Come Pilotare un Servo Motore e i Componenti Necessari

Non parliamo sempre molto di elettromeccanica qui, ma il controllo e l'azionamento di piccoli motori sono argomenti importanti. Un tipo di motore trovato in molti prodotti di consumo e industriali è il motore servo. Sebbene questo tipo di motore richieda un circuito di feedback chiuso, un encoder integrato e un algoritmo di controllo, il controllo di posizione e velocità che offrono li rende altamente adattabili in numerose applicazioni.

La questione di come azionare un motore servo richiede di esaminare come viene implementata la rilevazione e il tipo di motore azionato. A meno che non si lavori con un servo di alta potenza, non è necessario utilizzare semiconduttori discreti per costruire il circuito di azionamento. Invece, è possibile trovare sul mercato controllori per servo con il giusto motore di ricerca elettronico. Vediamo quali componenti ti serviranno per azionare e controllare i motori servo, così come alcune opzioni di componenti sul mercato per il tuo prossimo sistema elettromeccanico.

Come Azionare un Motore Servo

Prima di entrare nel dettaglio di come azionare un motore servo, chi è nuovo nel lavorare con i motori servo dovrebbe sapere che un motore servo non è un tipo specifico di motore. Piuttosto, il termine “servo” si riferisce al modo in cui un motore è azionato e la sua posizione, velocità e accelerazione sono controllate. In un motore servo, il controllo è applicato attraverso un circuito di feedback tra il motore e il controller, e la posizione/velocità del motore è rilevata con encoder integrati nel motore. Alcuni sensori che forniscono questa caratteristica sono potenziometri integrati, sensori ad effetto Hall, o LED con un fotocancellino e fotodiodo.

L'azionamento di un motore servo consiste in due elementi critici come parte del circuito di azionamento e controllo:

• Segnale di azionamento regolabile. Un segnale PWM è utilizzato nei motori servo per forzare il rotore a girare in una posizione specifica. Regolando il ciclo di lavoro, si può regolare la velocità di rotazione.

• Circuito di rilevazione e controllo. Il circuito di controllo e rilevazione determina la posizione e la velocità del rotore mentre il motore è in funzione. Una velocità altamente accurata può essere mantenuta attraverso il controllo di feedback.

• Anello di feedback e regolazione dell'azionamento. Questo può essere fatto con un controller di azionamento specializzato o un MCU. Nota che non tutti i motori servo hanno un encoder.

• Frenatura. Ci piace sempre parlare di azionamento dei motori, ma raramente si sente qualcuno parlare di frenatura dei motori. I servo necessitano di circuiti di frenatura e logica per rallentare il rotore e mantenere la sua posizione dopo la frenata.

I motori servo sono azionati inviando un segnale PWM attraverso il filo di controllo mentre l'alimentazione è fornita al motore. A seconda della larghezza dell'impulso, il rotore nel motore servo può girare di un certo angolo, ovvero il ciclo di lavoro determina la posizione finale dell'albero. I motori servo possono essere alimentati con tensione DC o AC, e il segnale dell'encoder (se presente) chiude l'anello di feedback con il processore o il driver. L'architettura di base di un motore servo e del suo controller/driver è mostrata di seguito.

Diagramma a blocchi che mostra come pilotare un servo motore con un circuito integrato per il controllo del motore.

Mantenimento della Posizione con un Servo

La grande caratteristica di un servo è che può essere configurato per mantenere la sua posizione tra i passaggi di attuazione. La coppia di mantenimento fornita da un servo motore è paragonabile a quella di un motore passo-passo. Se una forza esterna spinge il rotore lontano dalla sua posizione stazionaria, l'encoder può rilevare questa deviazione e far sì che il controller agisca contro la forza esterna, mantenendo la posizione del rotore. Un servo terrà qualsiasi forza entro la sua coppia specificata.

Anatomia di un Driver per Servo

Ci sono diverse opzioni disponibili per i controller di azionamento servo, oppure puoi costruire un driver e un circuito di controllo adatti utilizzando componenti comuni. Alcuni metodi semplici per pilotare e controllare un servo includono:

• Driver MOSFET duali. Questo metodo è meglio utilizzato per servo a bassa tensione e MOSFET che possono essere commutati a livelli logici.

• Controllo tramite DAC. La forma d'onda di pilotaggio può essere generata direttamente anziché fare affidamento su un driver PWM.

• Ponte H controllato da PWM. Questo metodo può fornire una corrente sincrona elevata a un motore servo.

Nelle prime due opzioni, il ciclo di controllo, la guida e il rilevamento possono essere tutti implementati su un MCU. In questo caso, utilizza MOSFET che possono essere commutati a livelli logici e che hanno una valutazione di tensione superiore a quella del motore servo per garantire che il MOSFET possa resistere a eventuali transitori. L'ultima opzione dipende dalla quantità di corrente necessaria per pilotare il servo. Fortunatamente, ci sono circuiti integrati di controllo che possono essere utilizzati con un circuito driver motore standard per fornire una soluzione unica driver/controller.

Un esempio di controller motore di precisione SMD (SOIC a 24 pin) a basso costo è il LM628/LM629 di Texas Instruments. Questo componente integra un ciclo di controllo PID digitale con guida basata su DAC o uscita PWM a 8 bit per pilotare un ponte H esterno. Nella versione LM268, si raccomanda un DAC esterno da 8 bit a 12 bit per generare il segnale di guida. Il controller basato su LM629 fornisce un'uscita PWM a 8 bit per pilotare direttamente un ponte H esterno. Entrambi sono disponibili in pacchetti DIP a 28 pin per l'uso in ambienti più severi.

Diagramma a blocchi per il circuito integrato di controllo motore servo LM628 di Texas Instruments. Dal datasheet LM628.

Altri Componenti per Sistemi Elettromeccanici

Indipendentemente dalle dimensioni o dalla complessità del tuo circuito di azionamento e controllo motore, molti componenti saranno necessari per supportare il controller di azionamento che utilizzi nel tuo sistema. Questi componenti devono fare tutto, dalla fornitura di energia alla ricezione dei comandi dall'utente. Ecco alcuni altri componenti che potresti necessitare per il tuo prodotto:

• MCU o altro controller

• Moduli display per HMI

• Convertitori DC-DC per la regolazione della potenza

Una volta che sai come pilotare un motore servo, puoi trovare tutti i componenti di cui hai bisogno con le funzionalità di ricerca avanzata e filtraggio su Octopart. Quando utilizzi il motore di ricerca elettronica di Octopart, avrai accesso a un set completo di dati dei distributori e specifiche dei componenti, ed è tutto liberamente accessibile in un'interfaccia user-friendly. Dai un'occhiata alla nostra pagina sui motori e azionamenti per trovare i componenti di cui hai bisogno.

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