Jak sterować silnikiem serwo i jakie komponenty są potrzebne

Nie zawsze dużo mówimy o elektromechanice, ale sterowanie i napędzanie małych silników to ważne tematy. Jednym z typów silników znajdujących się w wielu produktach konsumenckich i przemysłowych jest silnik serwo. Chociaż ten typ silnika wymaga zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego, zintegrowanego enkodera i algorytmu sterowania, kontrola pozycji i prędkości, którą oferują, sprawia, że są one wysoce przystosowalne w wielu zastosowaniach.

Pytanie, jak napędzić silnik serwo, wymaga przyjrzenia się, jak zaimplementowano czujniki i jaki typ silnika jest napędzany. Jeśli nie pracujesz z silnikiem serwo o dużej mocy, nie musisz używać dyskretnych półprzewodników do budowy obwodu sterownika. Zamiast tego, możesz znaleźć na rynku kontrolery serwo z odpowiednim elektronicznym wyszukiwarką. Spójrzmy na komponenty, których potrzebujesz do napędzania i sterowania silnikami serwo, oraz na niektóre opcje komponentów na rynku dla Twojego kolejnego systemu elektromechanicznego.

Jak napędzić silnik serwo

Zanim przejdziemy do tego, jak napędzić silnik serwo, ci, którzy są nowi w pracy z silnikami serwo, powinni wiedzieć, że silnik serwo to nie jest określony typ silnika. Raczej termin „serwo” odnosi się do sposobu, w jaki silnik jest napędzany i jak kontrolowana jest jego pozycja, prędkość i przyspieszenie. W silniku serwo kontrola jest stosowana poprzez pętlę sprzężenia zwrotnego między silnikiem a kontrolerem, a pozycja/prędkość silnika jest wykrywana za pomocą zintegrowanych enkoderów w silniku. Niektóre czujniki, które oferują tę funkcję, to zintegrowane potencjometry, czujniki efektu Halla lub LED z fotobramką i fotodiodą.

Napędzanie silnika serwo składa się z dwóch kluczowych elementów jako część obwodu napędowego i sterującego:

• Regulowany sygnał napędowy. W silnikach serwo używany jest sygnał PWM, aby zmusić wirnik do obrócenia się w określonej pozycji. Regulując cykl pracy, można dostosować prędkość obrotową.

• Obwód czujników i sterowania. Obwód sterowania i czujników określa lokalizację i prędkość wirnika podczas pracy silnika. Bardzo dokładna prędkość może być utrzymana przez kontrolę sprzężenia zwrotnego.

• Pętla sprzężenia zwrotnego i regulacja napędu. Można to zrobić za pomocą specjalistycznego kontrolera napędu lub MCU. Zauważ, że nie wszystkie silniki serwo mają enkoder.

• Hamowanie. Zawsze lubimy mówić o napędzaniu silników, ale rzadko kiedy słyszysz kogoś mówiącego o hamowaniu silników. Serwa potrzebują obwodów hamowania i logiki do zwolnienia wirnika i utrzymania jego pozycji po hamowaniu.

Silniki serwo są napędzane przez wysłanie sygnału PWM przez przewód sterujący, podczas gdy zasilanie jest dostarczane do silnika. W zależności od szerokości impulsu, wirnik w silniku serwo może obrócić się pod pewnym kątem, tj. cykl pracy określa końcową pozycję wału. Silniki serwo mogą być zasilane napięciem stałym lub zmiennym, a sygnał enkodera (jeśli jest obecny) zamyka pętlę sprzężenia zwrotnego z procesorem lub sterownikiem. Poniżej pokazano podstawową architekturę silnika serwo i jego kontrolera/sterownika.

Schemat blokowy pokazujący, jak sterować serwomechanizmem za pomocą układu sterownika silnika.

Utrzymywanie pozycji przez serwomechanizm

Wspaniałą cechą serwomechanizmu jest to, że można go skonfigurować do utrzymywania swojej pozycji między krokami aktywacji. Moment utrzymujący dostarczany przez silnik serwomechanizmu jest porównywalny z tym dostarczanym przez silnik krokowy. Jeśli zewnętrzna siła przesunie wirnik z jego pozycji spoczynkowej, enkoder może wykryć to odchylenie i spowodować, że kontroler będzie działał przeciwko sile zewnętrznej, utrzymując pozycję wirnika. Serwomechanizm utrzyma każdą siłę w ramach swojego określonego momentu obrotowego.

Anatomia sterownika serwomechanizmu

Istnieje kilka dostępnych opcji dla kontrolerów napędu serwomechanizmu, lub można zbudować odpowiedni sterownik i obwód kontrolny z powszechnie dostępnych komponentów. Niektóre proste metody sterowania i kontrolowania serwomechanizmu to:

• Sterowniki podwójnych tranzystorów MOSFET. Ta metoda jest najlepiej używana dla serwomechanizmów niskonapięciowych i tranzystorów MOSFET, które mogą być przełączane na poziomach logicznych.

• Sterowanie DAC. Fala sterująca może być generowana bezpośrednio, zamiast polegać na sterowniku PWM.

• PWM-kontrolowany mostek H. Ta metoda może dostarczyć wysoki synchroniczny prąd do silnika serwomechanizmu.

W pierwszych dwóch opcjach, pętla kontrolna, sterowanie i wykrywanie mogą być wszystkie zaimplementowane na MCU. W takim przypadku, użyj tranzystorów MOSFET, które mogą być włączane na poziomach logicznych i które mają wyższą niż silnik serwomechanizmu ocenę napięcia, aby zapewnić, że MOSFET może wytrzymać wszelkie przepięcia. Ostatnia opcja zależy od ilości prądu potrzebnego do napędzenia serwomechanizmu. Na szczęście, istnieją układy scalone kontrolerów, które mogą być użyte z standardowym obwodem sterownika silnika, aby zapewnić pojedyncze rozwiązanie sterownika/kontrolera.

Jednym z przykładów niskokosztowego precyzyjnego kontrolera silnika SMD (24-pinowy SOIC) jest LM628/LM629 od Texas Instruments. Ten komponent integruje cyfrową pętlę kontrolną PID z DAC-owym sterowaniem lub 8-bitowym wyjściem PWM do sterowania zewnętrznym mostkiem H. W wersji LM268 zalecany jest zewnętrzny DAC 8-bitowy do 12-bitowy do generowania sygnału sterującego. Kontroler oparty na LM629 zapewnia 8-bitowe wyjście PWM do bezpośredniego sterowania zewnętrznym mostkiem H. Oba są dostępne w obudowach DIP 28-pinowych do użytku w trudniejszych warunkach.

Schemat blokowy dla układu sterowania silnikiem serwomechanizmu LM628 od Texas Instruments. Z karty katalogowej LM628.

Inne komponenty dla systemów elektromechanicznych

Niezależnie od rozmiaru lub złożoności obwodu napędu i sterowania silnikiem, wiele komponentów będzie potrzebnych do wsparcia kontrolera napędu używanego w twoim systemie. Te komponenty muszą robić wszystko, od dostarczania energii po odbieranie poleceń od użytkownika. Oto niektóre inne komponenty, które mogą być potrzebne dla twojego produktu:

• Mikrokontroler lub inny sterownik

• Moduły wyświetlaczy dla HMI

• Przetwornice DC-DC do regulacji mocy

Po tym, jak nauczysz się sterować serwomotorem, znajdziesz wszystkie potrzebne komponenty dzięki zaawansowanym funkcjom wyszukiwania i filtrowania w Octopart. Korzystając z wyszukiwarki elektroniki Octopart, uzyskasz dostęp do kompletnego zestawu danych dystrybutorów i specyfikacji części, a wszystko to jest swobodnie dostępne w przyjaznym dla użytkownika interfejsie. Zobacz naszą stronę z silnikami i napędami, aby znaleźć potrzebne komponenty.

Bądź na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera.