Серво двигатели и дискове

Серво мотор

Серво двигател е вид двигател, който може да постигне прецизно положение, скорост и контрол на въртящия момент въз основа на контролни сигнали в автоматизирани системи за управление. Сервотата предлагат висока точност, производителност и стабилност, което ги прави широко използвани в приложения, изискващи прецизен контрол на движението. Сервоморите обикновено осигуряват реални - време за обратна връзка и скорост на скоростта чрез устройство за обратна връзка (като енкодер или сензор), като позволяват навременна регулиране на контролните сигнали въз основа на действителните условия за поддържане на точната позиция на двигателя. Серво моторите обикновено се категоризират в три вида: DC Servo Motors, Servo Motors и Stepper Servo Motors.

DC Servo Motors са вид двигател, широко използван в автоматизирани системи за управление. В сравнение с конвенционалните DC двигатели, те разполагат с затворена система за управление на цикъла -, позволяваща реално - време за регулиране на контролните сигнали въз основа на сигнали за обратна връзка. DC Servo Motors предлагат по -високи скорости и скорости на реакция, както и по -голям изход на въртящия момент. Те обаче изискват по -стабилно захранване.

AC серво двигатели се състоят от намотка на статора и въртяща се арматура. Намотката на статора обикновено генерира магнитно поле, докато въртящата се арматура носи товара и се върти. Електрическите двигатели работят, като въртят намотка от тел в магнитно поле. Серво моторите за променлив ток постигат ефективен и точен контрол на движението чрез различни комбинации от токово и магнитно поле. AC Servo Motors предлагат висока скорост, висока точност и висок изход на въртящия момент, което ги прави подходящи за приложения, изискващи високо - контрол на производителността, като роботика, автоматично оборудване и машинни инструменти на CNC. Въпреки това, в сравнение с DC двигателите, серво двигателите на променлив ток обикновено изискват по -сложни системи за управление и като цяло са по -скъпи.

Серви дискове

Серво устройство е устройство, използвано за контрол на движението на серво двигател и е незаменим компонент на серво система. Обикновено се използва заедно със серво двигател за постигане на прецизно положение, скорост и контрол на силата. Серво устройствата обикновено интегрират различни алгоритми за управление, за да регулират точно скоростта и позицията на двигателя въз основа на контролните сигнали. Те поддържат обратна връзка с енкодера, като позволяват реално наблюдение на времето и скоростта на двигателя, постигайки затворен - контрол на контура и подобряване на точността и стабилността на контрола. Те също са оборудвани с различни комуникационни интерфейси за комуникация с хост компютър или други устройства, което позволява отдалечен мониторинг и контрол. Серво задвижванията включват също различни функции за защита, като свръхток, превишаване на температурата, пренапрежение и защита на загубата на фаза, за да се гарантира, че двигателят и задвижването работят в безопасни диапазони. Основната функция на серво устройство е да получават контролни сигнали и, използвайки вътрешни алгоритми за управление, ги преобразуват в ток, за да контролират серво двигателя, като по този начин постигат прецизен контрол на позицията.

С бързото развитие на технологията на електрониката на Power и съвременната теория за управление, напълно цифровите системи за серво задвижване станаха основни. Серво дисковете също се движат към висока точност, висока производителност, интеграция, модулализация, универсалност, работа в мрежа и интелигентност.
 

1) Висока точност и висока производителност
Обикновено серво задвижванията често използват високи - скоростни микроконтролери като основни процесори, за да подобрят скоростта на изчисляване и мощността на обработка. С увеличаването на точността на енкодерите, точността на производителността и контрола на серво задвижването при ниски скорости се подобри, което ги прави особено популярни във високата - прецизна индустриална роботика. Въвеждането на усъвършенствани методи и стратегии за контрол, като усъвършенствана нелинейна контрола и идентифициране на параметри и самостоятелно настройка, допълнително подобри работата на серво дисковете.

2) Интеграция и модулност

С миниатюризацията на индустриалните роботи и непрекъснатото развитие на полупроводниковите технологии, серво дисковете и моторите се движат към миниатюризация, интеграция и интеграция. Тази тенденция значително увеличи изчислителната мощност на серво контролерите, като интегрираната ARM, DSP и FPGA контролерите стават основни.

Модулността включва разделяне на серво задвижвания на модули въз основа на техните функции и комбиниране, за да отговарят на специфични нужди. Модулността изисква разработване и проектиране на отделни модули, които след това могат да бъдат комбинирани, за да отговарят на специфични нужди, намаляване на разходите за дизайн. Модулността също увеличава гъвкавостта на системата и улеснява поддържането на системите на серво задвижване.

3) Универсализация
Universization интегрира различните функции на серво устройство, което позволява на потребителите да контролират различни режими на работа, като затворен - цикъл вектор контрол, контрол на двигателя и отвори - цикъл вектор контрол, без да променя хардуерната конфигурация, което дава възможност за неговото приложение в разнообразна работна среда.

Понастоящем универсалните серво устройства са сравнително скъпи и все още нямат оптимално приложение в определени приложения. Следователно, дизайнът на специализирани серво дискове е необходим за намаляване на разходите и постигане на миниатюризация.

4) Работа в мрежа
С непрекъснатото развитие на индустриалните технологии и нарастващите нужди, поставени в индустриалната среда, Fieldbus Communication Technologies като RS485 и може, често характеризиращи се с лоши реални - време за комуникация и ниска скорост на комуникация, все повече не могат да отговорят на нуждите на съвременното индустриално производство. Следователно технологиите за индустриални Ethernet шини, като EterCAT, започват да се прилагат в сървър - задвижвани системи. Технологиите за индустриални Ethernet Bus могат да отговарят на реални изисквания за контрол на времето- и се използват широко в индустрията за индустриален контрол.

5) Интелигентност
В областта на индустриалната роботика разузнаването в момента е основна тенденция в развитието на серво дискове. Чрез интелигентни стратегии за контрол, серво дисковете притежават функции на изкуствен интелект като себе си - адаптация и самостоятелно - обучение. Интелигентността на серво задвижванията опростява и значително намалява времето за отстраняване на грешки за индустриалните роботи. Той също така значително намалява техническите изисквания за отстраняване на грешки в персонала, като по този начин намалява оперативните разходи.

Дизайн на хардуер на драйвери

Като водещ производител на серво драйвер, продуктите на Tonghang се състоят предимно от хардуерни компоненти, включително контролни чипове, вериги на драйвери, вериги за захранване, вериги за откриване на напрежение, вериги за вземане на проби, вериги за комуникационен интерфейс и интерфейсни вериги на енкодера. Тези вериги позволяват различните функции на серво драйвера и осигуряват стабилна и надеждна работа на системата. Следователно, в хардуерните изследвания на серво драйвера, анализът и интегрирането на всяка верига са от решаващо значение.

1. Избор на чип

Схемата за хардуерно управление играе решаваща роля в серво устройство. Той е отговорен предимно за вземане на проби от аналогови сигнали, броене на импулси на енкодера на двигателя и извеждане на PWM форми на вълната за контрол на инвертора чрез алгоритъм за управление, като по този начин постига прецизен контрол на серво двигателя.

Като основен компонент на контролера на серво устройство, контролната верига изпълнява множество функции:
1) Бърза реакция: Контролната верига трябва да може бързо да реагира на сигналите за обратна връзка на сензора и инструкциите за алгоритъм за управление, за да постигне бързо и точно управление на двигателя.
2) Висока надеждност: Контролната верига трябва да претърпи строг дизайн и тестване, за да осигури стабилна и надеждна работа, като защити безопасността и стабилността на цялата система.
3) Високо - Скоростното изчисляване: Изпълнението на алгоритъма за управление изисква голямо количество високо - обработка на данни за скоростта, така че чипът на контролната верига трябва да притежава висок - възможности за обработка на производителността и скорост на изчисления.
4) High-Precision Control: To achieve high-precision motor control, the control circuit requires high-precision data processing capabilities to ensure the accuracy and precision of the control algorithm. 5) Real-time monitoring: The control circuit needs to be able to monitor and feedback various indicators of the motor in real време, така че да откриете и обработвате ненормални ситуации във времето и да защитите нормалната работа на двигателя и системата. Следователно, за избора на чип на контролната верига е необходимо напълно да се разгледат горните изисквания, за да се гарантира, че контролната верига може да стабилно, точно и ефективно да постигне прецизно управление на серво двигателя и да гарантира стабилната работа на цялата система.

2. Изходната верига на задвижването

Изходната верига на задвижването на серво устройството е ключов компонент, който преобразува контролните сигнали в движение на двигателя. Състои се от фаза на три - половина - мостова верига на задвижването, съставена от шест n - канална MOS транзистори. Веригата на изходното задвижване включва също така текуща верига за обратна връзка, която разделя изходния ток на два пътя и ги предава на диференциална верига за вземане на проби. След това тази верига се захранва обратно към системата за управление, като завършва затворен - контрол на контура.

3. Диференциална верига за вземане на проби

Диференциалните вериги за вземане на проби обикновено се използват за измерване и придобиване на промени в сигналите на фазата на серво двигателя. Тази схема е от решаващо значение за контрола и защитата на серво устройствата. Сигналите на тока на моторната фаза, измерени чрез веригата за вземане на проби от диференциален ток, са основните входни параметри, необходими за задвижване на двигателя и директно отразяват товара и работното състояние на двигателя. Серво устройства използват затворени - системи за управление на контура, за да постигнат прецизно управление на движението на серво двигателя. Диференциалната верига за вземане на проби осигурява сигнали за обратна връзка, които се използват за регулиране на изходния ток на двигателя, за да се постигнат желаните характеристики и позиция на движението. Диференциалната схема за вземане на проби от ток е показана на фигурата. По -долу е процесът на вземане на проби от диференциален ток.

Първо, текущият сензор преобразува фазовия ток на двигателя в токов сигнал. Тези текущи сигнали представляват тока, консумиран от двигателя по време на работа. На следващо място, диференциалната верига за вземане на проби разделя текущия сигнал на два пътя и извършва диференциално измерване между двата пътя, за да се получи разликата между текущите сигнали. След това този диференциален сигнал се обработва от оперативен усилвател. Оперативният усилвател в диференциалния ток за вземане на проби усилва диференциалния сигнал, преобразува тока в напрежение и подобрява амплитудата и стабилността на сигнала. Накрая, обработеният сигнал служи като вход в системата за контрол на обратната връзка. Сравнявайки сигнала за обратна връзка със зададената стойност, системата за управление настройва изхода на двигателя, за да постигне желаното състояние на движение.

4. Верига за захранване на енкодера

Енкодерът на серво мотора изисква отделно захранване. За да се осигури правилна работа и точна обратна връзка на позицията, тя трябва да бъде снабдена с подходящо захранване. Енкодерът на серво двигателя, избран от Tonghang, използва 5V захранване, така че веригата за захранване на енкодера трябва да се спря на входящото захранване, за да осигури стабилни и надеждни сигнали за обратна връзка на позицията.

Веригата за захранване на енкодера е показана на фигурата. След като се свърже с външно 24V DC захранване, входната мощност първо преминава през множество паралелни кондензатори. Тези кондензатори намаляват шума и пулсацията във входното захранване и стабилизират напрежението. DC - DC Стъпка - надолу чип на регулатора след това извършва първата стъпка - надолу, намалявайки напрежението на захранването до 8V. Полученото 8V напрежение има две дестинации: първо, използва се като захранване за веригата на изходния драйвер; Второ, след филтриране и стабилизиране на напрежението през множество паралелни кондензатори, регулаторът стабилизира входното 8V напрежение до +5 V изходно напрежение. Линейният регулатор на регулатора използва вътрешна верига, за да стабилизира входното напрежение към определеното изходно напрежение. Този регулатор извежда фиксирано +5 V напрежение.

5. Схема на мрежов интерфейс

Схемата на мрежовия интерфейс е схема на интерфейс Ethernet, която свързва компютри или мрежови устройства, носейки комуникационната функция между подчинения и главния. Комуникацията между роба и главния изисква външен мрежов кабел. Въпреки това, въпреки че подчиненият контролер има PHY интерфейс, той не може да бъде директно свързан към мрежовия кабелен интерфейс. Следователно е необходим допълнителен мрежов кабелен интерфейс за свързване на мрежовия кабел за комуникация с главния.

Серията Tonghang Ethernet портовете обикновено са проектирани за високо - честотни предаване и обработка на сигнали, предлагайки висока производителност и стабилност. Вграденият порт - в магнитния мрежов трансформатор повишава предаването на сигнала и стабилността по време на предаването на данни, предотвратявайки външните смущения и електрическия шум да достигнат до устройството. Вградените - в кондензатори и резистори също филтрират и изолират сигнали, като допълнително подобряват стабилността на сигнала и съпротивлението на смущения.

6. Схема на интерфейс на енкодера

Енкодерът е ключов компонент в серво система, осигурявайки обратна връзка за позиция и скорост. Енкодерът извежда импулсни сигнали, които представляват въртене на двигателя. Интерфейсната верига на енкодера интерпретира тези импулсни сигнали и ги превръща в информация като действителното положение и скорост на двигателя. Интерфейсната верига на енкодера също доставя енкодера с 5V мощност, която се оттегля от веригата за захранване на енкодера, като гарантира стабилно захранване по време на работа.

Енкодерът на серво мотора е инкрементален енкодер. Този енкодер генерира импулсни сигнали, за да посочи промени в положението. Тези импулсни сигнали се състоят от фази A, B и Z. Фази А и В се използват за измерване на позицията и посоката, докато фаза Z обикновено се използва за идентифициране на референтна точка или нулева позиция.

7. USB - до - серийна верига

USB - до - серийна верига позволява комуникация между серво устройство и компютър. Като основен компонент на цялата верига, той преобразува данни, получени от USB интерфейса, в сериен формат и изпраща серийните данни на серво устройството и обратно. На фигурата е показана USB - до - серийна верига.

8. Схема на спирачния интерфейс

Схемата на спирачния интерфейс контролира спирачното действие на серво мотора, което позволява да спира бързо и точно. Схемата на спирачния интерфейс получава сигнали за управление на спирачките или сигнали за освобождаване на спирачката и ги преобразува в подходящи контролни сигнали, за да активира или деактивира спирачното действие на серво устройството. Схемата на спирачния интерфейс е показана на фигурата. Оперативният усилвател (OP AMP) на фигурата е ключов компонент на веригата на спирачния интерфейс. Когато сигналите за смущения влязат в спирачния сигнал, OP усилвателят, комбиниран с филтърна верига, филтрира входния сигнал, премахване на смущения и запазване на валидната част на спирачния сигнал. OP усилвателят също изпълнява множество функции, включително усилване на сигнала, сравнение и кондициониране.

9. Верига за откриване на напрежението на захранването

Веригата за откриване на напрежението на захранването следи нивото на захранване, за да се гарантира, че тя остава стабилна в рамките на определения работен диапазон. Чрез наблюдение на напрежението на захранването в реално време веригата за откриване на напрежението на захранването помага за подобряване на безопасността и надеждността на системата. Фигура 13 показва веригата за откриване на захранващо напрежение. След разделяне на напрежението напрежението на 22q се взема проба чрез ADC порта за вземане на проби. След това софтуерът изчислява дали действителното напрежение отговаря на необходимото напрежение. Само когато стойността на напрежението е нормална, серво устройството работи нормално.

10. LED верига и превключване на веригата

Добавя се превключваща верига, за да се провери IO функционалността на IO на подчинената, докато LED верига проверява неговата IO изходна функционалност. Както е показано на фигурата, схемата на превключвателя е свързана към 3.3V напрежение. Към веригата се добавя резистор за елиминиране на механичните вибрации. В дизайна на LED верига, показан на фигурата, единият край на светодиода е свързан с GND, а другият край може да бъде осветен чрез просто извеждане на високо ниво от микропроцесорен щифт. Светодиодът работи на 1.2V, а стъпка - надолу се използва за спускане на 3.3V напрежението. Стъпката - надолу е показана на фигура 15. 3.3V стъпка - надолу верига, проектирана с помощта на чип на регулатора на напрежение AMS117, генерира 1.2V напрежение за LED верига.

11. Верига за измерване на температурата

Стойността на температурата се взема проба и обработка от NTC (коефициент на отрицателна температура) температурен сензор, който е свързан към ADC. NTC е отрицателен температурен коефициент термистор, чието съпротивление намалява с увеличаване на температурата. Тъй като съпротивлението на NTC се променя експоненциално с температурата, температурата може да се заключи чрез измерване на съпротивлението. Когато токът преминава през NTC температурен сензор, той генерира определено количество топлина. Ако тази топлина не може да се разсее навреме, температурата на температурния сензор за NTC ще се повиши, което ще доведе до намаляване на съпротивлението му. В този случай токът ще се увеличи значително, което ще доведе до повишаване на температурата на сензора за температура на NTC, образувайки порочен цикъл, който в крайна сметка може да доведе до прегряване на сензора за температура на NTC, дори да доведе до изгаряне или да се запали.

12. Хардуерно изпълнение

Хардуерното реализация включва предимно серво устройството. Диаграма на серво устройството е показана на фигурата.

Tonghang проведе подробен дизайн на хардуера Servo Drive и завърши хардуерното си внедряване. Той провежда в - проучване на всеки модул, включително микроконтролера, контролера на подчините, веригата на задвижването, диференциалната верига за вземане на проби, веригата на интерфейса на енкодера и веригата на мрежовия кабел. Той също демонстрира действителната платка.