Как управлять сервомотором и необходимые компоненты

Мы не всегда много говорим о электромеханике, но управление и приведение в действие малых моторов являются важными темами. Один из типов моторов, найденных во многих потребительских и промышленных продуктах, - это серводвигатель. Хотя этот тип мотора требует замкнутого контурного управления, интегрированного энкодера и алгоритма управления, контроль положения и скорости, которые они обеспечивают, делает их высоко адаптируемыми в ряде приложений.

Вопрос о том, как управлять серводвигателем, требует рассмотрения способа реализации датчиков и типа приводимого в действие мотора. Если вы не работаете с серводвигателем высокой мощности, вам не нужно использовать дискретные полупроводники для построения вашей схемы драйвера. Вместо этого, вы можете найти контроллеры серводвигателей на рынке с помощью правильного электронного поисковика. Давайте рассмотрим компоненты, которые вам понадобятся для управления и контроля серводвигателей, а также некоторые варианты компонентов на рынке для вашей следующей электромеханической системы.

Как управлять серводвигателем

Прежде чем говорить о том, как управлять серводвигателем, тем, кто впервые работает с серводвигателями, следует знать, что серводвигатель не является конкретным типом мотора. Скорее, термин «серво» относится к способу, которым мотор приводится в действие, и его положение, скорость и ускорение контролируются. В серводвигателе управление осуществляется через обратную связь между мотором и контроллером, а положение/скорость мотора определяется с помощью интегрированных энкодеров в моторе. Некоторые датчики, обеспечивающие эту функцию, - это интегрированные потенциометры, датчики Холла или светодиод с фотоворотами и фотодиодом.

Управление серводвигателем состоит из двух критически важных элементов в части схемы управления и контроля:

• Регулируемый сигнал привода. В серводвигателях используется сигнал ШИМ для заставления ротора повернуться в определенное положение. Регулируя скважность, можно настроить скорость вращения.

• Схема контроля и управления. Схема контроля и управления определяет положение и скорость ротора во время работы мотора. Высокая точность скорости может быть поддержана через обратную связь.

• Обратная связь и регулировка привода. Это может быть выполнено с помощью специализированного контроллера привода или МКУ. Заметьте, что не все серводвигатели имеют энкодер.

• Торможение. Мы всегда любим говорить о приведении в действие моторов, но редко кто говорит о торможении моторов. Серво требуют тормозной схемы и логики для замедления ротора и удержания его положения после торможения.

Серводвигатели приводятся в действие путем отправки сигнала ШИМ через управляющий провод, в то время как мотору подается питание. В зависимости от ширины импульса, ротор в серводвигателе может повернуться на определенный угол, т.е. скважность определяет конечное положение вала. Серводвигатели могут питаться от постоянного или переменного напряжения, и сигнал энкодера (если он присутствует) замыкает обратную связь с процессором или драйвером. Ниже показана базовая архитектура серводвигателя и его контроллера/драйвера.

Блок-схема, показывающая, как управлять серводвигателем с помощью интегральной схемы контроллера мотора.

Удержание позиции серводвигателем

Преимущество серводвигателя заключается в том, что его можно настроить на удержание своей позиции между шагами активации. Удерживающий момент, обеспечиваемый серводвигателем, сопоставим с моментом от шагового двигателя. Если внешняя сила отталкивает ротор от его стационарного положения, энкодер может обнаружить это отклонение и заставить контроллер работать против внешней силы, удерживая положение ротора. Серводвигатель удержит любую силу в пределах своего указанного момента.

Строение драйвера серводвигателя

Существует несколько вариантов контроллеров привода серводвигателя, или вы можете построить подходящий драйвер и схему управления из общедоступных компонентов. Некоторые простые методы управления и контроля серводвигателя включают в себя:

• Двойные драйверы MOSFET. Этот метод лучше всего подходит для серводвигателей низкого напряжения и MOSFET, которые могут коммутироваться на логических уровнях.

• Управление через ЦАП. Управляющий сигнал может быть сгенерирован напрямую, вместо использования драйвера ШИМ.

• Управляемый ШИМ H-мост. Этот метод может обеспечить высокий синхронный ток для серводвигателя.

В первых двух вариантах, контур управления, управление и обнаружение могут быть реализованы на МК. В этом случае используйте MOSFET, которые могут быть включены на логических уровнях и имеют напряжение выше, чем у серводвигателя, чтобы гарантировать, что MOSFET выдержит любые переходные процессы. Последний вариант зависит от необходимого тока для управления серводвигателем. К счастью, существуют интегральные схемы контроллеров, которые могут быть использованы с стандартной схемой драйвера мотора для обеспечения единого решения драйвера/контроллера.

Одним из примеров недорогого SMD (24-контактный SOIC) точного контроллера мотора является LM628/LM629 от Texas Instruments. Этот компонент интегрирует цифровой контур управления PID с ЦАП-базированным управлением или 8-битным выходом ШИМ для управления внешним H-мостом. В версии LM268 рекомендуется использовать внешний 8-битный до 12-битный ЦАП для генерации сигнала управления. Контроллер на базе LM629 обеспечивает 8-битный выход ШИМ для прямого управления внешним H-мостом. Обе версии доступны в 28-контактных DIP-корпусах для использования в суровых условиях.

Блок-схема для контроллера серводвигателя LM628 от Texas Instruments. Из технического описания LM628.

Другие компоненты для электромеханических систем

Независимо от размера или сложности вашей схемы управления и привода мотора, множество компонентов потребуется для поддержки используемого в вашей системе контроллера привода. Эти компоненты должны выполнять всё, начиная от обеспечения питания и заканчивая приёмом команд от пользователя. Вот некоторые другие компоненты, которые могут понадобиться для вашего продукта:

• МКУ или другой контроллер

• Модули дисплеев для HMI

• Преобразователи постоянного тока для регулирования мощности

Как только вы узнаете, как управлять сервомотором, вы сможете найти все необходимые компоненты с помощью расширенного поиска и функций фильтрации на Octopart. Используя поисковую систему электроники Octopart, вы получите доступ к полному набору данных дистрибьюторов и спецификациям деталей, и все это доступно в удобном интерфейсе. Посмотрите нашу страницу с моторами и приводами, чтобы найти необходимые компоненты.

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.