DC servo motor: konstrukcija, rad, sučelje s Arduinom i njegove primjene

DC servo motor: konstrukcija, rad, sučelje s Arduinom i njegove primjene

A servo motor ili servo je jedna vrsta električnog motora koji se koristi za okretanje dijelova stroja s visokom preciznošću. Ovaj motor uključuje upravljački krug koji daje povratnu informaciju o trenutnom položaju osovine motora tako da ta povratna informacija jednostavno omogućuje ovim motorima da se vrte s velikom preciznošću. Servo motor je koristan za rotiranje predmeta na određenu udaljenost ili kut. Ovaj motor je klasificiran u dvije vrste AC servo motora i DC servo motora. Ako servo motor za rad koristi istosmjernu struju, tada se motor naziva istosmjernim servo motorom, dok ako radi s izmjeničnom strujom, tada je poznat kao izmjenični servo motor. Ovaj vodič pruža kratke informacije o DC servo motor – rad s aplikacijama.




Što je DC servo motor?

Servomotor koji koristi istosmjerni električni ulaz za proizvodnju mehaničkog izlaza kao što je položaj, brzina ili ubrzanje naziva se istosmjerni servomotor. Općenito, ove vrste motora koriste se kao primarni pokretači unutar numerički upravljanih strojeva, računala i mnogih drugih gdje god se vrše pokretanja i zaustavljanja precizno i ​​vrlo brzo.

  DC servo motor
DC servo motor

Konstrukcija i rad istosmjernog servo motora

DC servo motor konstruiran je s različitim komponentama koje su dane u sljedećem blok dijagramu. U ovom dijagramu, svaka komponenta i njena funkcija su opisani u nastavku.





  Blok dijagram istosmjernog servo motora
Blok dijagram istosmjernog servo motora

Motor koji se ovdje koristi je tipičan istosmjerni motor uključujući njegov namot polja koji se pobuđuje zasebno. Ovisno o prirodi pobude, dalje se mogu kategorizirati kao servo motori upravljani armaturom i poljem.

Opterećenje koje se koristi u ovome je jednostavan ventilator ili industrijsko opterećenje koje je jednostavno povezano s mehaničkom osovinom motora.



Mjenjač u ovoj konstrukciji radi poput mehaničkog pretvarača za promjenu izlazne snage motora poput ubrzanja, položaja ili brzine, ovisno o primjeni.

  PCBWay

Glavna funkcija senzora položaja je dobiti povratni signal ekvivalentan trenutnom položaju tereta. Općenito, ovo je potenciometar koji se koristi za osiguravanje napona koji je proporcionalan apsolutnom kutu osovine motora kroz mehanizam zupčanika.

Funkcija komparatora je usporedba o/p senzora položaja i referentne točke kako bi se proizveo signal pogreške i proslijedio ga pojačalu. Ako DC motor radi s preciznom kontrolom, tada nema pogreške. Senzor položaja, mjenjač i komparator učinit će sustav zatvorenom petljom.

Funkcija pojačala je da pojača grešku iz komparatora i dovede je do istosmjernog motora. Dakle, radi kao proporcionalni regulator gdje god je pojačanje pojačano za nultu pogrešku u stabilnom stanju.

Upravljani signal daje ulaz u PWM (modulator širine impulsa) ovisno o povratnom signalu tako da modulira ulaz motora za preciznu kontrolu inače nultu pogrešku u stabilnom stanju. Nadalje, ovaj modulator širine impulsa koristi referentni valni oblik i komparator za proizvodnju impulsa.

Izradom sustava zatvorene petlje dobiva se ubrzanje, brzina ili točna pozicija. Kao što ime sugerira, servo motor je kontrolirani motor koji daje preferirani izlaz zbog povratne veze i efekta regulatora. Signal greške jednostavno se pojačava i koristi za pogon servo motora. Ovisno o prirodi proizvodnje upravljačkog signala i modulatora širine pulsa, ovi motori imaju superiorne metode upravljanja s FPGA čipovima ili procesorima digitalnih signala.

Rad istosmjernog servo motora je; kad god se ulazni signal primijeni na istosmjerni motor, on okreće osovinu i zupčanike. Dakle, u osnovi, rotacija izlaza zupčanika se vraća na senzor položaja (potenciometar) čiji se gumbi okreću i mijenjaju svoj otpor. Kad god se otpor promijeni, mijenja se i napon, što je signal greške koji se dovodi u regulator i posljedično se generira PWM.

Da biste saznali više o vrstama istosmjernih servo motora, pogledajte ovu poveznicu: Različite vrste servo motora .

Prijenosna funkcija istosmjernog servo motora

Prijenosna funkcija može se definirati kao omjer Laplaceove transformacije (LT) o/p varijable prema LT ( Laplaceova transformacija ) varijable i/p. Općenito, DC motor mijenja energiju iz električne u mehaničku. Isporučena električna energija na stezaljkama armature pretvara se u kontroliranu mehaničku energiju.

Dolje je prikazana prijenosna funkcija istosmjernog servo motora kontroliranog armaturom.

  Blok dijagram istosmjernog servo motora upravljanog armaturom
Blok dijagram istosmjernog servo motora upravljanog armaturom

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

Dolje je prikazana prijenosna funkcija istosmjernog servomotora kontroliranog poljem.

  Blok dijagram istosmjernog servo motora upravljanog poljem
Blok dijagram istosmjernog servo motora upravljanog poljem

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

Istosmjerni servo motor upravljan armaturom pruža superiorne performanse zbog sustava zatvorene petlje u usporedbi s istosmjernim servo motorom kontroliranim poljem koji je sustav otvorene petlje. Osim toga, brzina odziva je spora unutar sustava kontrole polja. U slučaju upravljanja armaturom, induktivitet armature je zanemariv, dok u slučaju upravljanja poljem nije isti. No, kod kontrole unutarnjeg polja, poboljšano prigušenje nije moguće postići, dok se kod kontrole armature može postići.

Tehnički podaci

DC servo motor pruža specifikacije performansi koje uključuju sljedeće. Ove specifikacije trebale bi se uskladiti na temelju potreba opterećenja aplikacije kako bi se motor pravilno dimenzionirao.

  • Brzina osovine jednostavno definira brzinu u kojoj se točka okreće osovina, izraženu unutar RPM (okretaja u minuti).
  • Obično je brzina koju nudi proizvođač brzina u praznom hodu O/P osovine ili brzina pri kojoj je izlazni moment motora jednak nuli.
  • Priključni napon je projektirani napon motora koji određuje brzinu motora. Ova brzina se jednostavno kontrolira povećanjem ili smanjenjem napona koji se dovodi do motora.
  • Rotacijska sila poput momenta generirana je osovinom istosmjernog servo motora. Dakle, potrebni zakretni moment za ovaj motor jednostavno je određen karakteristikama brzine i zakretnog momenta za različita opterećenja unutar ciljne primjene. Ovi momenti su dvije vrste početnog momenta i kontinuiranog momenta.
  • Početni moment je potreban moment prilikom pokretanja servo motora. Ovaj moment je obično veći u usporedbi s kontinuiranim momentom.
  • Kontinuirani moment je izlazni moment koji je kapacitet motora u stalnim uvjetima rada.
  • Ovi motori moraju imati dovoljan kapacitet brzine i zakretnog momenta za primjenu, uključujući 20 do 30% margine između potrebnih opterećenja kao i vrijednosti motora kako bi se osigurala pouzdanost. Kada te marže premaše previše tada će se smanjiti učinkovitost troškova specifikacije 12V DC servo motora bez jezgre tvrtke Faulhaber su:
  • Omjer mjenjača je 64: l Planetarni trostupanjski mjenjač.
  • Struja opterećenja je 1400 mA.
  • Snaga je 17W.
  • Brzina je 120rpm.
  • Struja praznog hoda je 75 mA.
  • Vrsta enkodera je optički.
  • Razlučivost enkodera je 768CPR O/P osovine.
  • Promjer je 30mm.
  • Dužina je 42 mm.
  • Ukupna dužina je 85 mm.
  • Promjer osovine je 6 mm.
  • Duljina osovine je 35 mm.
  • Moment zastoja je 52 kgcm.

Karakteristike

The karakteristike istosmjernog servo motora uključuju sljedeće.

  • Dizajn istosmjernog servo motora sličan je istosmjernom motoru s permanentnim magnetom ili zasebno pobuđenim istosmjernim motorom.
  • Kontrola brzine ovog motora vrši se kontrolom napona armature.
  • Servo motor je dizajniran s visokim otporom armature.
  • Omogućuje brz odziv okretnog momenta.
  • Koračna promjena unutar napona armature stvara brzu promjenu brzine motora.

AC servo motor protiv DC servo motora

Razlika između DC servo motora i AC servo motora uključuje sljedeće.

AC servo motor

DC servo motor

Jedna vrsta servomotora koji koristi AC električni ulaz za generiranje mehaničkog izlaza naziva se AC servo motor. Jedna vrsta servomotora koji koristi istosmjerni električni ulaz za generiranje mehaničkog izlaza naziva se istosmjerni servo motor.
AC servo motor daje nisku izlaznu snagu. DC servo motor daje veliku izlaznu snagu.
Ovi motori su podesivi za radne uvjete velike brzine. Ovi motori su podesivi za radne uvjete niske brzine.
Ove vrste motora razvijaju veliki okretni moment. Ove vrste motora razvijaju mali okretni moment.
Rad ovog motora je stabilan, gladak i baziran na manje buke. Rad ovog motora je manje stabilan i bučan.
Ovi motori imaju manju učinkovitost. Ovi motori imaju visoku učinkovitost.
Ovi motori imaju manje problema sa stabilnošću. Ovi motori imaju više problema sa stabilnošću.
Kod ovih motora nema problema s elektroničkom bukom. Kod ovih motora postoji problem elektroničke buke zbog prisutnosti četkica.
Održavanje ovih motora je manje. Održavanje ovih motora je visoko zbog prisutnosti četkica i komutatora.
Lagane su i u malim veličinama. Ove su teške i velike veličine.
Ovi motori su prikladni za aplikacije male snage. Ovi motori su prikladni za aplikacije velike snage.

Sučelje istosmjernog servo motora s Arduinom

Za upravljanje istosmjernim servo motorom pod točnim i traženim kutom može se koristiti Arduino ploča/bilo koji drugi mikrokontroler. Ova ploča ima analogni o/p koji generira PWM signal za okretanje servo motora pod preciznim kutom. Također možete pomicati kutni položaj servo motora potenciometrom ili tipkama pomoću Arduina.

Servo motorom se također može upravljati IR daljinskim upravljačem koji je odmah dostupan. Ovaj daljinski upravljač pomaže u pomicanju istosmjernog servo motora na određeni kut ili linearnom povećanju ili smanjenju kuta motora pomoću IR daljinskog upravljača.

Ovdje ćemo raspravljati o tome kako pomicati servo motor pomoću IR daljinskog upravljača pomoću Arduina pod određenim kutom i također povećavati ili smanjivati ​​kut servo motora daljinskim upravljačem u smjeru kazaljke na satu i suprotno od njega. Dolje je prikazan dijagram sučelja DC servo motora s Arduinom i IR daljinskim upravljačem. Veze ovog sučelja slijede kao;

  Povezivanje istosmjernog servo motora s Arduinom
Povezivanje istosmjernog servo motora s Arduinom

Ovo sučelje uglavnom koristi tri bitne komponente kao što su istosmjerni servo motor, Arduino ploča i TSOP1738 IR senzor. Ovaj senzor ima tri priključka kao što su Vcc, GND i izlaz. Vcc terminal ovog senzora spojen je na 5V Arduino Uno ploče, GND terminal ovog senzora je spojen na GND terminal Arduino ploče, a izlazni terminal je spojen na pin 12 (digitalni ulaz) Arduino ploče.

Digitalni izlazni pin 5 se jednostavno spaja na ulazni signalni pin servo motora za pogon motora
Pin +ve istosmjernog servo motora povezan je s vanjskim napajanjem od 5 V, a pin GND servo motora priključen je na GND pin Arduina.

radim

IR daljinski upravljač koristi se za izvođenje dvije radnje 30 stupnjeva, 60 stupnjeva i 90 stupnjeva, kao i za povećanje/smanjenje kuta motora od 0 do 180 stupnjeva.

Daljinski upravljač sadrži mnogo gumba poput gumba s brojkama (0-9), gumba za kontrolu kuta, gumba sa strelicama, gumba gore/dolje, itd. Jednom kada se pritisne bilo koji gumb s znamenkama od 1 do 5, tada će se istosmjerni servo motor pomaknuti na taj točan kut i kada se pritisne tipka za kut gore/dolje tada se kut motora može točno postaviti na ±5 stupnjeva.

Nakon što se odluči za gumbe, kodove tih gumba treba dekodirati. Nakon što se pritisne bilo koji gumb na daljinskom upravljaču, on će poslati jedan kod za izvođenje tražene radnje. Za dekodiranje ovih daljinskih kodova koristi se IR udaljena biblioteka s interneta.

Učitajte sljedeći program u Arduino i spojite IR senzor. Sada postavite daljinski prema IR senzoru i pritisnite gumb. Nakon toga otvorite serijski monitor i pratite kod pritisnute tipke u obliku brojeva.

Arduino kod

#include // dodaj IR udaljenu knjižnicu
#include // dodaj knjižnicu servo motora
Usluga usluga1;
int IRpin = 12; // igla za IR senzor
int motor_kut=0;
IRrecv irrecv(IRpin);
decode_results rezultati;
void setup()
{
Serial.begin(9600); // inicijalizirati serijsku komunikaciju
Serial.println(“IR servo motor s daljinskim upravljanjem”); // prikaz poruke
irrecv.enableIRIn(); // Pokretanje prijemnika
servo1.priloži(5); // deklarirati pin servo motora
servo1.write(kut_motora); // pomakni motor na 0 stupnjeva
Serial.println(“Kut servo motora 0 stupnjeva”);
kašnjenje (2000);
}
void petlja()
{
dok(!(irrecv.decode(&rezultati))); // pričekajte dok se ne pritisne nijedan gumb
if (irrecv.decode(&results)) // kada se pritisne gumb i primi kod
{
if(results.value==2210) // provjera je li pritisnuta tipka znamenke 1
{
Serial.println(“kut servo motora od 30 stupnjeva”);
kut_motora = 30;
servo1.write(kut_motora); // pomaknite motor na 30 stupnjeva
}
else if(results.value==6308) // ako se pritisne gumb znamenke 2
{
Serial.println(“kut servo motora 60 stupnjeva”);
kut_motora = 60;
servo1.write(kut_motora); // pomaknite motor na 60 stupnjeva
}
else if(results.value==2215) // kao i za sve gumbe znamenki
{
Serial.println(“kut servo motora 90 stupnjeva”);
kut_motora = 90;
servo1.write(kut_motora);
}
else if(results.value==6312)
{
Serial.println(“kut servo motora 120 stupnjeva”);
kut_motora = 120;
servo1.write(kut_motora);
}
else if(results.value==2219)
{
Serial.println(“kut servo motora 150 stupnjeva”);
kut_motora = 150;
servo1.write(kut_motora);
}
else if(results.value==6338) // ako se pritisne gumb za povećanje glasnoće
{
if(kut_motora<150)kut_motora+=5; // povećanje kuta motora
Serial.print(“Kut motora je “);
Serial.println(kut_motora);
servo1.write(kut_motora); // i pomaknite motor na taj kut
}
else if(results.value==6292) // ako je pritisnuta tipka za smanjivanje glasnoće
{
if(kut_motora>0)kut_motora-=5; // smanjenje kuta motora
Serial.print(“Kut motora je “);
Serial.println(kut_motora);
servo1.write(kut_motora); // i pomaknite motor na taj kut
}
kašnjenje (200); // čekati 0,2 sek
irrecv.resume(); // ponovno biti spreman za primanje sljedećeg koda
}
}

Napajanje DC servo motora daje se iz vanjskog 5V, a napajanje IR senzora i Arduino ploče se daje iz USB-a. Nakon što se servo motoru da snaga, on se pomiče na 0 stupnjeva. Nakon toga, poruka će se prikazati kao 'kut servo motora je 0 stupnjeva' na serijskom monitoru.

Sada na daljinskom upravljaču, kada se pritisne gumb 1, istosmjerni servo motor će se pomaknuti za 30 stupnjeva. Slično, jednom kada se pritisnu tipke poput 2, 3, 4 ili 5, motor će se pomicati pod željenim kutovima poput 60 stupnjeva, 90 stupnjeva, 120 stupnjeva ili 150 stupnjeva. Sada će serijski monitor prikazati kutni položaj servo motora kao 'kut servo motora xx stupnjeva'

Nakon što se pritisne gumb za povećanje glasnoće, kut motora će se povećati za 5 stupnjeva, što znači da ako je 60 stupnjeva, tada će se pomaknuti na 65 stupnjeva. Dakle, pozicija novog kuta bit će prikazana na serijskom monitoru.

Isto tako, kada se pritisne gumb za kut prema dolje, kut motora će se smanjiti za 5 stupnjeva, što znači, ako je kut 90 stupnjeva, tada će se pomaknuti na 85 stupnjeva. Signal s IR daljinskog upravljača registrira IC senzor. Kliknite kako biste saznali kako osjeti i kako radi IR senzor ovdje

Dakle, pozicija novog kuta bit će prikazana na serijskom monitoru. Stoga možemo jednostavno kontrolirati kut istosmjernog servo motora s Arduino & IR daljinskim upravljačem.

Kliknite kako biste saznali kako spojiti istosmjerni motor s 8051 mikrokontrolerom ovdje

Prednosti DC servo motora

The prednosti DC servo motora uključuju sljedeće.

  • Rad istosmjernog servo motora je stabilan.
  • Ovi motori imaju puno veću izlaznu snagu od veličine i težine motora.
  • Kad ovi motori rade pri velikim brzinama, ne stvaraju nikakvu buku.
  • Ovaj rad motora je bez vibracija i rezonancije.
  • Ovi tipovi motora imaju visok omjer zakretnog momenta i inercije i mogu vrlo brzo preuzeti opterećenja.
  • Imaju visoku učinkovitost.
  • Daju brze odgovore.
  • Ovi su prijenosni i lagani.
  • Rad četiri kvadranta je moguć.
  • Pri velikim brzinama, oni su čujno tihi.

The nedostaci DC servo motora uključuju sljedeće.

  • Mehanizam hlađenja DC servo motora je neučinkovit. Stoga se ovaj motor brzo zagađuje nakon što se ventilira.
  • Ovaj motor stvara maksimalnu izlaznu snagu pri višoj brzini zakretnog momenta i potrebno mu je redovno zupčaništvo.
  • Ovi se motori mogu oštetiti preopterećenjem.
  • Imaju složen dizajn i potreban im je koder.
  • Ovi motori trebaju podešavanje za stabilizaciju povratne sprege.
  • Zahtijeva održavanje.

Primjene istosmjernog servo motora

The primjene istosmjernih servo motora uključuju sljedeće.

  • DC servo motori se koriste u alatnim strojevima za rezanje i oblikovanje metala.
  • Koriste se za pozicioniranje antene, tiskanje, pakiranje, obradu drveta, tekstila, proizvodnju konopa ili užadi, CMM (strojevi za mjerenje koordinata), rukovanje materijalima, poliranje poda, otvaranje vrata, X-Y stol, medicinsku opremu i predenje vafla.
  • Ovi se motori koriste u sustavima upravljanja zrakoplovima gdje ograničenja prostora i težine zahtijevaju motore za isporuku velike snage za svaku jedinicu volumena.
  • Oni su primjenjivi tamo gdje je neophodan veliki startni moment kao što su pogoni puhala i ventilatori.
  • Također se uglavnom koriste za robotiku, uređaje za programiranje, elektromehaničke aktuatore, alatne strojeve, procesne kontrolere itd.

Dakle, ovo je pregled DC servo motor - radi s aplikacijama. Ovi se servo motori koriste u raznim industrijama kao rješenje za mnoga mehanička kretanja. Značajke ovih motora učinit će ih vrlo učinkovitima i snažnima. Evo pitanja za vas, što je AC servo motor?