Servomotor DC: construcció, treball, interfície amb Arduino i les seves aplicacions

A servomotor o servo és un tipus de motor elèctric utilitzat per girar les peces de la màquina amb alta precisió. Aquest motor inclou un circuit de control que proporciona retroalimentació sobre la ubicació actual de l'eix del motor, de manera que aquesta retroalimentació simplement permet que aquests motors giren amb alta precisió. Un servomotor és beneficiós per girar un objecte a una certa distància o angle. Aquest motor es classifica en dos tipus de servomotor de CA i servomotor de CC. Si un servomotor utilitza potència de CC per funcionar, el motor s'anomena servomotor de CC, mentre que si funciona amb energia de CA, es coneix com a servomotor de CA. Aquest tutorial proporciona informació breu sobre el Servomotor de corrent continu - Treballar amb aplicacions.

Què és el servomotor DC?

Un servomotor que utilitza una entrada elèctrica de corrent continu per produir una sortida mecànica com la posició, la velocitat o l'acceleració s'anomena servomotor de corrent continu. Generalment, aquests tipus de motors s'utilitzen com a motors principals en màquines, ordinadors i molts més controlats numèricament allà on s'inicien i s'aturen. amb precisió i molt ràpid.

Construcció i funcionament de servomotors de corrent continu

El servomotor de corrent continu està construït amb diferents components que es mostren al diagrama de blocs següent. En aquest diagrama, cada component i la seva funció es discuteixen a continuació.

El motor utilitzat en això és un motor de corrent continu típic, inclòs el seu bobinatge de camp que s'excita per separat. Així, depenent de la naturalesa de l'excitació, es poden classificar com a servomotors controlats per armadura i controlats per camp.

La càrrega utilitzada en això és un simple ventilador o càrrega industrial que simplement es connecta a l'eix mecànic del motor.

La caixa de canvis d'aquesta construcció funciona com un transductor mecànic per canviar la sortida del motor com l'acceleració, la posició o la velocitat segons l'aplicació.

La funció principal d'un sensor de posició és obtenir el senyal de retroalimentació equivalent a la posició actual de la càrrega. En general, aquest és un potenciòmetre utilitzat per proporcionar una tensió que és proporcional a l'angle absolut de l'eix del motor a través del mecanisme d'engranatge.

La funció de comparador és comparar l'o/p d'un sensor de posició i un punt de referència per produir el senyal d'error i donar-lo a l'amplificador. Si el motor de corrent continu funciona amb un control precís, no hi ha cap error. El sensor de posició, la caixa de canvis i el comparador faran del sistema un bucle tancat.

La funció de l'amplificador és amplificar l'error del comparador i alimentar-lo al motor de corrent continu. Per tant, funciona com un controlador proporcional sempre que el guany s'enforteix per un error d'estat estacionari zero.

El senyal controlat dóna l'entrada a PWM (modulador d'amplada de pols) depenent del senyal de retroalimentació, de manera que modula l'entrada del motor per a un control precís, en cas contrari zero error en estat estacionari. A més, aquest modulador d'amplada de pols utilitza una forma d'ona de referència i un comparador per produir polsos.

En fer el sistema de bucle tancat, s'obté acceleració, velocitat o posició exacta. Com el seu nom indica, el servomotor és un motor controlat que proporciona la sortida preferida a causa de l'efecte de retroalimentació i controlador. El senyal d'error simplement s'amplifica i s'utilitza per conduir el servomotor. Depenent de la naturalesa productora de moduladors d'amplada de pols i senyal de control, aquests motors tenen mètodes controlats superiors amb xips FPGA o processadors de senyal digital.

El funcionament del servomotor DC és; sempre que el senyal d'entrada s'aplica al motor de corrent continu, gira l'eix i els engranatges. Així, bàsicament, la rotació de la sortida dels engranatges es retroalimenta al sensor de posició (potenciómetre) els botons del qual giren i canvien la seva resistència. Sempre que es canvia la resistència, es canvia un voltatge que és un senyal d'error que s'introdueix al controlador i, en conseqüència, es genera PWM.

Per obtenir més informació sobre els tipus de servomotors de corrent continu, consulteu aquest enllaç: Diferents tipus de servomotors .

Funció de transferència del servomotor DC

La funció de transferència es pot definir com la relació de la transformada de Laplace (LT) de la variable o/p a la LT ( Transformada de Laplace ) de la variable i/p. Generalment, el motor de corrent continu canvia l'energia d'electrica a mecànica. L'energia elèctrica subministrada als terminals de l'induït es transforma en energia mecànica controlada.

A continuació es mostra la funció de transferència del servomotor DC controlada per armadura.

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

A continuació es mostra la funció de transferència del servomotor de CC controlada per camp.

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

El servomotor de corrent continu controlat per induït ofereix un rendiment superior a causa del sistema de bucle tancat en comparació amb el servomotor de corrent continu controlat de camp, que és el sistema de bucle obert. A més, la velocitat de resposta és lenta dins del sistema de control de camp. En el cas controlat per armadura, la inductància de l'induït és insignificant, mentre que, en el cas de control de camp, no és el mateix. Però, en el control Infield, no es pot aconseguir una millora de l'amortiment, mentre que, en el control de l'armadura, es pot aconseguir.

Especificacions

El servomotor DC proporciona especificacions de rendiment que inclouen les següents. Aquestes especificacions s'han d'ajustar en funció de les necessitats de càrrega de l'aplicació per dimensionar correctament un motor.

• La velocitat de l'eix simplement defineix la velocitat en què gira l'eix, expressada en RPM (rotacions per minut).
• Normalment, la velocitat que ofereix el fabricant és la velocitat sense càrrega de l'eix o/p o la velocitat en què el parell de sortida del motor és zero.
• La tensió terminal és la tensió de disseny del motor que determina la velocitat del motor. Aquesta velocitat es controla simplement augmentant o disminuint la tensió subministrada al motor.
• La força de rotació com el parell és generada per l'eix del servomotor de corrent continu. Per tant, el parell requerit per a aquest motor es determina simplement per les característiques de velocitat-parell de les diferents càrregues experimentades dins de l'aplicació objectiu. Aquests parells són de dos tipus de parell inicial i parell continu.
• El parell d'arrencada és el parell requerit durant l'arrencada del servomotor. Aquest parell és normalment més elevat en comparació amb el parell continu.
• El parell continu és el parell de sortida que és la capacitat del motor en condicions de funcionament constant.
• Aquests motors han de tenir una capacitat de velocitat i parell suficient per a l'aplicació, incloent un marge del 20 al 30% entre les necessitats de càrrega, així com les classificacions del motor per garantir la fiabilitat. Quan aquests marges superin massa, l'efectivitat del cost es reduirà especificacions del servomotor de CC sense nucli de 12 V CC de Faulhaber són:
• La relació de la caixa de canvis és de 64: l Caixa d'engranatges planetaris de tres etapes.
• El corrent de càrrega és de 1400 mA de potència.
• La potència és de 17W.
• La velocitat és de 120 RPM.
• El corrent sense càrrega és de 75 mA.
• El tipus de codificador és òptic.
• La resolució del codificador és 768CPR de l'eix O/P.
• El diàmetre és de 30 mm.
• La longitud és de 42 mm.
• La longitud total és de 85 mm.
• El diàmetre de l'eix és de 6 mm.
• La longitud de l'eix és de 35 mm.
• El parell de parada és de 52 kgcm.

Característiques

El Característiques d'un servomotor de corrent continu incloure el següent.

• El disseny del motor DC Servo és similar a un imant permanent o un motor de corrent continu excitat per separat.
• El control de velocitat d'aquest motor es fa controlant la tensió de l'induït.
• El servomotor està dissenyat amb una alta resistència a l'armadura.
• Proporciona una resposta ràpida del parell.
• Un canvi de pas dins de la tensió de l'induït genera un canvi ràpid en la velocitat del motor.

Servomotor de CA Vs Servomotor de CC

La diferència entre un servomotor de CC i un servomotor de CA inclou el següent.

Interfície de servomotor DC amb Arduino

Per controlar un servomotor de corrent continu amb un angle exacte i requerit, es pot utilitzar una placa Arduino o qualsevol altre microcontrolador. Aquesta placa té o/p analògic que genera un senyal PWM per girar el servomotor en un angle precís. També podeu moure la posició angular del servomotor amb un potenciòmetre o polsadors mitjançant un Arduino.

El servomotor també es pot controlar amb un comandament IR que està disponible fàcilment. Aquest comandament a distància és útil per moure el servomotor de corrent continu a un angle específic o augmentar o disminuir l'angle del motor linealment amb un comandament IR.

Aquí parlarem sobre com moure el servomotor mitjançant un comandament IR mitjançant Arduino en un angle específic i també augmentar o disminuir l'angle del servomotor amb el comandament en sentit horari i antihorari. A continuació es mostra el diagrama d'interfície del servomotor DC amb Arduino i comandament IR. Les connexions d'aquesta interfície segueixen com;

Aquesta interfície utilitza principalment tres components essencials com el servomotor de corrent continu, la placa Arduino i el sensor IR TSOP1738. Aquest sensor té tres terminals com Vcc, GND i sortida. El terminal Vcc d'aquest sensor està connectat a 5V de la placa Arduino Uno, el terminal GND d'aquest sensor està connectat al terminal GND de la placa Arduino i el terminal de sortida està connectat al pin 12 (entrada digital) de la placa Arduino.

El pin de sortida digital 5 es connecta simplement al pin d'entrada de senyal del servomotor per conduir el motor
El servomotor de corrent continu + pin ve es dóna a l'alimentació externa de 5 V i el pin GND del servomotor es dóna al pin GND d'Arduino.

Treball

El comandament IR s'utilitza per realitzar dues accions de 30 graus, 60 graus i 90 graus, i també per augmentar/disminuir l'angle del motor de 0 a 180 graus.

El comandament a distància conté molts botons com els botons de dígits (0-9), botons per al control d'angle, botons de fletxa, botons amunt/avall, etc. Quan es preme qualsevol botó de dígits de l'1 al 5, el servomotor de corrent continu es mourà a aquest. angle exacte i quan es prem el botó angleup/down, l'angle del motor es pot configurar exactament a ± 5 graus.

Un cop decidits els botons, cal descodificar els codis d'aquests botons. Un cop es prem qualsevol botó del comandament a distància, enviarà un codi per dur a terme l'acció requerida. Per descodificar aquests codis remots, s'utilitza la biblioteca remota IR des d'Internet.

Carregueu el següent programa a Arduino i connecteu el sensor IR. Ara col·loqueu el comandament cap al sensor IR i premeu el botó. Després d'això, obriu el monitor sèrie i controleu el codi del botó premut en forma de números.

Codi Arduino

#include // afegeix una biblioteca remota IR
#include // afegeix una biblioteca de servomotors
Servei de servei 1;
int IRpin = 12; // pin per al sensor IR
int angle_motor=0;
IRrecv irrecv(IRpin);
resultats decode_results;
void setup ()
{
Serial.begin(9600); // inicialitzar la comunicació sèrie
Serial.println ('Servomotor controlat a distància IR'); // mostra el missatge
irrecv.enableIRIn(); // Inicieu el receptor
servo1.attach(5); // declara el pin del servomotor
servo1.write(angle_motor); // mou el motor a 0 graus
Serial.println ('Angle del servomotor 0 graus');
retard (2000);
}
bucle buit ()
{
while(!(irrecv.decode(&resultats))); // espereu fins que no es preme cap botó
if (irrecv.decode(&resultats)) // quan es prem el botó i es rep el codi
{
if(results.value==2210) // comproveu si el botó del dígit 1 està premut
{
Serial.println ('angle del servomotor 30 graus');
angle_motor = 30;
servo1.write(angle_motor); // mou el motor a 30 graus
}
else if(results.value==6308) // si es prem el botó del dígit 2
{
Serial.println ('angle del servomotor 60 graus');
angle_motor = 60;
servo1.write(angle_motor); // mou el motor a 60 graus
}
else if(results.value==2215) // com per a tots els botons de dígits
{
Serial.println ('angle del servomotor 90 graus');
angle_motor = 90;
servo1.write(angle_motor);
}
else if(results.value==6312)
{
Serial.println ('angle del servomotor 120 graus');
angle_motor = 120;
servo1.write(angle_motor);
}
else if(results.value==2219)
{
Serial.println ('angle del servomotor 150 graus');
angle_motor = 150;
servo1.write(angle_motor);
}
else if(results.value==6338) // si es prem el botó de volum
{
if(angle_motor<150) angle_motor+=5; // augmenta l'angle del motor
Serial.print ('L'angle del motor és ');
Serial.println(angle_motor);
servo1.write(angle_motor); // i moveu el motor a aquest angle
}
else if(results.value==6292) // si es prem el botó de baixar el volum
{
if(angle_motor>0) angle_motor-=5; // disminueix l'angle del motor
Serial.print ('L'angle del motor és ');
Serial.println(angle_motor);
servo1.write(angle_motor); // i mou el motor a aquest angle
}
retard (200); // espereu 0,2 segons
irrecv.resume(); // Torneu a estar preparat per rebre el següent codi
}
}

El subministrament al servomotor de CC es dóna des de l'exterior de 5V i el subministrament al sensor IR i la placa Arduino es dóna des d'USB. Una vegada que es dóna energia al servomotor, es mou a 0 graus. Després d'això, el missatge es mostrarà com 'l'angle del servomotor és de 0 graus' al monitor sèrie.

Ara al comandament a distància, un cop es premeu el botó 1, el servomotor de corrent continu es mourà 30 graus. De la mateixa manera, un cop prems botons com el 2, 3, 4 o 5, el motor es mourà amb els angles desitjats com ara 60 graus, 90 graus, 120 graus o 150 graus. Ara, el monitor sèrie mostrarà la posició angular del servomotor com a 'angle del servomotor xx graus'

Un cop prem el botó d'augment de volum, l'angle del motor augmentarà en 5 graus, el que significa que si és de 60 graus, es mourà a 65 graus. Per tant, la posició del nou angle es mostrarà al monitor sèrie.

De la mateixa manera, un cop prem el botó d'angle cap avall, l'angle del motor es reduirà en 5 graus, el que significa que si l'angle és de 90 graus, es mourà a 85 graus. El senyal del comandament IR és detectat pel sensor IR. Per saber com detecta i com funciona el sensor IR, feu clic aquí

Per tant, la posició del nou angle es mostrarà al monitor sèrie. Per tant, podem controlar fàcilment l'angle del servomotor de corrent continu amb Arduino i el comandament IR.

Per saber com connectar el motor de corrent continu amb el microcontrolador 8051, feu clic aquí

Avantatges del servomotor DC

El avantatges dels servomotors de corrent continu incloure el següent.

• El funcionament del servomotor DC és estable.
• Aquests motors tenen una potència de sortida molt més alta que la mida i el pes del motor.
• Quan aquests motors funcionen a altes velocitats, no generen cap soroll.
• Aquesta operació del motor és lliure de vibracions i ressonàncies.
• Aquests tipus de motors tenen una alta relació de parell a inèrcia i poden recollir càrregues molt ràpidament.
• Tenen una alta eficiència.
• Donen respostes ràpides.
• Són portàtils i lleugers.
• El funcionament de Quatre Quadrants és possible.
• A altes velocitats, són audiblement silenciosos.

El desavantatges dels servomotors de corrent continu incloure el següent.

• El mecanisme de refrigeració del servomotor DC és ineficient. Així, aquest motor es contamina ràpidament un cop es ventila.
• Aquest motor genera la màxima potència de sortida a una velocitat de parell més alta i necessita un engranatge regular.
• Aquests motors es poden danyar per sobrecàrrega.
• Tenen un disseny complex i necessiten un codificador.
• Aquests motors necessiten ajustaments per estabilitzar el bucle de retroalimentació.
• Requereix manteniment.

Aplicacions de servomotors de corrent continu

El aplicacions dels servomotors de corrent continu incloure el següent.

• Els servomotors de corrent continu s'utilitzen en màquines-eina per tallar i formar metall.
• S'utilitzen per al posicionament d'antenes, impressió, embalatge, fusteria, tèxtils, fabricació de cordes o cordes, CMM (màquines de mesura de coordenades), manipulació de materials, poliment del sòl, obertura de portes, taula X-Y, equips mèdics i filatura d'hòsties.
• Aquests motors s'utilitzen en sistemes de control d'avions on les limitacions d'espai i pes necessiten motors per oferir una gran potència per a cada unitat de volum.
• Són aplicables quan calgui un parell d'arrencada elevat, com ara accionaments de ventiladors i ventiladors.
• També s'utilitzen principalment per a robòtica, dispositius de programació, actuadors electromecànics, màquines eina, controladors de processos, etc.

Per tant, aquesta és una visió general del dc servomotor - funcionant amb aplicacions. Aquests servomotors s'utilitzen en diverses indústries per oferir la solució a molts moviments mecànics. Les característiques d'aquests motors els faran molt eficients i potents. Aquí teniu una pregunta per a vosaltres, què és el servomotor de CA?