Serwomechanizm

„Serwomechanizmy” przekierowuje tutaj. Informacje o firmie można znaleźć na stronie Servomechanisms Inc.

W technice sterowania serwomechanizm , zwykle skracany do serwomechanizmu , jest automatycznym urządzeniem, które wykorzystuje wykrywające błędy ujemne sprzężenie zwrotne do korygowania działania mechanizmu. W aplikacjach sterowanych przemieszczeniem zwykle zawiera wbudowany enkoder lub inny mechanizm sprzężenia zwrotnego położenia, aby zapewnić uzyskanie pożądanego efektu na wyjściu.

Termin poprawnie odnosi się tylko do systemów, w których sygnały zwrotne lub sygnały korekcji błędów pomagają kontrolować pozycję mechaniczną, prędkość, położenie lub inne mierzalne zmienne. Na przykład elektrycznymi szybami samochodowymi nie jest serwomechanizmem, ponieważ nie ma automatycznego sprzężenia zwrotnego kontrolującego położenie — operator robi to na podstawie obserwacji. Natomiast tempomat samochodu wykorzystuje sprzężenie zwrotne w pętli zamkniętej , co klasyfikuje go jako serwomechanizm.

Aplikacje

Kontrola pozycji

regulacyjny grzybkowy z siłownikiem pneumatycznym i „pozycjonerem”. Jest to serwomechanizm, który zapewnia otwarcie zaworu do żądanej pozycji niezależnie od tarcia

Popularny typ serwomechanizmu zapewnia kontrolę położenia . Zwykle serwa są elektryczne , hydrauliczne lub pneumatyczne . Działają na zasadzie ujemnego sprzężenia zwrotnego, gdzie sygnał sterujący jest porównywany z rzeczywistą pozycją układu mechanicznego, mierzoną przez pewien typ przetwornika na wyjściu. Każda różnica między wartościami rzeczywistymi a pożądanymi („sygnał błędu”) jest wzmacniana (i przekształcana) i wykorzystywana do kierowania systemem w kierunku niezbędnym do zmniejszenia lub wyeliminowania błędu. Ta procedura jest jednym z szeroko stosowanych zastosowań teoria sterowania . Typowe serwomechanizmy mogą dawać wyjście obrotowe (kątowe) lub liniowe.

Kontrola prędkości

Sterowanie prędkością za pomocą regulatora to inny rodzaj serwomechanizmu. Silnik parowy wykorzystuje mechaniczne regulatory; innym wczesnym zastosowaniem było regulowanie prędkości kół wodnych . Przed II wojną światową opracowano śmigło o stałej prędkości w celu kontrolowania prędkości obrotowej silnika samolotów manewrujących. Sterowanie paliwem w silnikach z turbiną gazową wykorzystuje sterowanie hydromechaniczne lub elektroniczne.

Inni

Seromechanizmy pozycjonujące zostały po raz pierwszy zastosowane w wojskowym sprzęcie do kierowania ogniem i nawigacji morskiej . Obecnie serwomechanizmy są stosowane w automatach maszynowych , antenach śledzących satelity, samolotach zdalnie sterowanych, automatycznych systemach nawigacji na łodziach i samolotach oraz systemach sterowania działami przeciwlotniczymi . Innymi przykładami są systemy fly-by-wire w samolotach , które wykorzystują serwomechanizmy do uruchamiania powierzchni sterowych samolotu, oraz modele sterowane radiowo , które wykorzystują serwomechanizmy RC do tego samego celu. Wiele autofokus kamery wykorzystują również serwomechanizm do dokładnego przesuwania obiektywu. Dysk twardy ma magnetyczny układ serwo z dokładnością pozycjonowania poniżej mikrometra. W maszynach przemysłowych serwomechanizmy są wykorzystywane do wykonywania złożonych ruchów w wielu zastosowaniach.

Siłownik

Główne artykuły: Serwomotor i serwo (sterowanie radiowe)

Serwomotor przemysłowy Szaro-zielony cylinder to szczotkowy silnik prądu stałego . Czarna sekcja na dole zawiera planetarną przekładnię redukcyjną , a czarny obiekt na górze silnika to optyczny enkoder obrotowy do sprzężenia zwrotnego położenia.




Mały serwomechanizm R/C. 1. silnik elektryczny 2. potencjometr sprzężenia zwrotnego położenia 3. przekładnia redukcyjna 4. ramię siłownika

Serwomotor to specyficzny rodzaj silnika, który w połączeniu z enkoderem obrotowym lub potencjometrem tworzy serwomechanizm. Zespół ten może z kolei stanowić część innego serwomechanizmu. Potencjometr dostarcza prosty sygnał analogowy do wskazania położenia, natomiast enkoder dostarcza sprzężenie zwrotne położenia i najczęściej prędkości, co przy zastosowaniu regulatora PID pozwala na dokładniejsze sterowanie położeniem, a tym samym szybsze osiągnięcie stabilnej pozycji (dla danej mocy silnika). . Potencjometry podlegają dryfowi gdy zmienia się temperatura, podczas gdy enkodery są bardziej stabilne i dokładne.

Serwomotory są używane zarówno w aplikacjach high-end, jak i low-end. Najwyższej klasy są precyzyjne komponenty przemysłowe, które wykorzystują enkoder obrotowy. Z najniższej półki są niedrogie serwomechanizmy sterowania radiowego (serwomotory RC) stosowane w modelach sterowanych radiowo , które wykorzystują wolnobieżny silnik i prosty czujnik położenia potencjometru z wbudowanym kontrolerem. Termin serwomotor ogólnie odnosi się do wysokiej klasy komponentu przemysłowego, podczas gdy termin serwo jest najczęściej używany do opisania niedrogich urządzeń wykorzystujących potencjometr. Silniki krokowe nie są uważane za serwomotory, chociaż są również używane do budowy większych serwomechanizmów. Ze względu na swoją konstrukcję silniki krokowe mają nieodłączne pozycjonowanie kątowe, które jest zwykle używane w pętli otwartej bez sprzężenia zwrotnego. Są one zwykle używane do zastosowań o średniej precyzji.

Serwonapędy RC służą do uruchamiania różnych układów mechanicznych, takich jak układ kierowniczy samochodu, powierzchnie sterowe w samolocie lub ster łodzi. Ze względu na przystępną cenę, niezawodność i prostotę sterowania za pomocą mikroprocesorów są często wykorzystywane w robotyki na małą skalę . Standardowy odbiornik RC (lub mikrokontroler) wysyła modulacji szerokości impulsu (PWM) do serwomechanizmu. Elektronika wewnątrz serwa przekłada szerokość impulsu na pozycję. Kiedy serwo otrzymuje polecenie obracania się, silnik jest zasilany, dopóki potencjometr nie osiągnie wartości odpowiadającej zadanej pozycji.

Historia

Układy sterowania statkiem ze wspomaganiem były wczesnymi użytkownikami serwomechanizmów, które zapewniały ustawienie steru w żądanej pozycji.

Regulator silnika parowego Jamesa Watta jest powszechnie uważany za pierwszy zasilany system sprzężenia zwrotnego. Fantail wiatraka jest wcześniejszym przykładem automatycznego sterowania, ale ponieważ nie ma wzmacniacza ani wzmocnienia , zwykle nie jest uważany za serwomechanizm.

Pierwszym urządzeniem do kontroli położenia ze sprzężeniem zwrotnym był silnik sterowy statku , używany do ustawiania steru dużych statków w oparciu o położenie koła sterowego statku. Pionierem był John McFarlane Gray . Jego opatentowany projekt został wykorzystany na SS Great Eastern w 1866 roku. Joseph Farcot może zasługiwać na równe uznanie za koncepcję sprzężenia zwrotnego, z kilkoma patentami w latach 1862-1868.

Telemotor został wynaleziony około 1872 roku przez Andrew Bettsa Browna , umożliwiając znaczne uproszczenie skomplikowanych mechanizmów między sterownią a silnikiem. Silniki sterujące parą miały cechy nowoczesnego serwomechanizmu: wejście, wyjście, sygnał błędu i środki do wzmacniania sygnału błędu używanego do ujemnego sprzężenia zwrotnego w celu doprowadzenia błędu do zera. odwracania mocy Ragonnet był serwowzmacniaczem ogólnego przeznaczenia zasilanym powietrzem lub parą do ruchu liniowego, opatentowanym w 1909 roku.

Elektryczne serwomechanizmy były używane już w 1888 roku w Telautograph Elizeusza Graya .

Serwomechanizmy elektryczne wymagają wzmacniacza mocy. Podczas II wojny światowej opracowano elektryczne serwomechanizmy kierowania ogniem , wykorzystujące amplidynę jako wzmacniacz mocy. W napędzie taśmowym UNISERVO do komputera UNIVAC I zastosowano wzmacniacze lampowe . Royal Navy rozpoczęła eksperymenty ze zdalnym sterowaniem zasilaniem ( RPC ) na HMS Champion w 1928 roku i zaczęła używać RPC do sterowania reflektorami na początku lat 30. Podczas II wojny światowej RPC służyło do sterowania stanowiskami i celownikami dział.

W nowoczesnych serwomechanizmach stosowane są półprzewodnikowe wzmacniacze mocy, zbudowane najczęściej z układów MOSFET lub tyrystorowych . Małe serwomechanizmy mogą wykorzystywać tranzystory mocy .

Uważa się, że pochodzenie tego słowa pochodzi od francuskiego „ Le Servomoteur ” lub silnika podrzędnego, użytego po raz pierwszy przez JJL Farcota w 1868 r. do opisania silników hydraulicznych i parowych stosowanych w sterowaniu statkiem.

Najprostszy rodzaj serwomechanizmów wykorzystuje sterowanie bang-bang . Bardziej złożone systemy sterowania wykorzystują sterowanie proporcjonalne, sterowanie PID i sterowanie w przestrzeni stanów, które są badane we współczesnej teorii sterowania .

Rodzaje występów

Serwa można klasyfikować za pomocą ich systemów kontroli ze sprzężeniem zwrotnym:

  • serwomechanizmy typu 0: w warunkach ustalonych wytwarzają stałą wartość wyjściową przy stałym sygnale błędu;
  • serwomechanizmy typu 1: w warunkach stanu ustalonego wytwarzają stałą wartość wyjściową z zerowym sygnałem błędu, ale stała szybkość zmian odniesienia implikuje stały błąd w śledzeniu odniesienia;
  • serwomechanizmy typu 2: w warunkach ustalonych wytwarzają stałą wartość wyjściową z zerowym sygnałem błędu. Stała szybkość zmian odniesienia implikuje zerowy błąd w śledzeniu odniesienia. Stała szybkość przyspieszenia odniesienia implikuje stały błąd w śledzeniu odniesienia.

pasma serwomechanizmu wskazuje na zdolność serwomechanizmu do nadążania za szybkimi zmianami zadanego sygnału wejściowego.

Zobacz też

Dalsza lektura

  •   Bennett S. (1993). Historia automatyki 1930–1955 . Londyn: Peter Peregrinus Ltd. W imieniu Instytutu Inżynierów Elektryków. ISBN 0-86341-280-7 .
  • Hsue-Shen Tsien (1954) Engineering Cybernetics , McGraw Hill , link z HathiTrust

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Servomechanism&oldid=1136716392 ”