Jak działa serwomotor? Serwomotor to urządzenie elektromechaniczne wytwarzające moment obrotowy i prędkość w oparciu o dostarczony prąd i napięcie. Serwosilnik działa jako część układu z zamkniętą pętlą, zapewniając moment obrotowy i prędkość zgodnie z poleceniami serwosterownika wykorzystującego urządzenie sprzężenia zwrotnego do zamykania pętli. Urządzenie sprzężenia zwrotnego dostarcza informacje, takie jak prąd, prędkość lub położenie, do serwosterownika, który dostosowuje pracę silnika w zależności od zadanych parametrów.
Silniki serwo są dostępne w szerokiej gamie typów, kształtów i rozmiarów. Termin serwo został po raz pierwszy użyty w 1859 roku przez Josepha Facorta, który wdrożył mechanizm sprzężenia zwrotnego, aby pomóc w sterowaniu statkiem za pomocą pary w celu sterowania sterami. Serwomotor jest częścią serwomechanizmu składającego się z trzech kluczowych elementów – silnika, urządzenia sprzężenia zwrotnego i elektroniki sterującej. Silnik może być zasilany prądem przemiennym lub stałym, szczotkowy lub bezszczotkowy, obrotowy lub liniowy i może mieć dowolny rozmiar. Urządzeniem sprzężenia zwrotnego może być potencjometr, urządzenie wykorzystujące efekt Halla, tachometr, rezolwer, enkoder, przetwornik liniowy lub dowolny inny czujnik, stosownie do potrzeb. Dopełnieniem układu serwo jest elektronika sterująca, która zasila silnik i porównuje dane zwrotne oraz referencje poleceń, aby sprawdzić, czy serwomotor działa zgodnie z poleceniami. Istnieje wiele rodzajów zastosowań silników serwo, od prostych silników prądu stałego stosowanych w zastosowaniach hobbystycznych (takich jak modele samolotów) po wyrafinowane silniki bezszczotkowe napędzane przez złożone kontrolery ruchu stosowane w wieloosiowych centrach obróbczych. Jednym z przykładów powszechnego serwomechanizmu jest tempomat pojazdu, który składa się z silnika (silnika), czujnika prędkości (sprzężenia zwrotnego) i elektroniki służącej do porównywania prędkości pojazdu z ustawioną prędkością. Jeśli pojazd zwalnia, czujnik przekazuje te dane do elektroniki, która z kolei zwiększa dopływ gazu do silnika, aby zwiększyć prędkość do żądanej wartości zadanej – prosty system w zamkniętej pętli.
Prosty przemysłowy serwomotor składa się z silnika prądu stałego z magnesami trwałymi i zintegrowanego obrotomierza, który zapewnia napięcie wyjściowe proporcjonalne do prędkości. Elektronika napędu dostarcza do silnika niezbędne napięcie i prąd w oparciu o napięcie zwrotne z obrotomierza. W tym przykładzie w sterowniku ustawiana jest zadana prędkość (reprezentowana jako napięcie odniesienia polecenia), następnie obwód w sterowniku porównuje napięcie sprzężenia zwrotnego obrotomierza i określa, czy żądana prędkość została osiągnięta – co jest tzw. zamkniętą pętlą prędkości. Pętla prędkości monitoruje zadaną prędkość i informację zwrotną z obrotomierza, podczas gdy kierowca reguluje moc silnika, aby utrzymać żądaną zadaną prędkość.
W bardziej wyrafinowanym systemie serwo wiele wbudowanych pętli jest dostrojonych w celu uzyskania optymalnej wydajności i zapewnienia precyzyjnej kontroli ruchu. System składa się z pętli prądowych, prędkościowych i pozycyjnych, które wykorzystują precyzyjne elementy sprzężenia zwrotnego. Każda pętla sygnalizuje następną pętlę i monitoruje odpowiednie elementy sprzężenia zwrotnego, aby wprowadzić poprawki w czasie rzeczywistym w celu dopasowania zadanych parametrów.
Pętla bazowa to pętla prądowa lub momentowa. Prąd jest proporcjonalny do momentu obrotowego w silniku obrotowym (lub siły w silniku liniowym), który zapewnia przyspieszenie lub ciąg. Czujnik prądu to urządzenie, które dostarcza informacji zwrotnej związanej z prądem przepływającym przez silnik. Czujnik wysyła sygnał z powrotem do elektroniki sterującej – zazwyczaj jest to sygnał analogowy lub cyfrowy proporcjonalny do prądu silnika. Sygnał ten jest odejmowany od sygnału nakazanego. Kiedy serwomotor osiągnie zadany prąd, pętla będzie działać, dopóki prąd nie spadnie poniżej zadanego prądu. Pętla będzie następnie zwiększać prąd aż do osiągnięcia zadanego prądu, przy czym cykl będzie kontynuowany z szybkością aktualizacji poniżej sekundy.
Pętla prędkości działa w ten sam sposób z napięciem proporcjonalnym do prędkości. Pętla prędkości wysyła do pętli prądowej polecenie zwiększenia prądu (w ten sposób zwiększając napięcie), gdy prędkość spadnie poniżej zadanej prędkości.
Pętla położenia przyjmuje polecenie dla sterownika PLC lub sterownika ruchu, który z kolei dostarcza polecenie prędkości podawane do pętli prędkości, która z kolei steruje wymaganym prądem do przyspieszania, utrzymywania i zwalniania silnika w celu przemieszczenia się do zadanej pozycji . Wszystkie trzy pętle działają w zoptymalizowanej synchronizacji, aby zapewnić płynną i precyzyjną kontrolę serwomechanizmu.