Сервопривод — самый передовой и современный вид двигателя. Он предназначен для использования в сферах управления движением, нуждающихся в высокой точности позиционирования. Знание того, как работает сервопривод, позволяет понять его растущую востребованность в автоматизации промышленных процессов и потребительской технике.
Доцифровая эра
Название Le-Servomoteur впервые использовалось Жозефом Фарко в 1868 году для описания гидравлических и паровых двигателей, применяемых в судостроении. Фактическое значение этого слова утрачено со временем, но можно предположить, что оно представляло собой каламбур из французского cerveau (мозг) и латинского servus (служить). В широком смысле этот термин был введён не для подчёркивания полезности или сложности моторов, а акцентировал внимание на их свойстве служить командам комплекса управления движителем. То есть привод имеет обратную связь с остальной системой и откликается на её сигналы.
В 1898 году Тесла экспериментировал с беспроводным управлением моделями кораблей, оснащёнными контакторными серводвигателями, а в 1911 Хобарт уже поместил термин «серводвигатель» в свой словарь. К 1915 году это слово прочно закрепилось в среде англоязычных инженеров-электриков, несмотря на французское происхождение. Дальнейшее развитие технологии до Второй мировой войны происходило более чем стремительно:
- 1
916 — запатентована пневматическая торпеда, в которой руль подчинялся сервомеханизму; - 1922 — General Electric начала работы над сервомашинами для управления морскими орудиями;
- 1925 — создан электронный орудийный сервопривод, использующий пропорциональный контроль и положительную обратную связь;
- 1933 — представлен ленточный регистратор для записи диаграмм с сервомеханизмом постоянного тока.
- 1935 —испытан первый шаговый двигатель в качестве дистанционного повторителя положения компаса и прицела пушки.
Эволюция точности
Шаговые двигатели использовались во время Второй мировой войны и после её окончания в ограниченном количестве. В 60-х годах прошлого столетия они пережили несколько усовершенствований и были повсеместны более двух десятков лет в качестве незаменимых элементов беспилотного управления, индикаторов сортировки вагонов и станций взвешивания, цифровых дифференциальных высотомерах и компьютерной периферии.
Первые бесколлекторные двигатели были разработаны в середине 50-х годов. Устранение механических щёток позволяло им работать в течение удивительно долгого времени с высокой надёжностью. У шаговых моторов появился сильный конкурент. Бесколлекторные двигатели оказались незаменимы в освоении космоса, что и определило их бурное развитие.
Появление доступных способов производства редкоземельных кобальтовых магнитов в 1960-х стало главной базой для технологического рывка моторов постоянного тока. Именно они, оснащённые приводами с контролируемой обратной связью, составляют бо́льшую часть производимых в мире серводвигателей. Микропроцессоры ворвались на рынок автоматики в начале 1970-х и смогли обеспечить почти идеальный контроль над движением механизмов.
Устройство и типы
Сервоприводом называют устройство, предназначенное совершать механическое действие с высокой точностью под непрерывным самоконтролем целевой позиции и параметров движения. Наличие системы обратной связи с чувствительным устройством для исправления отклонений от заданных параметров отличает его от других типов приводов. В более широком смысле этим термином обозначают современные электродвигатели, оснащённые сервоприводами. Упрощённо устройство сервопривода можно описать как замкнутую систему из четырёх элементов:
- датчик;
- двигатель;
- контроллер;
- система обратной связи.
Принцип работы серводвигателя выглядит так: на вход устройства подаётся команда к назначению нового состояния (координат, скорости и т. п. ), прибор определяет текущее значение, сравнивает его с поступившим и производит управляющее воздействие на двигатель для уменьшения их разности.
Благодаря способностям поддерживать и контролировать заданные параметры, сервомеханизмы считаются наиболее передовыми приводами. Современные устройства сильно изменились в сравнении с первыми поколениями. Теперь это интеллектуальные приборы, выполненные с применением последних достижений в производстве магнитов и процессорной техники. В XXI веке прогресс позволил удешевить в несколько раз простые устройства без потери их качеств и создать технически сложные приводы переменной скорости и высокой точности для таких требовательных отраслей, как станкостроение.
В современной промышленности используют два типа серводвигателей: линейные и поворотные. Линейные позволяют добиться:
- больших скоростей и ускорений;
- высокой точности позиционирования.
Они обладают неоспоримыми преимуществами, но тем не менее популярны именно роторные сервоприводы. Это обусловлено главным образом тем, что линейные имеют склонность к перегреву. Тепло вызывает нежелательное расширение, создавая нагрузку на подшипники, смазку и датчики. С течением времени это негативно сказывается на продолжительности жизни компонентов.
Роторные двигатели делятся, в свою очередь, на сервоприводы позиционного и непрерывного вращения. Устройства позиционного вращения — самый распространённый тип. Выходной вал работает только в секторе круга, ограниченный физическими стопорами для предотвращения поворота за конструктивно заданные пределы.
Моторы непрерывного вращения очень похожи на позиционные с той разницей, что имеют возможность вращаться в любом направлении с разной скоростью в зависимости от входного сигнала.
Преимущества роторных серводвигателей, с точки зрения управления, выглядят так:
- крутящий момент пропорционален току;
- скорость пропорциональна приложенному напряжению.
И первые, и вторые востребованы в применении от детских игрушек до космической робототехники.
Сервоприводы, конечно же, продолжают совершенствоваться. Они появились и эволюционировали как результат тенденции к децентрализации автоматизированных систем. Удешевление процессоров ускоряет этот процесс. Количество функций, выполняемых современными сервоприводами, растёт и, судя по всему, будет продолжать расти. Новейшие устройства уже наделяются способностями к самонастройке и оптимизации параметров управления и могут изготавливаться с контроллерами процессов для удалённых установок.
Вполне возможно, сервоприводы будущего будут решать много смежных задач в машинах и механизмах, помогая избежать установки дополнительного оборудования.
