מנוע סרוו DC: בנייה, עבודה, ממשק עם ארדואינו ויישומיו

א מנוע סרוו או סרוו הוא סוג אחד של מנוע חשמלי המשמש לסיבוב חלקי המכונה בדיוק גבוה. מנוע זה כולל מעגל בקרה המספק משוב על המיקום הנוכחי של הציר של המנוע ולכן משוב זה פשוט מאפשר למנועים אלו להסתובב בדיוק רב. מנוע סרוו מועיל בסיבוב חפץ במרחק או בזווית כלשהי. מנוע זה מסווג לשני סוגים מנוע סרוו AC ומנוע סרוו DC. אם מנוע סרוו משתמש בכוח DC כדי לעבוד אז המנוע נקרא מנוע סרוו DC ואילו אם הוא עובד עם מתח AC אז הוא ידוע בתור מנוע AC סרוו. הדרכה זו מספקת מידע קצר על מנוע סרוו DC - עבודה עם אפליקציות.

מהו מנוע סרוו DC?

מנוע סרוו שמשתמש בקלט חשמלי DC כדי לייצר פלט מכני כמו מיקום, מהירות או תאוצה נקרא סרוו מנוע DC בדרך כלל, סוגים אלה של מנועים משמשים כמניעים ראשוניים במכונות, מחשבים ורבים נוספים בכל מקום שבו מתבצעות התחלות ועצירות בדיוק ומהר מאוד.

בנייה ועבודה של מנוע סרוו DC

מנוע הסרוו DC בנוי עם רכיבים שונים הניתנים בתרשים הבלוק הבא. בתרשים זה, כל רכיב ותפקידו נדון להלן.

המנוע המשמש בכך הוא מנוע DC טיפוסי כולל פיתול השדה שלו שמתרגש בנפרד. אז בהתאם לאופי העירור, ניתן לסווג עוד כמנועי סרוו נשלטי אבזור ומנועי שדה.

העומס המשמש בכך הוא מאוורר פשוט או עומס תעשייתי המחובר פשוט לציר המכני של המנוע.

תיבת ההילוכים במבנה זה פועלת כמו מתמר מכני כדי לשנות את תפוקת המנוע כמו תאוצה, מיקום או מהירות בהתאם ליישום.

תפקידו העיקרי של חיישן מיקום הוא לקבל את אות המשוב שווה ערך למיקום הנוכחי של העומס. בדרך כלל, זהו פוטנציומטר המשמש לספק מתח פרופורציונלי לזווית המוחלטת של גל המנוע דרך מנגנון ההילוכים.

פונקציית ההשוואה היא להשוות את o/p של חיישן מיקום ונקודת ייחוס כדי להפיק את אות השגיאה ולתת אותו למגבר. אם מנוע DC עובד עם בקרה מדויקת, אז אין שגיאה. חיישן המיקום, תיבת ההילוכים והמשוואה יהפכו את המערכת ללולאה סגורה.

פונקציית המגבר היא להגביר את השגיאה מהמשוואה ולהזין אותה למנוע DC. אז, הוא מתפקד כמו בקר פרופורציונלי בכל מקום שבו הרווח מתחזק עבור אפס שגיאה במצב יציב.

האות המבוקר נותן את הקלט ל-PWM (אפנן רוחב הדופק) בהתאם לאות המשוב כך שהוא מווסת את כניסת המנוע לשליטה מדויקת אחרת אפס שגיאה במצב יציב. יתר על כן, מאפנן רוחב הפולסים הזה משתמש בצורת גל ייחוס ומשוואה כדי לייצר פולסים.

על ידי יצירת מערכת הלולאה הסגורה, מתקבלת תאוצה, מהירות או מיקום מדויק. כפי שהשם מרמז, מנוע הסרוו הוא מנוע מבוקר המספק את הפלט המועדף בשל אפקט המשוב והבקר. אות השגיאה פשוט מוגבר ומנוצל כדי להניע את מנוע הסרוו. בהתאם לאופי מייצר אות הבקרה ורוחב הדופק, למנועים אלה יש שיטות מבוקרות מעולות עם שבבי FPGA או מעבדי אותות דיגיטליים.

העבודה של מנוע הסרוו DC היא; בכל פעם שאות הכניסה מוחל על מנוע ה-DC, הוא מסובב את הציר והגלגלים. אז בעצם, הסיבוב של פלט ההילוכים מוחזר לחיישן המיקום (פוטנציומטר) שהכפתורים שלו מסתובבים ומשנים את ההתנגדות שלהם. בכל פעם שהתנגדות משתנה אז מתח משתנה שהוא אות שגיאה שמוזן לבקר וכתוצאה מכך נוצר PWM.

כדי לדעת יותר על סוגי מנועי סרוו DC, אנא עיין בקישור זה: סוגים שונים של מנועי סרוו .

פונקציית העברה של מנוע סרוו DC

ניתן להגדיר את פונקציית ההעברה כיחס בין התמרת Laplace (LT) של משתנה o/p ל-LT ( טרנספורמציה של לפלס ) של המשתנה i/p. בדרך כלל, מנוע DC משנה את האנרגיה מחשמלית למכנית. האנרגיה החשמלית המסופקת במסופי האבזור משתנה לאנרגיה מכנית מבוקרת.

פונקציית העברת מנוע הסרוו DC הנשלטת על ידי אבזור מוצגת להלן.

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

פונקציית העברת ה-dc servomotor נשלטת בשדה מוצגת להלן.

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

מנוע סרוו dc הנשלט על אבזור מספק ביצועים מעולים בגלל מערכת הלולאה הסגורה בהשוואה למנוע סרוו dc מבוקר שדה שהוא מערכת הלולאה הפתוחה. בנוסף, מהירות התגובה איטית בתוך מערכת בקרת השטח. במקרה מבוקר אבזור, השראות של האבזור זניחה, בעוד שבמקרה של בקרת שדה, היא אינה זהה. אבל, בבקרת Infield, שיכוך משופר אינו ניתן להשגה, בעוד שבבקרת אבזור, ניתן להגיע אליו.

מפרטים

מנוע הסרוו DC מספק מפרטי ביצועים הכוללים את הדברים הבאים. יש להתאים מפרטים אלה בהתבסס על צרכי העומס של היישום כדי להתאים את המנוע לגודל נכון.

• מהירות הציר פשוט מגדירה את המהירות שבה הציר מסתובב, מבוטאת בתוך סל'ד (סיבובים לדקה).
• בדרך כלל, המהירות שמציע היצרן היא מהירות ללא עומס של ציר ה-o/p או המהירות שבה מומנט המוצא של המנוע הוא אפס.
• מתח מסוף הוא המתח העיצובי של המנוע שקובע את מהירות המנוע. מהירות זו נשלטת פשוט על ידי הגדלת או הפחתה של המתח המסופק למנוע.
• הכוח הסיבובי כמו מומנט נוצר על ידי הציר של מנוע הסרוו DC. לכן, המומנט הנדרש עבור מנוע זה נקבע בפשטות על ידי מאפייני המהירות-מומנט של העומסים השונים שחווים ביישום היעד. מומנטים אלה הם שני סוגים של מומנט מתחיל ומומנט רציף.
• מומנט ההתנעה הוא המומנט הנדרש בעת התנעת מנוע הסרוו. מומנט זה בדרך כלל גבוה יותר בהשוואה למומנט רציף.
• המומנט הרציף הוא מומנט המוצא שהוא הקיבולת של המנוע בתנאי ריצה קבועים.
• מנועים אלה חייבים להיות בעלי יכולת מהירות ומומנט מספקים עבור היישום, כולל מרווח של 20 עד 30% בין צרכי העומס וכן דירוגי מנוע כדי לוודא אמינות. כאשר השוליים הללו עולים על יותר מדי אז האפקטיביות של העלות תפחת מפרטים של מנוע 12V DC Coreless DC Servo מבית Faulhaber הם:
• יחס תיבת הילוכים הוא 64: l תיבת הילוכים פלנטרית תלת שלבי.
• זרם עומס הוא הספק של 1400 mA.
• ההספק הוא 17W.
• המהירות היא 120 סל'ד.
• זרם ללא עומס הוא 75mA.
• סוג המקודד הוא אופטי.
• הרזולוציה של המקודד היא 768CPR של O/P Shaft.
• הקוטר הוא 30 מ'מ.
• האורך הוא 42 מ'מ.
• האורך הכולל הוא 85 מ'מ.
• קוטר הפיר הוא 6 מ'מ.
• אורך הפיר הוא 35 מ'מ.
• מומנט הדוכן הוא 52 ק'ג ס'מ.

מאפיינים

ה מאפיינים של מנוע סרוו DC כלול את הבאים.

• עיצוב מנוע DC Servo דומה למגנט קבוע או מנוע DC נרגש בנפרד.
• בקרת המהירות של מנוע זה נעשית על ידי שליטה במתח האבזור.
• מנוע הסרוו מעוצב עם התנגדות אבזור גבוהה.
• זה מספק תגובת מומנט מהירה.
• שינוי צעד בתוך מתח האבזור יוצר שינוי מהיר במהירות המנוע.

מנוע סרוו AC לעומת מנוע סרוו DC

ההבדל בין מנוע סרוו DC לבין מנוע סרוו AC כולל את הדברים הבאים.

ממשק מנוע סרוו DC עם ארדואינו

לשליטה במנוע סרוו DC בזווית מדויקת ונדרשת, ניתן להשתמש בלוח ארדואינו/כל מיקרו-בקר אחר. ללוח זה יש o/p אנלוגי אשר יוצר אות PWM כדי לסובב את מנוע הסרוו בזווית מדויקת. אתה יכול גם להזיז את מיקום הזווית של מנוע הסרוו עם פוטנציומטר או כפתורי לחיצה באמצעות ארדואינו.

ניתן לשלוט במנוע הסרוו גם באמצעות שלט IR הזמין בקלות. שלט זה מועיל בהזזת מנוע הסרוו DC לזווית ספציפית או בהגדלה או הקטנה של זווית המנוע באופן ליניארי עם שלט IR.

כאן נדון כיצד להזיז את מנוע הסרוו באמצעות שלט IR באמצעות Arduino בזווית מסוימת וגם להגדיל או להקטין את הזווית של מנוע הסרוו עם השלט עם כיוון השעון ונגד כיוון השעון. תרשים הממשק של מנוע הסרוו DC עם שלט Arduino ושלט IR מוצג להלן. החיבורים של ממשק זה מגיעים כדלקמן;

ממשק זה משתמש בעיקר בשלושה רכיבים חיוניים כמו מנוע סרוו DC, לוח Arduino וחיישן IR TSOP1738. לחיישן זה יש שלושה מסופים כמו Vcc, GND ופלט. מסוף Vcc של חיישן זה מחובר ל-5V של לוח Arduino Uno, מסוף GND של חיישן זה מחובר למסוף GND של לוח Arduino ומסוף המוצא מחובר לפין 12 (כניסה דיגיטלית) של לוח Arduino.

פין פלט דיגיטלי 5 פשוט מחובר לפין כניסת האות של מנוע הסרוו כדי להניע את המנוע
מנוע ה-DC + ve pin ניתן לאספקת 5V החיצונית והפין GND של מנוע הסרוו ניתן לפין GND של Arduino.

עובד

השלט IR משמש לביצוע שתי פעולות של 30 מעלות, 60 מעלות ו-90 מעלות, וגם להגדלה/הקטנה של זווית המנוע מ-0 ל-180 מעלות.

השלט מכיל כפתורים רבים כמו לחצני ספרות (0-9), לחצנים לבקרת זווית, לחצני מקשי חצים, לחצני למעלה/למטה וכו'. ברגע שנלחץ על כפתור ספרות מ-1 עד 5, מנוע ה-DC יעבור לזה זווית מדויקת וכאשר לחצן זווית למעלה/למטה נלחץ אז ניתן להגדיר את זווית המנוע במדויק על ±5 מעלות.

לאחר ההחלטה על הכפתורים יש צורך לפענח את הקודים של הכפתורים הללו. לאחר לחיצה על כפתור כלשהו מהשלט, הוא ישלח קוד אחד לביצוע הפעולה הנדרשת. כדי לפענח את הקודים המרוחקים הללו, נעשה שימוש בספריית IR מרחוק מהאינטרנט.

העלה את התוכנית הבאה לארדואינו וחבר את חיישן ה-IR. כעת מקם את השלט לכיוון חיישן ה-IR ולחץ על הכפתור. לאחר מכן, פתח את הצג הטורי ועקוב אחר הקוד של הכפתור שנלחץ בצורה של מספרים.

קוד ארדואינו

#include // הוסף ספריית IR מרחוק
#include // הוסף ספריית מנוע סרוו
שירות שירות1;
int IRpin = 12; // סיכה עבור חיישן IR
int motor_angle=0;
IRrecv irrecv(IRpin);
תוצאות decode_results;
void setup()
{
Serial.begin(9600); // אתחול תקשורת טורית
Serial.println ('מנוע סרוו נשלט מרחוק IR'); // הצג הודעה
irrecv.enableIRIn(); // הפעל את המקלט
servo1.attach(5); // להכריז על סיכת מנוע סרוו
servo1.write(motor_angle); // להזיז את המנוע ל-0 מעלות
Serial.println('זווית מנוע סרוו 0 deg');
delay(2000);
}
void loop()
{
while(!(irrecv.decode(&results))); // המתן עד שאף כפתור לא נלחץ
if (irrecv.decode(&results)) // כאשר הלחצן נלחץ והקוד מתקבל
{
if(results.value==2210) // בדוק אם לחצן ספרה 1 נלחץ
{
Serial.println('זווית מנוע סרוו 30 מעלות');
מנוע_זווית = 30;
servo1.write(motor_angle); // להזיז את המנוע ל-30 מעלות
}
else if(results.value==6308) // אם לחצן ספרה 2 נלחץ
{
Serial.println('זווית מנוע סרוו 60 מעלות');
motor_angle = 60;
servo1.write(motor_angle); // להזיז את המנוע ל-60 מעלות
}
else if(results.value==2215) // like wise עבור כל לחצני הספרות
{
Serial.println('זווית מנוע סרוו 90 מעלות');
מנוע_זווית = 90;
servo1.write(motor_angle);
}
else if(results.value==6312)
{
Serial.println('זווית מנוע סרוו 120 מעלות');
מנוע_זווית = 120;
servo1.write(motor_angle);
}
else if(results.value==2219)
{
Serial.println('זווית מנוע סרוו 150 מעלות');
מנוע_זווית = 150;
servo1.write(motor_angle);
}
else if(results.value==6338) // אם לחצן הגברת עוצמת הקול נלחץ
{
if(motor_angle<150) motor_angle+=5; // הגדלת זווית מוטורית
Serial.print('זווית המנוע היא ');
Serial.println(motor_angle);
servo1.write(motor_angle); // והזיז את המנוע לזווית הזו
}
else if(results.value==6292) // אם לחצן להורדת עוצמת הקול נלחץ
{
if(motor_angle>0) motor_angle-=5; // הקטנת זווית מוטורית
Serial.print('זווית המנוע היא ');
Serial.println(motor_angle);
servo1.write(motor_angle); // והזיז את המנוע לזווית הזו
}
delay(200); // המתן 0.2 שניות
irrecv.resume(); // שוב היה מוכן לקבל את הקוד הבא
}
}

האספקה ​​למנוע סרוו DC ניתנת מה-5V החיצוני והאספקה ​​לחיישן ה-IR וללוח Arduino ניתנת מ-USB. ברגע שניתן כוח למנוע הסרוו אז הוא עובר ל-0 מעלות. לאחר מכן, ההודעה תוצג כ'זווית מנוע סרוו היא 0 מעלות' בצג הטורי.

כעת בשלט, לאחר לחיצה על כפתור 1 אז מנוע ה-DC ינוע ב-30 מעלות. באופן דומה, לאחר לחיצה על כפתורים כמו 2, 3, 4 או 5, המנוע ינוע בזוויות רצויות כמו 60 מעלות, 90 מעלות, 120 מעלות או 150 מעלות. כעת, הצג הטורי יציג את מיקום הזווית של מנוע הסרוו כ'זווית מנוע סרוו xx מעלות'

לאחר לחיצה על כפתור הגברת עוצמת הקול, זווית המנוע תגדל ב-5 מעלות כלומר אם הוא 60 מעלות, אז הוא יעבור ל-65 מעלות. אז, המיקום של הזווית החדשה יוצג על הצג הטורי.

באופן דומה, ברגע שנלחץ על כפתור הזווית למטה, אזי זווית המנוע תקטן ב-5 מעלות כלומר, אם הזווית היא 90 מעלות, אז הוא יעבור ל-85 מעלות. האות מהשלט ה-IR מורגש על ידי חיישן ה-IR. כדי לדעת איך הוא חש ואיך חיישן IR פועל לחץ כאן

אז, המיקום של הזווית החדשה יוצג על הצג הטורי. לכן, אנו יכולים לשלוט בקלות בזווית של מנוע הסרוו dc עם שלט Arduino & IR.

כדי לדעת איך לממשק DC Motor עם מיקרו-בקר 8051 לחץ כאן

היתרונות של מנוע סרוו DC

ה היתרונות של מנועי סרוו DC כלול את הבאים.

• פעולת מנוע סרוו DC יציבה.
• למנועים אלו הספק תפוקה גבוה בהרבה מהגודל והמשקל של המנוע.
• כאשר המנועים הללו פועלים במהירויות גבוהות אז הם לא יוצרים שום רעש.
• פעולת מנוע זו נטולת רעידות ותהודה.
• סוגים אלו של מנועים בעלי יחס מומנט לאינרציה גבוה והם יכולים לקלוט עומסים מהר מאוד.
• יש להם יעילות גבוהה.
• הם נותנים תשובות מהירות.
• אלה ניידים וקלים.
• ההפעלה של Four Quadrants אפשרית.
• במהירויות גבוהות, אלה שקטים לשמע.

ה החסרונות של מנועי סרוו DC כלול את הבאים.

• מנגנון הקירור של מנוע הסרוו DC אינו יעיל. אז המנוע הזה מזוהם במהירות ברגע שהוא מאוורר.
• מנוע זה מייצר כוח תפוקה מרבי במהירות מומנט גבוהה יותר וזקוק לגיר רגיל.
• מנועים אלו עלולים להינזק מעומס יתר.
• יש להם עיצוב מורכב וצריכים מקודד.
• מנועים אלה צריכים כוונון לייצוב לולאת המשוב.
• זה דורש תחזוקה.

יישומי מנוע סרוו DC

ה יישומים של מנועי סרוו DC כלול את הבאים.

• מנועי סרוו DC משמשים במכונות לחיתוך ויצירת מתכת.
• אלה משמשים למיקום אנטנה, הדפסה, אריזה, עיבוד עץ, טקסטיל, ייצור חוטים או חבלים, CMM (מכונות מדידת קואורדינטות), טיפול בחומרים, ליטוש הרצפה, פתיחת דלתות, שולחן X-Y, ציוד רפואי וסוויית רקיק.
• מנועים אלה משמשים במערכות בקרת מטוסים שבהן מגבלות מקום ומשקל מחייבות מנועים כדי לספק הספק גבוה עבור כל נפח יחידה.
• אלה ישימים כאשר מומנט התנעה גבוה נחוץ כמו כונני מפוח ומאווררים.
• אלה משמשים גם בעיקר לרובוטיקה, התקני תכנות, מפעילים אלקטרומכניים, כלי מכונות, בקרי תהליכים וכו'.

לפיכך, זוהי סקירה כללית של ה-DC מנוע סרוו - עובד עם יישומים. מנועי סרוו אלו משמשים בתעשיות שונות כדי לספק את הפתרון לתנועות מכניות רבות. התכונות של מנועים אלה יהפכו אותם ליעילים וחזקים מאוד. הנה שאלה בשבילך, מהו AC Servo Motor?