejsu są następujące;

Ten interfejs wykorzystuje głównie trzy podstawowe komponenty, takie jak serwosilnik prądu stałego, płyta Arduino i czujnik podczerwieni TSOP1738. Ten czujnik ma trzy zaciski, takie jak Vcc, GND i wyjście. Zacisk Vcc tego czujnika jest podłączony do 5V płytki Arduino Uno, zacisk GND tego czujnika jest podłączony do zacisku GND płytki Arduino, a zacisk wyjściowy jest podłączony do styku 12 (wejście cyfrowe) płytki Arduino.

Cyfrowy styk wyjściowy 5 jest po prostu podłączony do styku wejściowego sygnału serwomotoru w celu napędzania silnika
Pin serwomotoru prądu stałego + ve jest podawany na zewnętrzne zasilanie 5 V, a pin GND serwomotoru jest podawany na pin GND Arduino.

Pracujący

Pilot na podczerwień służy do wykonywania dwóch czynności 30 stopni, 60 stopni i 90 stopni, a także do zwiększania/zmniejszania kąta silnika od 0 do 180 stopni.

Pilot zawiera wiele przycisków, takich jak przyciski cyfr (0-9), przyciski sterowania kątem, przyciski strzałek, przyciski góra/dół itp. Po naciśnięciu dowolnego przycisku cyfry od 1 do 5 serwomotor prądu stałego przesunie się do tego dokładnego kąta, a po naciśnięciu przycisku kąta w górę/w dół można dokładnie ustawić kąt silnika na ±5 stopni.

Po wybraniu przycisków kody tych przycisków muszą zostać zdekodowane. Po naciśnięciu dowolnego przycisku na pilocie wyśle ​​jeden kod, aby wykonać wymaganą akcję. Do dekodowania tych zdalnych kodów używana jest zdalna biblioteka IR z Internetu.

Prześlij następujący program do Arduino i podłącz czujnik podczerwieni. Teraz umieść pilota w kierunku czujnika podczerwieni i naciśnij przycisk. Następnie otwórz monitor szeregowy i monitoruj kod naciśniętego przycisku w postaci liczb.

Kod Arduino

#include // dodaj zdalną bibliotekę IR
#include // dodaj bibliotekę serwomotorów
Usługa serwisowa1;
int IRpin = 12; // pin dla czujnika IR
int kąt_silnika=0;
IRrecv niezwr(IRpin);
decode_results wyniki;
anuluj konfigurację ()
{
Serial.begin(9600); // zainicjuj komunikację szeregową
Serial.println('Zdalnie sterowany serwosilnik na podczerwień'); // wyświetl wiadomość
nieodwracalny.enableIRIn(); // Uruchom odbiornik
servo1.attach(5); // zadeklaruj pin silnika serwo
servo1.write(kąt_silnika); // przestaw silnik na 0 stopni
Serial.println('Kąt serwosilnika 0 stopni');
opóźnienie (2000);
}
pusta pętla ()
{
while(!(irrecv.decode(&results))); // poczekaj, aż żaden przycisk nie zostanie wciśnięty
if (irrecv.decode(&results)) // po naciśnięciu przycisku i odebraniu kodu
{
if(results.value==2210) // sprawdź, czy przycisk z cyfrą 1 został wciśnięty
{
Serial.println('Kąt serwosilnika 30 stopni');
kąt_silnika = 30;
servo1.write(kąt_silnika); // przestaw silnik na 30 st
}
else if(results.value==6308) // jeśli wciśnięty zostanie przycisk z cyfrą 2
{
Serial.println('Kąt serwosilnika 60 stopni');
kąt_silnika = 60;
servo1.write(kąt_silnika); // przestaw silnik na 60 st
}
else if(results.value==2215) // podobnie dla wszystkich przycisków cyfr
{
Serial.println('Kąt serwosilnika 90 stopni');
kąt_silnika = 90;
servo1.write(kąt_silnika);
}
inaczej if(results.value==6312)
{
Serial.println('kąt serwosilnika 120 stopni');
kąt_silnika = 120;
servo1.write(kąt_silnika);
}
inaczej if(results.value==2219)
{
Serial.println('Kąt serwosilnika 150 stopni');
kąt_silnika = 150;
servo1.write(kąt_silnika);
}
else if(results.value==6338) // jeśli zostanie naciśnięty przycisk zwiększania głośności
{
if(kąt_silnika<150) kąt_silnika+=5; // zwiększ kąt silnika
Serial.print('Kąt silnika to ');
Serial.println(kąt_silnika);
servo1.write(kąt_silnika); // i przesuń silnik pod ten kąt
}
else if(results.value==6292) // jeśli naciśnięto przycisk zmniejszania głośności
{
if(kąt_silnika>0) kąt_silnika-=5; // zmniejsz kąt silnika
Serial.print('Kąt silnika to ');
Serial.println(kąt_silnika);
servo1.write(kąt_silnika); // i przesuń silnik pod ten kąt
}
opóźnienie(200); // poczekaj 0,2 sek
niezweryfikowany.wznowić(); // ponownie przygotuj się na otrzymanie następnego kodu
}
}

Zasilanie serwosilnika prądu stałego jest dostarczane z zewnętrznego źródła 5 V, a zasilanie czujnika podczerwieni i płytki Arduino jest dostarczane z USB. Po podaniu zasilania do serwosilnika, przesuwa się on do 0 stopni. Następnie na monitorze szeregowym zostanie wyświetlony komunikat „Kąt silnika serwo wynosi 0 stopni”.

Teraz na pilocie, po naciśnięciu przycisku 1, serwomotor prądu stałego przesunie się o 30 stopni. Podobnie, po naciśnięciu przycisków, takich jak 2, 3, 4 lub 5, silnik będzie się poruszał pod żądanymi kątami, takimi jak 60 stopni, 90 stopni, 120 stopni lub 150 stopni. Teraz monitor szeregowy wyświetli położenie kątowe serwomotoru jako „kąt serwosilnika xx stopni”

Po naciśnięciu przycisku zwiększania głośności kąt silnika zostanie zwiększony o 5 stopni, co oznacza, że ​​jeśli wynosi 60 stopni, przesunie się do 65 stopni. Tak więc pozycja nowego kąta zostanie wyświetlona na monitorze szeregowym.

Podobnie, po naciśnięciu przycisku kąta w dół, kąt silnika zostanie zmniejszony o 5 stopni, co oznacza, że ​​jeśli kąt wynosi 90 stopni, to przesunie się do 85 stopni. Sygnał z pilota na podczerwień jest wykrywany przez czujnik podczerwieni. Aby dowiedzieć się, jak to wyczuwa i jak działa czujnik podczerwieni, kliknij tutaj

Tak więc pozycja nowego kąta zostanie wyświetlona na monitorze szeregowym. Dlatego możemy łatwo kontrolować kąt serwomotoru prądu stałego za pomocą pilota Arduino i IR.

Aby dowiedzieć się, jak połączyć silnik prądu stałego z mikrokontrolerem 8051, kliknij tutaj

Zalety silnika serwo prądu stałego

The zalety serwomotorów prądu stałego zawierać następujące.

• Praca silnika serwo prądu stałego jest stabilna.
• Silniki te mają znacznie większą moc wyjściową niż rozmiar i waga silnika.
• Kiedy te silniki pracują z dużymi prędkościami, nie generują żadnego hałasu.
• Ta praca silnika jest pozbawiona wibracji i rezonansu.
• Tego typu silniki mają wysoki stosunek momentu obrotowego do bezwładności i mogą bardzo szybko przenosić obciążenia.
• Charakteryzują się wysoką wydajnością.
• Dają szybkie odpowiedzi.
• Są przenośne i lekkie.
• Działanie Czterech Kwadrantów jest możliwe.
• Przy dużych prędkościach są słyszalnie ciche.

The wady serwomotorów prądu stałego zawierać następujące.

• Mechanizm chłodzenia serwomotoru prądu stałego jest nieefektywny. Więc ten silnik szybko się zanieczyszcza, gdy jest wentylowany.
• Ten silnik generuje maksymalną moc wyjściową przy wyższym momencie obrotowym i wymaga regularnej przekładni.
• Silniki te mogą ulec uszkodzeniu w wyniku przeciążenia.
• Mają złożoną konstrukcję i potrzebują enkodera.
• Silniki te wymagają strojenia w celu ustabilizowania pętli sprzężenia zwrotnego.
• Wymaga konserwacji.

Zastosowania serwomotorów prądu stałego

The Zastosowania serwosilników prądu stałego zawierać następujące.

• Serwosilniki prądu stałego są stosowane w obrabiarkach do cięcia i formowania metalu.
• Są one używane do pozycjonowania anten, drukowania, pakowania, obróbki drewna, tekstyliów, produkcji sznurka lub liny, CMM (współrzędnościowych maszyn pomiarowych), przenoszenia materiałów, polerowania podłogi, otwierania drzwi, stołu X-Y, sprzętu medycznego i przędzenia płytek.
• Silniki te są używane w systemach sterowania samolotami, gdzie ograniczenia przestrzenne i ciężarowe wymagają silników zapewniających dużą moc dla każdej jednostki objętości.
• Mają one zastosowanie tam, gdzie wymagany jest wysoki moment rozruchowy, jak napędy dmuchaw i wentylatory.
• Są one również wykorzystywane głównie w robotyce, programowaniu urządzeń, siłownikach elektromechanicznych, obrabiarkach, sterownikach procesów itp.

Jest to zatem przegląd dc serwomotor – działa z aplikacjami. Te serwomotory są używane w różnych gałęziach przemysłu, aby zapewnić rozwiązanie wielu ruchów mechanicznych. Cechy tych silników sprawią, że będą bardzo wydajne i mocne. Oto pytanie do ciebie, co to jest AC Servo Motor?