DC-servomotor: konstruktion, arbete, gränssnitt med Arduino och dess applikationer

A servomotor eller servo är en typ av elektrisk motor som används för att rotera maskindelarna med hög precision. Denna motor inkluderar en styrkrets som ger feedback om den aktuella platsen för motoraxeln så denna återkoppling tillåter helt enkelt dessa motorer att rotera med hög precision. En servomotor är fördelaktig för att rotera ett föremål på något avstånd eller i vinkel. Denna motor är klassificerad i två typer AC servomotor och DC servomotor. Om en servomotor använder likström för att fungera kallas motorn en likströmsservomotor, medan om den fungerar med växelström är den känd som en växelströmsservomotor. Denna handledning ger kort information om DC servomotor – arbeta med applikationer.

Vad är DC-servomotor?

En servomotor som använder DC elektrisk ingång för att producera mekanisk uteffekt som position, hastighet eller acceleration kallas en DC servomotor. Generellt används dessa typer av motorer som drivkrafter inom numeriskt styrda maskiner, datorer och många fler varhelst start och stopp görs exakt & mycket snabbt.

DC servomotor konstruktion och arbete

DC-servomotorn är konstruerad med olika komponenter som anges i följande blockschema. I detta diagram diskuteras varje komponent och dess funktion nedan.

Motorn som används i detta är en typisk likströmsmotor inklusive dess fältlindning som exciteras separat. Så beroende på excitationsnaturen kan ytterligare kategoriseras som armaturstyrda och fältstyrda servomotorer.

Lasten som används i detta är en enkel fläkt eller industrilast som helt enkelt kopplas till motorns mekaniska axel.

Växellådan i denna konstruktion fungerar som en mekanisk givare för att ändra motorns uteffekt som acceleration, position eller hastighet beroende på applikationen.

En positionssensors huvudfunktion är att få en återkopplingssignal som motsvarar lastens aktuella position. I allmänhet är detta en potentiometer som används för att ge en spänning som är proportionell mot motoraxelns absoluta vinkel genom växelmekanismen.

Komparatorfunktionen är att jämföra o/p för en positionssensor & en referenspunkt för att producera felsignalen och ge den till förstärkaren. Om DC-motorn fungerar med exakt styrning, är det inget fel. Positionssensorn, växellådan och komparatorn kommer att göra systemet till en sluten slinga.

Förstärkarfunktionen är att förstärka felet från komparatorn och mata det till DC-motorn. Så den fungerar som en proportionell styrenhet varhelst förstärkningen förstärks för noll steady-state fel.

Den kontrollerade signalen ger ingången till PWM (pulsbreddsmodulator) beroende på återkopplingssignalen så att den modulerar motorns ingång för exakt styrning annars noll steady-state fel. Vidare använder denna pulsbreddsmodulator en referensvågform & komparator för att producera pulser.

Genom att göra det slutna systemet erhålls acceleration, hastighet eller exakt position. Som namnet antyder är servomotorn en kontrollerad motor som ger den föredragna utgången på grund av feedback- och styreffekten. Felsignalen förstärks helt enkelt och används för att driva servomotorn. Beroende på styrsignal- och pulsbreddsmodulatorproducerande natur, har dessa motorer överlägsna kontrollerade metoder med FPGA-chips eller digitala signalprocessorer.

DC-servomotorns funktion är; när insignalen appliceras på likströmsmotorn roterar den axeln och växlarna. Så i grund och botten matas rotationen av växlarnas utmatning tillbaka till positionssensorn (potentiometern) vars rattar vrids och ändrar deras motstånd. Närhelst resistansen ändras ändras en spänning vilket är en felsignal som matas in i regulatorn och följaktligen genereras PWM.

För att veta mer om typerna av DC-servomotorer, se denna länk: Olika typer av servomotorer .

Överföringsfunktion för DC-servomotor

Överföringsfunktionen kan definieras som förhållandet mellan Laplace-transformen (LT) för o/p-variabeln och LT ( Laplace transformation ) av variabeln i/p. I allmänhet ändrar DC-motorn energin från elektrisk till mekanisk. Den tillförda elektriska energin vid ankarterminalerna ändras till kontrollerad mekanisk energi.

Den ankarstyrda DC-servomotorns överföringsfunktion visas nedan.

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

Den fältstyrda DC-servomotorns överföringsfunktion visas nedan.

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

Den ankarstyrda likströmsservomotorn ger överlägsen prestanda på grund av det slutna kretssystemet jämfört med fältstyrd likströmsservomotor som är det öppna kretssystemet. Dessutom är svarshastigheten låg inom fältkontrollsystemet. I armaturstyrt fall är ankarets induktans försumbar, medan det i fältkontrollfallet inte är detsamma. Men i Infield-styrning kan förbättrad dämpning inte uppnås, medan det i ankarstyrning kan uppnås.

Specifikationer

DC-servomotorn tillhandahåller prestandaspecifikationer som inkluderar följande. Dessa specifikationer bör matchas baserat på applikationens belastningsbehov för att dimensionera en motor korrekt.

• Axelhastighet definierar helt enkelt den hastighet vid vilken punkt axeln svänger, uttryckt inom RPM (rotationer per minut).
• Vanligtvis är varvtalet som erbjuds av tillverkaren o/p-axelns tomgångsvarvtal eller den hastighet vid vilken motorns utgående vridmoment är noll.
• Plintspänning är motorns designspänning som bestämmer motorhastigheten. Denna hastighet styrs helt enkelt genom att öka eller minska den tillförda spänningen till motorn.
• Den rotationskraftsliknande vridmomentet genereras av axeln på likströmsservomotorn. Så det erforderliga vridmomentet för denna motor bestäms helt enkelt av hastighet-vridmoment-egenskaperna för de olika belastningar som upplevs inom målapplikationen. Dessa vridmoment är två typer av startmoment och kontinuerligt vridmoment.
• Startmomentet är det moment som krävs vid start av servomotorn. Detta vridmoment är normalt högre jämfört med kontinuerligt vridmoment.
• Det kontinuerliga vridmomentet är det utgående vridmomentet som är motorns kapacitet under konstanta driftförhållanden.
• Dessa motorer måste ha tillräcklig hastighet och vridmomentkapacitet för applikationen inklusive en marginal på 20 till 30 % mellan belastningsbehoven samt motorvärden för att säkerställa tillförlitlighet. När dessa marginaler överstiger för mycket kommer kostnadseffektiviteten att minska specifikationer för 12V DC Coreless DC Servo Motor från Faulhaber är:
• Växellådans förhållande är 64:l Planetarisk trestegsväxellåda.
• Lastströmmen är 1400 mA effekt.
• Effekten är 17W.
• Hastigheten är 120 rpm.
• Ingen belastningsström är 75mA.
• Typen av kodare är optisk.
• Kodarens upplösning är 768CPR för O/P-axeln.
• Diametern är 30 mm.
• Längden är 42 mm.
• Den totala längden är 85 mm.
• Axelns diameter är 6 mm.
• Skaftets längd är 35 mm.
• Stallmomentet är 52 kgcm.

Egenskaper

De egenskaper hos en DC-servomotor inkluderar följande.

• DC-servomotorns design liknar en permanent magnet eller separat exciterad DC-motor.
• Denna motors hastighetskontroll görs genom att styra armaturspänningen.
• Servomotorn är designad med högt ankarmotstånd.
• Det ger snabb vridmomentrespons.
• En stegändring inom ankarspänningen genererar en snabb förändring av motorns hastighet.

AC-servomotor vs DC-servomotor

Skillnaden mellan en DC-servomotor och en AC-servomotor inkluderar följande.

DC servomotor gränssnitt med Arduino

För att styra en DC-servomotor i en exakt och erforderlig vinkel kan ett Arduino-kort/valfri annan mikrokontroller användas. Detta kort har analog o/p som genererar en PWM-signal för att vrida servomotorn i en exakt vinkel. Du kan också flytta servomotorns vinkelposition med en potentiometer eller tryckknappar med hjälp av en Arduino.

Servomotorn kan också styras med en IR-fjärrkontroll som är lätt tillgänglig. Denna fjärrkontroll är till hjälp för att flytta likströmsservomotorn till en specifik vinkel eller öka eller minska vinkeln på motorn linjärt med en IR-fjärrkontroll.

Här kommer vi att diskutera hur man flyttar servomotorn med en IR-fjärrkontroll med Arduino i en specifik vinkel och även att öka eller minska vinkeln på servomotorn med fjärrkontrollen medurs och moturs. Gränssnittsdiagrammet för DC-servomotorn med Arduino och IR-fjärrkontroll visas nedan. Anslutningarna för detta gränssnitt följer som;

Detta gränssnitt använder huvudsakligen tre viktiga komponenter som DC-servomotor, Arduino-kort och TSOP1738 IR-sensor. Denna sensor har tre terminaler som Vcc, GND och utgång. Vcc-terminalen på denna sensor är ansluten till 5V på Arduino Uno-kortet, GND-terminalen på denna sensor är ansluten till GND-terminalen på Arduino-kortet och utgångsterminalen är ansluten till stift 12 (digital ingång) på Arduino-kortet.

Digital utgångsstift 5 är helt enkelt anslutet till signalingångsstiftet på servomotorn för att driva motorn
DC-servomotorns +ve-stift ges till den externa 5V-matningen och GND-stiftet på servomotorn ges till GND-stiftet på Arduino.

Arbetssätt

IR-fjärrkontrollen används för att utföra två åtgärder 30 grader, 60 grader och 90 grader, och även för att öka/minska vinkeln på motorn från 0  till 180 grader.

Fjärrkontrollen innehåller många knappar som sifferknappar (0-9), knappar för vinkelkontroll, pilknappar, upp/nedknappar, etc. När en sifferknapp från 1 – 5 trycks in, kommer likströmsservomotorn att flyttas till det exakt vinkel och när angleup/down-knappen trycks in kan vinkeln på motorn ställas in exakt på ±5 grader.

När knapparna har bestämts måste koderna för dessa knappar avkodas. När en knapp från fjärrkontrollen trycks in, kommer den att skicka en kod för att utföra den nödvändiga åtgärden. För att avkoda dessa fjärrkoder används IR-fjärrbibliotek från internet.

Ladda upp följande program till Arduino och anslut IR-sensorn. Placera nu fjärrkontrollen mot IR-sensorn och tryck på knappen. Öppna sedan den seriella monitorn och övervaka koden för knappen som trycks in i form av siffror.

Arduino kod

#include // lägg till IR-fjärrbibliotek
#include // lägg till servomotorbibliotek
Servicetjänst1;
int IRpin = 12; // stift för IR-sensorn
int motor_angle=0;
IRrecv irrecv(IRpin);
decode_results resultat;
void setup()
{
Serial.begin(9600); // initiera seriell kommunikation
Serial.println(“IR Fjärrstyrd servomotor”); // visa meddelande
irrecv.enableIRIn(); // Starta mottagaren
servo1.attach(5); // deklarera servomotorstift
servo1.write(motor_angle); // flytta motorn till 0 grader
Serial.println(“Servomotorvinkel 0 grader”);
fördröjning(2000);
}
void loop()
{
while(!(irrecv.decode(&resultat))); // vänta tills ingen knapp trycks in
if (irrecv.decode(&results)) // när knappen trycks ned och koden tas emot
{
if(results.value==2210) // kontrollera om knapp 1 är nedtryckt
{
Serial.println(“servomotorvinkel 30 grader”);
motor_angle = 30;
servo1.write(motor_angle); // flytta motorn till 30 grader
}
else if(results.value==6308) // om siffra 2-knappen trycks in
{
Serial.println(“servomotorvinkel 60 grader”);
motor_angle = 60;
servo1.write(motor_angle); // flytta motorn till 60 grader
}
else if(results.value==2215) // som för alla sifferknappar
{
Serial.println(“servomotorvinkel 90 grader”);
motor_angle = 90;
servo1.write(motor_angle);
}
else if(results.value==6312)
{
Serial.println(“servomotorvinkel 120 grader”);
motor_angle = 120;
servo1.write(motor_angle);
}
else if(results.value==2219)
{
Serial.println(“servomotorvinkel 150 grader”);
motor_angle = 150;
servo1.write(motor_angle);
}
else if(results.value==6338) // om volym UPP-knappen trycks ned
{
om(motorvinkel<150) motorvinkel+=5; // öka motorvinkeln
Serial.print('Motorvinkel är ');
Serial.println(motor_vinkel);
servo1.write(motor_angle); // och flytta motorn till den vinkeln
}
else if(results.value==6292) // om volym ned-knappen trycks ned
{
om(motorvinkel>0) motorvinkel-=5; // minska motorvinkeln
Serial.print('Motorvinkel är ');
Serial.println(motor_vinkel);
servo1.write(motor_angle); // och flytta motorn till den vinkeln
}
fördröjning(200); // vänta i 0,2 sek
irrecv.resume(); // igen var redo att ta emot nästa kod
}
}

Matningen till DC-servomotorn ges från den externa 5V & matningen till IR-sensorn & Arduino-kortet ges från USB. När ström ges till servomotorn flyttas den till 0 grader. Efter det kommer meddelandet att visas som 'servomotorvinkel är 0 grader' på den seriella monitorn.

Nu på fjärrkontrollen, när knapp 1 trycks in kommer likströmsservomotorn att röra sig 30 grader. På samma sätt, när knappar som 2, 3, 4 eller 5 trycks in, kommer motorn att röra sig med önskade vinklar som 60 grader, 90 grader, 120 grader eller 150 grader. Nu kommer den seriella monitorn att visa servomotorns vinkelposition som 'servomotorvinkel xx grader'

När volym upp-knappen trycks in kommer motorns vinkel att ökas med 5 grader, vilket betyder att om den är 60 grader kommer den att flyttas till 65 grader. Så, positionen för den nya vinkeln kommer att visas på den seriella monitorn.

På samma sätt, när vinkeln ned-knappen trycks in, kommer vinkeln på motorn att minska med 5 grader, vilket betyder att om vinkeln är 90 grader, kommer den att flyttas till 85 grader. Signalen från IR-fjärrkontrollen känns av av IR-sensorn. Klicka för att veta hur den känner av och hur IR-sensorn fungerar här

Så, positionen för den nya vinkeln kommer att visas på den seriella monitorn. Därför kan vi enkelt styra vinkeln på DC-servomotorn med Arduino & IR-fjärrkontrollen.

För att veta hur man gränssnitt DC-motor med 8051 mikrokontroller klicka här

Fördelar med DC-servomotor

De fördelarna med DC-servomotorer inkluderar följande.

• DC-servomotorns drift är stabil.
• Dessa motorer har mycket högre uteffekt än motorns storlek och vikt.
• När dessa motorer går i höga hastigheter genererar de inget ljud.
• Denna motordrift är vibrations- och resonansfri.
• Dessa typer av motorer har högt vridmoment till tröghetsförhållande och de kan ta upp laster mycket snabbt.
• De har hög effektivitet.
• De ger snabba svar.
• Dessa är bärbara och lätta.
• Det är möjligt att använda fyra kvadranter.
• Vid höga hastigheter är dessa hörbart tysta.

De nackdelar med DC servomotorer inkluderar följande.

• Kylmekanismen för DC-servomotorn är ineffektiv. Så den här motorn blir snabbt förorenad när den väl har ventilerats.
• Denna motor genererar maximal uteffekt vid ett högre vridmoment och behöver regelbunden växling.
• Dessa motorer kan skadas av överbelastning.
• De har en komplex design och behöver en kodare.
• Dessa motorer behöver trimmas för att stabilisera återkopplingsslingan.
• Det kräver underhåll.

DC-servomotorapplikationer

De applikationer av DC-servomotorer inkluderar följande.

• DC servomotorer används i verktygsmaskiner för skärning och formning av metall.
• Dessa används för antennpositionering, tryckning, förpackning, träbearbetning, textilier, tillverkning av garn eller rep, CMM (Koordinatmätmaskiner), hantering av material, polering av golv, öppning av dörrar, X-Y-bord, medicinsk utrustning och waferspinning.
• Dessa motorer används i flygplanskontrollsystem där utrymmes- och viktbegränsningar kräver att motorer levererar hög effekt för varje enhetsvolym.
• Dessa är tillämpliga där högt startmoment är nödvändigt som fläktar och fläktar.
• Dessa används också främst för robotik, programmeringsenheter, elektromekaniska ställdon, verktygsmaskiner, processkontroller, etc.

Detta är alltså en översikt över dc servomotor – fungerar med applikationer. Dessa servomotorer används i olika industrier för att ge lösningen på många mekaniska rörelser. Funktionerna hos dessa motorer kommer att göra dem mycket effektiva och kraftfulla. Här är en fråga till dig, vad är AC Servo Motor?