Servo motors i unitats

Servo motor

Un servo motor és un tipus de motor que pot aconseguir una posició, velocitat i control de parell precisos basats en senyals de control en sistemes de control automatitzats. Els servos ofereixen una alta precisió, un rendiment i estabilitat, cosa que els fa àmpliament utilitzats en aplicacions que requereixen un control de moviment precís. Servo Motors normalment proporciona una posició de temps real {{2- de temps i velocitat de velocitat mitjançant un dispositiu de retroalimentació (com ara un codificador o un sensor), permetent un ajust puntual dels senyals de control basats en condicions reals per mantenir la posició precisa del motor. Els servo motors es classifiquen generalment en tres tipus: DC Servo Motors, AC Servo Motors i Stepper Servo Motors.

Els servo motors de corrent continu són un tipus de motor àmpliament utilitzat en sistemes de control automatitzats. En comparació amb els motors de DC convencionals, presenten un sistema de control de bucles tancat -, permetent l’ajust de temps real - dels senyals de control basats en senyals de retroalimentació. DC Servo Motors ofereix velocitats i velocitats de resposta més altes, així com una major sortida de parell. Tot i això, requereixen una font d’alimentació més estable.

Els servo motors de CA consisteixen en un bobinat d’estator i una armadura giratòria. El bobinatge de l'estator genera normalment un camp magnètic, mentre que l'armadura giratòria porta la càrrega i gira. Els motors elèctrics funcionen girant una bobina de fil en un camp magnètic. Els servo motors de CA aconsegueixen un control de moviment eficient i precís mitjançant diferents combinacions de camp de corrent i magnètic. Els servo motors de CA ofereixen una alta velocitat, alta precisió i una alta sortida de parell, cosa que els fa adequats per a aplicacions que requereixen un control de moviment de rendiment alt -, com ara robòtica, equips d'automatització i màquines -eines CNC. Tot i això, en comparació amb els motors de corrent continu, els servo motors generalment requereixen sistemes de control més complexos i generalment són més cars.

Servo Drives

Una unitat de servo és un dispositiu que s’utilitza per controlar el moviment d’un motor i és un component indispensable d’un sistema de servo. Normalment s’utilitza conjuntament amb un servo motor per aconseguir una posició, velocitat i control de força precisos. Les conductes de servo integren normalment diversos algoritmes de control per ajustar amb precisió la velocitat i la posició del motor en funció dels senyals de control. Suporten la retroalimentació del codificador, permetent el control real - de la posició i la velocitat del motor, aconseguint el control de bucle tancat - i millorant la precisió i l'estabilitat del control. També estan equipats amb diverses interfícies de comunicació per comunicar -se amb un ordinador amfitrió o altres dispositius, permetent el control i el control remot. Les conductes de servo també inclouen diverses característiques de protecció, com ara sobrecorrent, excés, sobretensió i protecció de pèrdues de fase, per garantir que el motor i la unitat funcionin dins de rangs segurs. La funció principal d’una unitat de servo és rebre senyals de control i, mitjançant algoritmes de control intern, convertir -los en corrent per controlar el servo motor, aconseguint així un control de posició precís.

Amb el ràpid desenvolupament de la tecnologia d’electrònica de potència i la teoria del control moderna, els sistemes de Servo Drive completament digitals s’han convertit en un corrent principal. Les conductes de servo també es dirigeixen cap a una alta precisió, alt rendiment, integració, modularització, universalitat, xarxa i intel·ligència.
 

1) Alta precisió i alt rendiment
Normalment, les unitats de servo solen utilitzar els microcontroladors de velocitat alts - com a processadors bàsics per millorar la velocitat de computació i la potència de processament. Amb la precisió creixent dels codificadors, la precisió de rendiment i control de les unitats de servo a baixes velocitats han millorat, fent -les especialment populars en la robòtica industrial de precisió alta -. La introducció de mètodes i estratègies de control avançats, com ara el control no lineal avançat i la identificació de paràmetres i la sintonització autònoma -, ha millorat encara més el rendiment de les unitats de servo.

2) Integració i modularitat

Amb la miniaturització de robots industrials i l’avançament continu de la tecnologia de semiconductors, les conduccions i els motors s’estan avançant cap a la miniaturització, la integració i la integració. Aquesta tendència ha augmentat significativament la potència informàtica dels controladors de servo, amb els controladors integrats ARM, DSP i FPGA que es converteixen en corrents.

La modularitat implica dividir les unitats de servo en mòduls basats en les seves funcions i combinar -les per satisfer les necessitats específiques. La modularitat requereix desenvolupar i dissenyar mòduls individuals, que es poden combinar per satisfer les necessitats específiques, reduint els costos de disseny. La modularitat també augmenta la flexibilitat del sistema i facilita el manteniment dels sistemes de Servo Drive.

3) universalització
La universalització integra les diverses funcions d’una unitat de servo, permetent als usuaris controlar diversos modes de funcionament, com ara el control del vector de bucle tancat -, el control del motor i el control vectorial de bucle -, sense canviar la configuració del maquinari, permetent la seva aplicació en diversos entorns de treball.

Actualment, les unitats universals de servo són relativament cares i encara no tenen una aplicació òptima en determinades aplicacions. Per tant, el disseny de les unitats de servo especialitzades és necessari per reduir costos i assolir la miniaturització.

4) Xarxes
Amb l’avançament continu de la tecnologia industrial i les creixents exigències que es plantegen en entorns industrials, les tecnologies de comunicació de camp de camp com RS485 i poden, sovint caracteritzades per una mala comunicació de temps real - i baixes velocitats de comunicació, són cada cop més incapaços de satisfer les exigències de la producció industrial moderna. En conseqüència, les tecnologies industrials de bus Ethernet, com ETERCAT, comencen a aplicar -se als sistemes impulsats del servidor -. Les tecnologies industrials de bus Ethernet poden complir els requisits de control de temps reals - i s’utilitzen àmpliament a la indústria del control industrial.

5) Intel·ligència
En el camp de la robòtica industrial, la intel·ligència és actualment una tendència important en el desenvolupament de Servo Drives. Mitjançant estratègies de control intel·ligent, Servo Drives posseeix funcions d’intel·ligència artificial com ara l’adaptació de self - i l’aprenentatge de self -. La intel·ligència de Servo impulsa simplifica i redueix significativament el temps de depuració dels robots industrials. També redueix significativament els requisits tècnics per a la depuració del personal, reduint així els costos operatius.

Disseny de maquinari del controlador

Com a fabricant de conductor de servo, els productes de Tonghang consisteixen principalment en components de maquinari que inclouen xips de control, circuits de controlador, circuits d’alimentació, circuits de detecció de tensió, circuits de mostreig de corrent, circuits d’interfície de comunicació i circuits d’interfície de codificador. Aquests circuits permeten les diverses funcions del controlador i garanteixen un funcionament del sistema estable i fiable. Per tant, en la investigació de maquinari de Servo Driver, l’anàlisi i la integració de cada circuit són crucials.

1. Selecció de xips

El circuit de control de maquinari té un paper crucial en una unitat de servo. És el principal responsable del mostreig de senyals analògics, de comptar els polsos de codificadors del motor i a la sortida de formes d’ona PWM per controlar el circuit d’inversor mitjançant un algorisme de control, aconseguint així un control precís del servo.

Com a component principal d’un controlador de la unitat de servo, el circuit de control compleix múltiples funcions:
1) Resposta ràpida: el circuit de control ha de ser capaç de respondre ràpidament a senyals de retroalimentació del sensor i a les instruccions de l'algoritme de control per aconseguir un control del motor ràpid i precís.
2) Alta fiabilitat: el circuit de control ha de patir un disseny i proves rigoroses per assegurar un funcionament estable i fiable, salvaguardant la seguretat i l'estabilitat de tot el sistema.
3) Informàtica de velocitat High -: la implementació de l'algoritme de control requereix una gran quantitat de processament de dades de velocitat alta -, de manera que el xip de circuit de control ha de tenir una alta capacitats de processament de rendiment i una velocitat de computació.
4) High - Control de precisió: Per aconseguir alts - control del motor de precisió, el circuit de control requereix High - Capacitats de processament de dades de precisió per assegurar la precisió i la precisió de l'algoritme de control {{4} En temps real, per detectar i manejar situacions anormals en el temps i protegir el funcionament normal del motor i del sistema. Per tant, per a la selecció de xip del circuit de control, cal tenir en compte plenament els requisits anteriors per assegurar -se que el circuit de control pugui aconseguir de forma estatal, precisa i eficaç un control precís del servo i assegurar el funcionament estable de tot el sistema.

2. Circuit d'accionament de sortida

El circuit d’accionament de la unitat de servo és un component clau que converteix els senyals de control en moviment del motor. Consisteix en una fase de tres - la meitat de la fase - Circuit de pont compost per sis transistors de canals N -. El circuit d’accionament de sortida també inclou un circuit de retroalimentació de corrent, que divideix el corrent de sortida en dues rutes i les transmet a un circuit de mostreig de corrent diferencial. A continuació, aquest circuit es torna al sistema de control, completant el control de bucle tancat -.

3. Circuit de mostreig de corrent diferencial

Els circuits de mostreig de corrent diferencial s’utilitzen habitualment per mesurar i adquirir canvis en els senyals de corrent de fase de servo motor. Aquest circuit és crucial per al control i la protecció de les unitats de servo. Els senyals de corrent de fase del motor mesurats pel circuit de mostreig de corrent diferencial són els paràmetres d’entrada primaris necessaris per conduir el motor i reflectir directament la càrrega i l’estat de funcionament del motor. Servo Drives utilitzen sistemes de control de bucles tancats - per aconseguir un control precís del moviment del motor. El circuit de mostreig de corrent diferencial proporciona senyals de retroalimentació, que s’utilitzen per ajustar el corrent de sortida del motor per assolir les característiques i la posició de moviment desitjades. El diagrama de circuits de mostreig de corrent diferencial es mostra a la figura. A continuació es mostra el procés de mostreig de corrent diferencial.

Primer, el sensor actual converteix el corrent de fase del motor en un senyal de corrent. Aquests senyals actuals representen el corrent consumit pel motor durant el funcionament. A continuació, un circuit de mostreig de corrent diferencial divideix el senyal de corrent en dues rutes i realitza una mesura diferencial entre les dues rutes per obtenir la diferència entre els senyals actuals. Aquest senyal diferencial és llavors processat per un amplificador operatiu. L’amplificador operatiu del circuit de mostreig de corrent diferencial amplifica el senyal diferencial, converteix el corrent en tensió i millora l’amplitud i l’estabilitat del senyal. Finalment, el senyal processat serveix com a entrada al sistema de control de retroalimentació. En comparar el senyal de retroalimentació amb el valor SET, el sistema de control ajusta la sortida del motor per aconseguir l’estat de moviment desitjat.

4. Circuit d’alimentació d’alimentació de codificadors

El codificador del motor del servo requereix una font d'alimentació independent. Per garantir un funcionament adequat i una retroalimentació precisa de la posició, s’ha de subministrar amb una font d’alimentació adequada. El codificador de motor de servo seleccionat per Tonghang utilitza una font d’alimentació de 5V, de manera que el circuit d’alimentació d’alimentació del codificador ha de disminuir la font d’alimentació entrant per assegurar un funcionament estable i fiable i senyals de retroalimentació de posició precises.

El circuit d’alimentació d’alimentació del codificador es mostra a la figura. Després de connectar -se a una font d'alimentació de 24V CC externa, la potència d'entrada passa primer per diversos condensadors paral·lels. Aquests condensadors redueixen el soroll i la ondulació a l’alimentació d’entrada i estabilitzen la tensió. Un xip del regulador DOW Down, a continuació, un primer pas - DC - a continuació realitza el primer pas - cap avall, reduint la tensió d'alimentació a 8V. La tensió de 8V resultant té dues destinacions: primer, s'utilitza com a font d'alimentació del circuit de controlador de sortida; En segon lloc, després de filtrar i estabilitzar la tensió a través de diversos condensadors paral·lels, el regulador estabilitza la tensió d’entrada 8V a una tensió de sortida +5. El xip del regulador lineal utilitza circuits interns per estabilitzar la tensió d’entrada a la tensió de sortida especificada. Aquest regulador produeix un voltatge fix +5.

5. Circuit d'interfície de xarxa

El circuit d’interfície de xarxa és un circuit d’interfície Ethernet que connecta ordinadors o dispositius de xarxa, que porta la funció de comunicació entre l’esclau i el mestre. La comunicació entre l'esclau i el mestre requereix un cable de xarxa externa. Tot i això, tot i que el controlador d’esclaus té una interfície PHY, no es pot connectar directament a la interfície de cable de xarxa. Per tant, es necessita una interfície de cable de xarxa addicional per connectar el cable de xarxa per comunicar -se amb el mestre.

Els ports Ethernet de la sèrie Tonghang estan normalment dissenyats per a transmissió i processament de senyal de freqüència alta -, oferint un alt rendiment i estabilitat. El port està construït - en el transformador de xarxa magnètica millora la transmissió i l'estabilitat del senyal durant la transmissió de dades, evitant que la interferència externa i el soroll elèctric arribin al dispositiu. Construït - en condensadors i resistències també filtren i aïllaven senyals, millorant encara més l'estabilitat del senyal i la resistència a la interferència.

6. Circuit d'interfície de codificador

El codificador és un component clau en un sistema de servo, proporcionant la posició i la retroalimentació de velocitat. El codificador produeix senyals de pols que representen la rotació del motor. El circuit d’interfície del codificador interpreta aquests senyals de pols i els converteix en informació com la posició i la velocitat reals del motor. El circuit d’interfície del codificador també subministra al codificador amb potència de 5V, que és reduït pel circuit d’alimentació d’alimentació del codificador, garantint una font d’alimentació estable durant el funcionament.

El codificador del motor del servo és un codificador incremental. Aquest codificador genera senyals de pols per indicar canvis de posició. Aquests senyals de pols consisteixen en fases A, B i Z. Les fases A i B s’utilitzen per mesurar la posició i la direcció, mentre que la fase Z s’utilitza normalment per identificar un punt de referència o una posició zero.

7. USB - a - Circuit de sèrie

Un circuit de sèrie USB {{0} a - permet la comunicació entre una unitat de servo i un ordinador. Com a component principal de tot el circuit, converteix les dades rebudes de la interfície USB en un format en sèrie i envia les dades de sèrie a la unitat de servo i viceversa. El circuit de sèrie USB - a - es mostra a la figura.

8. Circuit d'interfície de fre

El circuit de la interfície de fre controla l’acció de frenada del motor del servo, permetent que s’aturi de forma ràpida i precisa. El circuit de la interfície de fre rep senyals de control de fre o senyals d’alliberament de fre i els converteix en senyals de control adequats per activar o desactivar l’acció de frenada de la unitat de servo. El circuit de la interfície de fre es mostra a la figura. L’amplificador operatiu (OP AMP) de la figura és un component clau del circuit d’interfície de fre. Quan els senyals d’interferència entren al senyal de fre, l’amplificador OP, combinat amb un circuit de filtre, filtra el senyal d’entrada, eliminant la interferència i conservant la porció vàlida del senyal de fre. L’amplificador OP també realitza múltiples funcions, incloent l’amplificació del senyal, la comparació i el condicionament.

9. Circuit de detecció de tensió d’alimentació d’alimentació

El circuit de detecció de tensió d’alimentació supervisa el nivell de tensió d’alimentació per assegurar -se que es mantingui estable dins del rang de funcionament especificat. Supervisant la tensió d’alimentació en temps real, el circuit de detecció de tensió d’alimentació ajuda a millorar la seguretat i la fiabilitat del sistema. La figura 13 mostra el circuit de detecció de tensió d’alimentació. Després de la divisió de tensió, la tensió del 22q es mostra a través del port de mostreig ADC. El programari calcula si la tensió real compleix la tensió requerida. Només quan el valor de tensió és normal, la Servo Drive funciona normalment.

Circuit LED i circuit de commutació

S’afegeix un circuit de commutació per verificar la funcionalitat d’entrada IO de l’esclau, mentre que un circuit LED verifica la seva funcionalitat de sortida IO. Com es mostra a la figura, el circuit de commutació està connectat a una tensió de 3.3V. S’afegeix una resistència al circuit per eliminar la vibració mecànica. En el disseny del circuit LED que es mostra a la figura, un extrem del LED està connectat a GND i l’altre extrem es pot il·luminar simplement produint un nivell alt a partir d’un passador de microprocessador. El LED funciona a 1.2V, i s'utilitza un circuit de baixada - per baixar la tensió de 3.3V. El circuit de baixada de pas - es mostra a la figura 15. El circuit de descàrrega de 3.3V -, dissenyat mitjançant un xip regulador de tensió AMS117, genera un voltatge de 1.2V per al circuit LED.

11. Circuit de mesurament de la temperatura

El valor de temperatura es mostra i es processa per un sensor de temperatura NTC (coeficient de temperatura negatiu), que està connectat a l’ADC. Un NTC és un termistor de coeficient de temperatura negatiu la resistència del qual disminueix a mesura que augmenta la temperatura. Atès que la resistència d’un NTC canvia exponencialment amb la temperatura, es pot inferir la temperatura mesurant la resistència. Quan el corrent passa per un sensor de temperatura NTC, genera una certa calor. Si aquesta calor no es pot dissipar en el temps, la temperatura del sensor de temperatura NTC augmentarà, fent que la seva resistència disminueixi. En aquest cas, el corrent augmentarà significativament, provocant que la temperatura del sensor de temperatura NTC augmenti més, formant un cicle viciós que eventualment pot provocar un sobreescalfament del sensor de temperatura NTC, fins i tot fent que es cremi o es posi incendi.

12. Implementació de maquinari

La implementació de maquinari implica principalment la unitat de servo. A la figura es mostra un diagrama de la unitat de servo.

Tonghang va realitzar un disseny detallat del maquinari de la unitat de servo i va completar la seva implementació de maquinari. Va realitzar una investigació en profunditat de - a cada mòdul, incloent el microcontrolador, el controlador d'esclaus, el circuit de la unitat, el circuit de mostreig de corrent diferencial, el circuit d'interfície de codificador i el circuit d'interfície de cable de xarxa. També va demostrar la placa de circuit real.