Серводвигатель — это поворотный или линейный привод, предназначенный для точного позиционирования, определения скорости и ускорения. Они идеально подходят для многих применений: от простых серводвигателей постоянного тока, используемых в игрушках, до современных вариантов сервоприводов переменного тока, которые широко используются в системах автоматического управления, робототехнике и электромобилях. Серводвигатель прошел через множество усовершенствований, чтобы достичь того состояния, в котором он находится сейчас, и каждая модификация позволяла развиваться другим технологиям, таким как промышленная автоматизация.
Первыми сервомоторами были двигатели постоянного тока с постоянными магнитами. Они обеспечили простой метод регулирования крутящего момента, состоящий из сепаратора, содержащего неподвижный магнит и вращающиеся обмотки внутри. К сожалению, этот дизайн не был лишен своих проблем. Для передачи электроэнергии подпружиненные угольные «щетки» прижимаются к коллектору (который передает энергию на обмотки). По мере износа щеток после них остается мусор. Это в конечном итоге приводит к образованию накипи, «искрящей» полосы коллектора, что приводит к короткому замыканию двигателя. В результате серводвигатели постоянного тока с щеткой требуют ежемесячного технического обслуживания для предотвращения повреждения двигателя. Чтобы снизить стоимость и риск эксплуатации щеточного серводвигателя, инженеры разработали бесщеточную сервосистему.
Первый тип бесщеточной сервосистемы имитировал щеточный серводвигатель постоянного тока. Они использовали трехфазные двигатели с постоянными магнитами и электронным способом «переключали» ток с одной пары обмоток двигателя на другую. Для контроля скорости был добавлен энкодер и бесщеточный тахометр. Эта новая бесщеточная конструкция означала, что двигатели прослужат дольше в промежутках между техобслуживанием.
Оригинальная бесщеточная конструкция была ограничена применением с низким энергопотреблением. Это привело к разработке серводвигателя переменного тока, использующего двигатель с постоянными магнитами с синусоидальной обратной ЭДС (создаваемой с помощью перекошенных магнитов и перекрывающихся обмоток), также известного как полевое или векторное управление.
Серводвигатели переменного тока широко используются в современных промышленных приложениях. Он идеально подходит для систем с более высокой мощностью или там, где для работы требуется плавный крутящий момент. Серводвигатели переменного тока работают с использованием разъемного кольцевого коммутатора, две секции которого подключены к противоположным полюсам двигателя. Переменное поле заставляет полюса обмоток менять полярность, вращая двигатель.
Серводвигатели могут быть эффективны на полной мощности до 95% и иметь низкую плотность мощности, поскольку ток ротора отсутствует, что означает, что двигатель может мгновенно выдавать 100% крутящего момента. Именно по этой причине электромобили оснащены серводвигателями.
Хотя ранее основное внимание уделялось самому серводвигателю, большая часть улучшенной производительности достигается за счет энкодера. Это устройство создает точный моментальный снимок положения ротора. Различные датчики имеют различное «разрешение», более высокое разрешение означает, что двигатель остановится более точно.
Серводвигатель, используемый сегодня, изменился по сравнению с предыдущими поколениями. Теперь они изготовлены по новейшей магнитной технологии и подключены к приводам с регулируемой скоростью вращения, что обеспечивает им производительность, с которой трудно сравниться.
Сегодня в промышленности используются два типа серводвигателей: линейные и роторные. У обоих есть преимущества. С линейным двигателем вы получите выгоду от:
Может показаться, что линейные двигатели обладают всеми преимуществами, но существует множество применений, в которых используется только вращающийся серводвигатель. Это происходит потому, что линейные двигатели нагреваются; побочный продукт потраченной впустую энергии. Выделяющееся тепло вызывает термический рост, который влияет на нагрузку, подшипники, смазку и датчики. Со временем это негативно сказывается на сроке службы компонентов. Кроме того, термический рост, вероятно, вызовет проблемы со связыванием и повышенное трение.
Роторные двигатели обладают следующими преимуществами:
Однако реальность такова, что роторные и линейные двигатели используются для сложных прикладных установок. Например, роторные серводвигатели используются в деревообрабатывающих механизмах (токарных станках), промышленных прядильных, ткацких станках, ткацких станках и вязальных машинах. Линейные серводвигатели используются в оборудовании для подбора и размещения грузов с коротким ходом и контроля, в устройствах для более длинных перемещений и летающих ножниц, в американских горках, механизмах перемещения людей и системах запуска транспортных средств.
Серводвигатели могут обеспечить более высокую производительность, более высокие скорости и меньшие размеры, чем системы с асинхронными двигателями. Кроме того, наряду с частотно-регулируемыми приводами серводвигатели могут потреблять на 30% меньше энергии при позиционировании.
И наоборот, системы асинхронных двигателей (более дешевые, прочные, надежные и хорошо известные) могут предложить альтернативу системам серводвигателей для определенных применений. Это, конечно, основано на использовании аналогичных электронных средств управления (с использованием новейших технологий и примерно одинаковой стоимостью), в результате чего стоимость двигателей является отличительной проблемой.