Servo actuator (DC SERVO MOTORS)

عملگر سروو چیست؟ Servo یا Servo-mechanism، به سیستم اتوماتیک دارای کنترل فیدبک گفته می شود (با اندازه گیری خروجی، در صورت مغایرت با ورودی، آن را وادار می کند که با دقت و سرعت سیگنال ورودی را دنبال کند) که متغیر موقعیت یا مشتقات آن مانند سرعت و شتاب را کنترل می کند. در نتیجه وظیفه اصلی سرو مکانیزم این است که خروجی یک سیستم را در مقدار دلخواه در حضور نویزها نگه دارد. Servo actuator یک عملگر خطی یا دورانی است که اجسام را به یک فاصله یا زاویه خاص منتقل می کند. داشتن پاسخ سریع و دقت بالا نسبت به تغییر خروجی و همینطور قابلیت کنترل از راه دور از مهمترین خصوصیات سرووهاست.

سروو عملگر ها به طور عمده شامل بخشهای زیر هستند: قسمت کنترل کننده سنسور خروجی سیستم فیدبک

هیدولیکی پنوماتیکی الکتریکی عملگر سرو عموما به سه دسته ی زیر تقسیم می شود: الکتریکی هیدرولیکی پنوماتیکی هیدولیکی پنوماتیکی الکتریکی

خصوصیات اساسی که باید در هر سرو وجود داشته باشد: خصوصیات اساسی که باید در هر سرو وجود داشته باشد: رابطه خطی بین سیگنال کنترل الکتریکی و سرعت روتور در بازه ی وسیعی وجود داشته باشد. اینرسی روتور باید حداقل مقدار ممکن باشد. تا درصورت حذف سیگنال کنترلی، بتواند بدون هیچ تأخیر زمانی متوقف شود. برای داشتن اینرسی کم، طول روتور را نسبت به قطر آن بزرگ طراحی میکنند. لازم به ذکر است که قطر روتور نسبت به پکیج اصلی بسیار کوچک است. پاسخ سرو موتور باید تا حد امکان سریع باشد تا بتواند به تغییرات سریع سیگنال خطا واکنش مناسب نشان دهد که اینکار با نگه داشتن نسبت گشتاور به وزن در مقدار بزرگ حاصل می شود. جهت حرکت سروو باید به راحتی قابل تغییر باشد. مشخصه ی گشتاور-سرعت این عملگر باید خطی باشد. باید عملکرد پایدار ،بدون اورشوت و نوسان، داشته باشد.

عملگر سروو-الکتریکی شناخته ترین نوع آن سرو موتور است. سرو موتور، موتور ساده ایست که از انرژی الکتریکی جهت به حرکت درآوردن قسمت مکانیکی این عملگر(شفت موتور) به زاویه یا فاصله ی مشخص استفاده میکند، میتواند در آن محل بایستد و معکوس عمل کند. قدرت پاسخگویی سریع در خروجی به علت اینرسی کم در این موتور هاست، که خود به دلیل طراحی با قطر کم و طول روتور زیاد می باشد. Electric servo cylinder Servo linear actuator

Servo motors AC Servo motor DC Servo motor Armature controlled Field controlled

آیا میتوان یک موتور عادی را به سرو تبدیل کرد؟ آیا میتوان یک موتور عادی را به سرو تبدیل کرد؟ پاسخ این است که اگر منظور ما از سرو موتور تنها فیدبک دار بودن و قابلیت کنترل سرعت و موقعیت خروجی باشد این کار با تقریب خوبی ممکن است. لازمه ی این کار کوپل کردن یک انکودر یا هر سرعت سنج دیگری به شفت موتور است تا به عنوان فیدبک جهت کنترل سرعت و موقعیت در مدار درایور مورد استفاده قرار گیرد. اما مشکل اینرسی و عدم شتابگیری سریعی که در موتور های بزرگ وجود دارد نیاز به تغییر در ساختار و اندازه ی روتورو استاتور و سیمبندی های آن دارد که عملاً ممکن نیست.

اصول عملکرد سرو موتور سروو موتور ها شامل یک موتور (AC یا DC) ، (پتانسیومتر یا انکودر یا سنسور اثر هال یا سنسور های موقعیت سنج مشابه) ،چرخدنده ها و مدار کنترلی می باشد. قرار گرفتن چرخدنده ها در این پکیج باعث کاهش RPM موتور و افزایش گشتاور آن می شود. اصول کاری این عملگر از این قرار است که موقعیت شفت موتور بوسیله ی پتانسیومتر (که فیدبک ولتاژ را به صورت آنالوگ می دهد) یا انکودر مشخص میشود و با سیگنال داده شده به موتور (رفرنس) مقایسه می شود(با توجه به load اعمال شده به موتور) و سیگنال خطایی را ایجاد می کند. درصورتی که شفت موتور در موقعیت مطلوب قرار گرفته باشد یا با سرعت مطلوب گذر کرده باشد، سیگنال خطا صفر است. در غیر اینصورت با تقویت کردن این سیگنال از نظر توان و ولتاژ موتور را راه اندازی می کنند تا اختلاف ایجاد شده بین مقدار مطلوب و واقعی را پر کند و شفت موتور درموقعیت مناسب قرار گیرد یا با سرعت مناسب حرکت کند.

سرو موتور AC سروو موتور ac ، موتور القایی دو فازی است.توان خروجی این عملگر از کسری از وات تا چندصد وات متغیر است.همینطور فرکانس کاری آن از 50 تا 400 هرتز است. سرو موتورهای ac معمولا برای کاربردهای توان پایین استفاده می شود. با پیشرفت ترانزیستورها و میکروپروسسورها این نوع از سرو موتورها به دلیل کنترل با دقت زیاد مورد استفاده قرار میگیرد.

سرو موتور dc سرو موتورهایی که تغذیه آن ها از نوع dc می باشد، به dc servo motor معروف هستند. این نوع از سرو موتور ها برای مصارف توان بالا به کار برده می شوند. ساختار سرو موتور dc مشابه موتور dc می باشد، که از میان انواع مختلف موتور dc مانند موازی،تحریک مستقل،مغناطیسی،براشلسو غیره از موتور های مغناطیس دائم و تحریک مستقل و براشلس برای سروموتور ها استفاده می شود. موتورهایی که به عنوان سرو موتورdc استفاده میشوند به طور کلی یک منبع DC جداگانه برای سیم پیچ میدان و سیم پیچ آرمیچردارند. کنترل سرو می تواند با کنترل جریان میدان یا جریان آرمیچر انجام شود.که هر کدام ازین دو برتری نسبت به دیگری دارندکه بسته به نوع کاربرد، از مورد مناسب استفاده می شود.

به طور معمول سرو موتور DC شامل قسمت های زیر است: : Servo case قاب بیرونی motor : موتور : Gear train چرخدنده ها : Output shaft شفت خروجی ( شفت اصلی ) : Potentiometer پتانسیومتر : Control wire سیم های سیگنال و تغذیه : Control circuitry مدار های الکترونیکی : Servo Arm بازو های سرو OUTPSHAFT CONTROL WIRES

در سرو موتور ها دو دسته سیم جدا خارج شده است که یکی مربوط به تغذیه و دیگری فیدبکی است که از انکودر گرفته شده است.

تئوری عملکردی سرو موتور dc سرو موتور تحریک مستقل: Field Controlled DC Servo Motor با توجه به شکل زیر، میدان موتور DC تحریک می شود،سیگنال خطای تقویت شده و سیم پیچ آرمیچر توسط یک منبع جریان ثابت انرژی می گیرد.

این میدان در زیر نقطه زانو منحنی اشباع مغناطیسی کنترل می شود این میدان در زیر نقطه زانو منحنی اشباع مغناطیسی کنترل می شود. در این قسمت از منحنی، mmf رابطه خطی با جریان تحریک دارد. به این معنی است که گشتاور در موتور DC رابطه مستقیم با جریان میدان زیر نقطه زانو منحنی اشباع مغناطیسی دارد. از معادله گشتاور موتور DC داریم که گشتاور T ∝ φIa که φشار میدان وIa جریان آرمیچراست. اما در سرو موتورDC نوع field controlledآرمیچر با منبع جریان ثابت تحریک شده، پسIa در اینجا ثابت است. از این رو، T ∝ φبه عنوان میدان سرو موتور dc با سیگنال خطای تقویت شده تحریک می شود، گشتاور موتور، یعنی چرخش موتور، می تواند با سیگنال خطای تقویت شده کنترل شود.حال اگر جریان آرمیچر ثابت به اندازه کافی بزرگ باشد، هر تغییر کوچکی در جریان میدان باعث تغییر متناوب در گشتاور روی شفت موتور می شود.

جهت چرخش را می توان با تغییر پلاریته میدان تغییر داد جهت چرخش را می توان با تغییر پلاریته میدان تغییر داد. جهت چرخش نیز می تواند با استفاده از موتورDC تقسیم میدان(split field)، بصورتی که سیم پیچ به دو قسمت تقسیم می شود، یک نیمی از سیم پیچ در جهت عقربه های ساعت و نیم دیگر در جهت عقربه های ساعت است. سیگنال خطای تقویت شده به نقطه اتصال این دو قسمت از میدان داده می شود. میدان مغناطیسی دو طرف سیم پیچ میدان مخالف یکدیگر هستند. درمدت عملکرد موتور، قدرت میدان مغناطیسی یک نیمه بر نیمه دیگربر اساس مقدارخطای تقویت شده بین این دو بخش غالب می شودبا توجه به این، موتور سروو DC در جهت خاص با توجه به ولتاژ سیگنال خطای تقویت شده چرخش می کند. ضعف اصلی موتورهای سروو موتور کنترل میدان، آهسته بودن پاسخ دینامیکی به خطا ،به دلیل زیاد بودن ثابت زمانی در مدارات القایی است. ازین جهت که میدان الکترومغناطیسی است و highly inductive است بنابراین به دلیل تغییر ناگهانی ولتاژ سیگنال خطا، جریان از طریق میدان پس از مدت زمان خاصی بسته به ثابت زمانی مدار میدان به حالت پایدار خود می رسد. به همین دلیل سروو موتورdc field controlled به طور عمده در کار های کوچک استفاده می شود. مزیت اصلی کنترل سرو موتور با میدان،این است که توان مورد نیاز برای کنترل بسیار پایین تر از قدرت نامی موتور است.

Armature Controlled DC Servo Motor

این میدان بعد از نقطه زانو منحنی اشباع مغناطیسی به خوبی عمل می کند این میدان بعد از نقطه زانو منحنی اشباع مغناطیسی به خوبی عمل می کند. در این قسمت از منحنی،به ازای تغییرات زیاد در جریان مغناطیسی،تغییرات کوچکی در mmfدر میدان موتور دیده می شود.که باعث حساسیت کمتر موتور سروو نسبت به تغییر در جریان میدان می شود. در حقیقت برای موتور سروو DC کنترل شده با آرمیچر، موتور باید به هر تغییری از جریان میدان پاسخی بدهد که این مطلوب ما نیست. دوباره، درحالت اشباع ،شار میدان حداکثر است. همانطور که قبلا گفتیم در معادله عمومی گشتاور موتور DC،T α φIa است. حالا اگرφ به اندازه کافی بزرگ باشد،به ازای هر تغییر کوچکی در جریان آرمیچر Ia، تغییر قابل توجهی در گشتاور موتور ایجاد خواهد شد.این یعنی سرو موتور بسیار حساس به جریان آرماتور می شود. همانطور که آرمیچر های موتورDC القایی کمتر و مقاومت بیشتر است، ثابت زمانی سیم پیچ آرمیچر به اندازه کافی کوچک است. این باعث تغییر سریع جریان آرمیچر به علت تغییر ناگهانی ولتاژ آرمیچر می شود. به همین دلیل است که پاسخ دینامیکی سرو موتور DC کنترل شده با آرمیچر خیلی سریعتر از موتورسرو موتور DC کنترل شده با میدان می شود. جهت چرخش موتور به راحتی می تواند با تغییر پلاریته سیگنال خطا تغییر کند.

سرو موتور مغناطیسی دائم: کنترل میدان در مورد این نوع از سرو موتور امکان پذیر نیست زیرا میدان آن یک آهنربای دائمی است. اصل کار سروو موتور DC کنترل شده با آرمیچر مشابه حالت قبل است.

درایور سرو موتور کنترلر سروو موتور مداریست که برای کنترل موقعیت موتور سروو استفاده می شودکه به آن درایور سرو موتور هم گفته می شود. این مدار شامل یک کنترل کننده، موتور سروو و یک منبع تغذیه می باشد. درایور سرو موتور می تواند برای کنترل یک سرو یا حتی گروهی از موتورهای سروو استفاده شود. در بسیاری از پروژه هایی که کنترل موتور سروو بخش اصلی کار انجام شده است، کنترل کننده باید بیش از یک سروو را درایو کند. هواپیماهای RC که در آن گروهی از سرو موتورها درایو می شوند مثالی ازین مورد است.

فرمان دادن به سروو موتور dc سرو موتورها سه سیم خروجی دارند،مطابق شکل زیر دوتای آن به زمین و پاور و یکی به کنترل کننده جهت دریافت پالس متصل میشود. سرو موتورها با pwm (مدولاسیون عرض پالس) کنترل میشوند، به اینصورت که باید هر فرمان را با فرکانس 50Hz یا20ms با میکروکنترلر به موتور ارسال کرد. بخش کنترل، هر فرمان را بر اساس عرض پالس دریافتی می سنجد که بیانگر میزان چرخشی است که موتور از مرکز چرخش دارد(در سروو های مختلف میتواند متفاوت باشد). سرو موتور از مرکز چرخش قابلیت چرخش 90 درجه ای به هر سمت را دارد. اعمال عرض پالس 1.5msبه معنای قرار گیری در این جهت خنثی یا مرکز چرخش است. برای مثال اگرعرض پالس 1.5msدر 90درجه قرار داشته باشد،ادرصورتی که عرض پالس کمتر از 1.5ms باشد شفت موتور روی 0 درجه و درصورتی که بیشتر از 1.5ms باشد روی 180 درجه قرار میگیرد.  

DC Servo Motors versus AC Servo Motors توان زیادی در خروجی می دهد توان کمی در حدود 0.5 تا100 وات در خروجی می دهد نسبت به نوع ac ناپایدارتر است مشکلات از نظر پایداری کمتری دارد نیاز به نگهداری متناوب به دلیل نقص در کموتاتور دارد به دلیل عدم حضور کموتاتور نیاز به نگهداری کمتری دارد بازده بالایی دارد بازده پایین در حدود 5% تا 20% دارد طول عمرش بسته به طول عمر جاروبک دارد طول عمرش به به طول عمر bearing وابسته است در ساختارش از آهنربای دائم استفاده شده درنوع سنکرون این سرو موتور از آهنربای دائم استفاده شده در حالی که دردرنوع القایی نیازی به آن نیست برای کارهای توان بالاست برای کارکرد های توان پایین است

کاربرد سرو موتور مکانیزم سرو موتور در تعداد زیادی از برنامه های کاربردی بخصوص برای کنترل موقعیت مورد استفاده قرار می گیرد . البته واضح است که نمی توانیم از سرو موتور DC برای کارهایی مثل کنترل دم هواپیما استفاده کنیم زیرا کنترل موقعیت دقیق با این سرو موتور نه تنها مشکل است، بلکه تقریبا غیرممکن است.

ROBOTIC VEHICLE

in Robotics (PICK AND PLACE ROBOTS)

Camera Auto Focus

in Conveyors

بررسی برخی سرو موتورهای dc بازار Shaft Speed: •Less than 1,610 rpm •1,610 to 3,187 rpm •3,187 to 4,700 rpm •4,700 to 7,090 rpm •7,090 rpm and up Continuous Torque: •Less than 0.45 Nm •0.45 Nm to 1.70 Nm •1.70 Nm to 5 Nm •5 Nm to 17 Nm •17 Nm and up Continuous Output Power: •Less than 0.4 HP •0.4 to 1 HP •1 to 2 HP •2 to 6 HP •6 HP and up Continuous Current: •Less than 1 amps •1 to 4 amps •4 to 8 amps •8 to 17 amps •17 amps and up Continuous Torque: •Less than 0.45 Nm •0.45 Nm to 1.70 Nm •1.70 Nm to 5 Nm •5 Nm to 17 Nm •17 Nm and up

کمپانی های مطرح تولیدکننده Faulhaber Group Fanuc Festo Sanyo Denki Yaskawa jmc Cinema 4d OMRON Toshiba TECO-Westinghouse Siemens AG Rockwell Automation Regal Beloit Corp. Maxon motor AG Nidec Johnson Electric Holdings Ltd. Huali Franklin Electric

رنج قیمت و روش تهیه در ایران قیمت این نوع از عملگر ها از 13 هزار تومان برای مدل HXT900 شروع شده و تا چندین میلیون برای مدل های دیگراز شرکت های مثل FANUC و MITSUBISHIبه فروش می رسد. برای خرید این محصولات می توان از شرکت های مهندسی- بازرگانی اقدام کرد، برای مثال: www.payatechnique.com https://www.festo.com/onlineshop https://estore.fanuc.eu/en-gb/shop

مراجع https://www.electrical4u.com/servo-motor-applications-in-robotics-solar-tracking-system-etc/ https://www.youtube.com/watch?v=Pi5v1idToeU https://www.electronicshub.org/servo-motors/ http://www.machinedesign.com/pneumatics/servoactuators-run-air https://nabat.biz/سروو-موتور-چیست/