Что такое сервомеханизм в робототехнике

СЕРВОМЕХАНИЗМ

Полезное

Смотреть что такое «СЕРВОМЕХАНИЗМ» в других словарях:

сервомеханизм — сервомеханизм … Орфографический словарь-справочник

СЕРВОМЕХАНИЗМ — СЕРВОМЕХАНИЗМ, устройство, обеспечивающее дистанционный контроль для приведения в действие механизма. Его действие основано на преобразовании входного сигнала, например, радиоимпульса или механического движения, в механическую полезную работу,… … Научно-технический энциклопедический словарь

СЕРВОМЕХАНИЗМ — (от лат. servus раб слуга и механизм), устройство в системах автоматического регулирования, осуществляющее за счет энергии вспомогательного источника механическое перемещение (перестановку) регулирующего органа системы в соответствии с… … Большой Энциклопедический словарь

сервомеханизм — сущ., кол во синонимов: 2 • механизм (30) • серво (1) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

сервомеханизм — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN servoservogearservounitservomechanism … Справочник технического переводчика

сервомеханизм — (от лат. servus раб, слуга и механизм), устройство в системах автоматического регулирования, осуществляющее за счёт энергии вспомогательного источника механическое перемещение (перестановку) регулирующего органа системы в соответствии с… … Энциклопедический словарь

сервомеханизм — vykdiklis statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. servodrive; servogear; servomechanism vok. Servomechanismus, m; Stellantrieb, m rus. исполнительный механизм, m; сервомеханизм, m; сервопривод, m pranc. mécanisme d asservissement, m;… … Automatikos terminų žodynas

сервомеханизм — valdomasis mechanizmas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. servomechanism vok. Servomechanismus, m rus. сервомеханизм, m pranc. servomécanisme, m … Automatikos terminų žodynas

сервомеханизм — vykdymo mechanizmas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. final controlling drive; servogear; servomechanism vok. Stellantrieb, m rus. исполнительный механизм, m; сервомеханизм, m pranc. mécanisme exécutif, m … Automatikos terminų žodynas

сервомеханизм — сервомехани/зм, а … Слитно. Раздельно. Через дефис.

Источник

Понятие слова Сервопривод.

Типы и принцип работы

Штатные сервоприводы будут предоставлены нам Издательством вместе со следующими номерами журналов. Однако, быть может, имеет смысл задуматься об альтернативных вариантах? Сколько существует фирм-производителей, модификаций и характеристик сервоприводов? Очень много! Давайте разберемся в том, какие бывают сервоприводы и чем нужно руководствоваться при их выборе.

Начнем с самого начала – что это такое и как они работают?

В энциклопедии «Кругосвет» определение звучит так:

«СЕРВОМЕХАНИЗМ, следящая система автоматического регулирования, которая работает по принципу обратной связи и в которой один или больше системных сигналов, сформированных в управляющий сигнал, оказывают механическое регулирующее воздействие на объект. Термин «серво-» (от лат. servus — слуга) используется для обозначения механизмов и систем, выходная величина которых поступает на вход, где сравнивается с задающим воздействием. Сервосистемы обладают, как правило, двумя особенностями: способностью усиливать мощность и информационной обратной связью.

Усиление необходимо потому, что требуемая на выходе энергия обычно велика (берется от внешнего источника), а на входе незначительна. Обратная связь представляет собой замкнутый контур, в котором рассогласование сигналов входа и выхода используется для управления. Следовательно, в прямом направлении контур передает энергию, а в обратном обеспечивает информацию, необходимую для точного управления.»

На первый взгляд схема кажется довольно сложной. Я предлагаю взглянуть на эту схему на другом примере:
Представьте, что перед Вами стоит задача ехать на автомобиле со скоростью 55 км/ч. Именно это будет у нас задающим воздействием. Преобразование скорости в цифровую форму (например, дорожный знак), это – первый прямоугольник. Ногой (усилитель) мы давим на педаль, это – сервопривод. Скорость автомобиля растет. Соответственно, начинает поворачиваться стрелка спидометра, это – обратная связь, а преобразование скорости в угол стрелки спидометра – это квадрат (преобразование). А вот перечеркнутый кружок – это место, где наш мозг сравнивает показания спидометра и дорожного знака и, в зависимости от величины и знака, выдает сигнал для ноги (усилителя) отпустить педаль или нажать на нее.
Вот так работает система автоматического регулирования с обратной связью.
А для модельного сервопривода картинка будет такая:

У сервопривода на вход с приемника подается прямоугольный импульс, длительность которого определяет угол поворота качалки серво. Значение, через которое повторяются импульсы, в стандарте PPM – 20 миллисекунд. Длительность меняется от 1 до 2 миллисекунд.

Питание и цоколевка разъемов:

Все сервомоторы, используемые в радиоуправляемых моделях, обычно имеют 3 провода:

1. Сигнальный провод, по которому поступает управляющий импульс (обычно провод белого, желтого или оранжевого цвета).
2. Питание, как правило от 4,8 В до 6 В (обычно провод красного цвета).
3. Земля (обычно провод черного или коричневого цвета).

По габаритам сервоприводы делятся на 3 основных размера: микро, стандартные и большие. Бывают сервомоторы и другого размера, однако перечисленные 3 вида покрывают 95% всех типоразмеров. В модели AMG Mercedes от DeAgostini применяются сервоприводы стандартного размера.

Аналоговые или цифровые сервоприводы:

Несколько лет назад все сервоприводы были аналоговыми. Сейчас этих типов два – аналоговые и цифровые. В чем же разница между этими двумя типами? Давайте обратимся к официальной информации, предоставленной фирмой Futaba.
За последние несколько лет, серво приводы стали обладать значительно лучшими характеристиками, чем ранее – меньшими габаритами, более высокими скоростями вращения и значениями крутящих моментов. Последний виток развития – появление цифровых сервоприводов. У цифровых серводвигателей есть существенные эксплуатационные преимущества перед аналоговыми, даже с коллекторными моторами. Хотя существуют и некоторые недостатки. Давайте рассмотрим и сравним их:

Внешне аналоговые и цифровые сервоприводы практически не отличаются. Отличия заметны на платах. Теперь вместо специализированной микросхемы мы можем увидеть на плате микропроцессор, который анализирует сигнал с приемника и управляет двигателем. Неверно полагать, что аналоговые и цифровые серво решительно отличаются в физическом исполнении, они могут иметь одинаковые двигатели, механизмы и потенциометры (переменные резисторы). Основное же отличие заключается в способе обработки сигнала приемника и управления двигателем.

Между этими импульсами на мотор ничего не поступает и, вообще говоря, внешнее воздействие может изменить положение исполнительного механизма в любую сторону – такой промежуток времени называется «мертвой зоной». Цифровые серводвигатель используют специальный процессор, работающий на высокой частоте, который обрабатывает получаемый от приемника сигнал и посылает управляющие импульсы в двигатель сервомотора с частотой 300 (и более) раз в секунду. Так как этот сигнал получен двигателем сервомотора чаще, он в состоянии реагировать намного быстрее и держать заданную позицию лучше. Это означает лучшее центрирование и значительно более высокий крутящий момент. Однако такой метод управления двигателем увеличивает потребление энергии, поэтому батарея, которая использовалась раньше для питания аналогового сервопривода, в случае использования цифрового будет разряжаться быстрее.

На графике сравниваются два практически идентичных сервопривода с точки зрения механики. Как мы видим, цифровой сервопривод S9450 гораздо быстрее аналогового S9002 реагирует на управляющий сигнал. Вращающий момент выше, а, значит, более точно устанавливается положение исполнительного механизма.

Но за все приходится платить (в том числе и в прямом смысле). Стоимость цифровых сервоприводов значительно выше, чем стоимость стандартных. Кроме того, цифровые сервоприводы, обладая всеми своими преимуществами, имеют заметно большее энергопотребление. Это вызывает необходимость увеличения емкости используемых батарей, что, в свою очередь, приводит к увеличению веса модели.

Однако многие из тех, кто хоть однажды использовал цифровые сервоприводы, отмечают, что различие с аналоговыми настолько существенно, что они никогда не вернулись бы к аналоговым серво, если есть возможность использовать цифровые.

Итак, если Вы нуждаетесь в:

• повышенной разрешающей способности
• минимальных «мертвых зонах», более точном позиционировании
• быстром реагировании на команды
• постоянном усилии на валу в процессе его поворота
• увеличенной мощности
• и при этом имеете достаточно средств

Коллекторные и бесколлекторные двигатели в сервоприводах:

В основном в сервоводах использовались 3-полюсные коллекторные двигатели, в которых тяжелый ротор с обмотками вращается внутри магнитов.

Таким образом, уменьшился вес двигателя, уменьшилось время разгона, но также возросла и стоимость.

Ну и, наконец, третий шаг – применение бесколлектроных двигателей. У бесколлекторных двигателей выше КПД, т.к. нет щеток и трущихся частей. Они более эффективны, обеспечивают бОльшую мощность, скорость, ускорение, вращающий момент.

Шарикоподшипник против втулки:

В сервоприводе есть одна ось, на которой крепится качалка. Именно на нее ложатся все нагрузки. Эта ось проходит через шарикоподшипник или втулку. Использование шарикоподшипника уменьшает потери на трение, предупреждает образование люфта и, естественно, повышает стоимость сервопривода.

Материал шестерней редуктора:

Нейлоновые шестерни – больше всего распространены в сервоприводах. Они имеют отличное качество поверхности, малый вес, однако не выдерживают больших нагрузок и недолговечны.

Карбоновые шестерни – появились относительно недавно на рынке. Они почти в пять раз прочнее нейлоновых и у них выше износостойкость. После более чем 300 000 циклов на них фактически не видно следов износа. Сервоприводы с этими механизмами более дороги, но это окупается большей долговечностью. Карбоновые шестерни также легкие, однако металлические все равно оказываются прочнее.

Металлические шестерни – являются самыми тяжелыми. У них самый большой уровень износа, однако, они обеспечивают беспрецедентную прочность. Если у Вас достаточно средств, Вы можете приобрести сервопривод с механизмом из титана.

Таким образом, выбор сервопривода с шестернями из определенного материала зависит от области применения. Например, для микро-сервоприводов, обычно, главное – это их вес. Скорее всего, Вы не будете использовать такой серводвигатель с металлическими шестернями. Идеальный пример серво-привода, в котором обоснованно используется металлический редуктор, будет рулевое серво радиоуправляемого внедорожного автомобиля или багги.

Вы этой статье мы рассмотрели принципы работы, разновидности узлов, и характеристики сервоприводов. И, все-таки, остался один вопрос:

Каждая компания-производитель будет делать все от них зависящее, чтобы убедить Вас в том, что их сервоприводы превосходят по характеристикам все остальные. В конце концов, выбор серводвигателя зависит от области его применения и Ваших личных потребностей, потому что независимо от того, насколько хорошие показатели или цена написаны на упаковке сервопривода, Вы не будете его использовать, если он не выполняет свою задачу и не может обеспечить соответствующее управление для Вашей модели.

Источник

Что такое сервопривод, как он работает и как им управлять?

Вряд ли сегодня кого-то можно удивить тем количеством электрических приборов, которые окружают человека в повседневной жизни. Многие из которых давно взяли на себя часть человеческого труда и обязанностей. Повсеместная автоматизация процессов охватила самые разнообразные отрасли, начиная автомобилестроением, и заканчивая устройствами в быту. Львиную долю нагрузки относительно автоматического управления параметрами работы умных машин берет на себя сервопривод.

Что такое сервопривод?

Под сервоприводом следует понимать такое устройство, которое обеспечивает возможность управления рабочим органом посредством обратной связи. Само название произошло от латинского servus, что в переводе означает помощник. Изначально сервопривод использовался в качестве вспомогательного оборудования для различных станков, машин и механизмов. Однако с развитием технологий и постоянно растущей необходимостью повышать точность электронных устройств им начали отводить куда более значимую роль.

Устройство и принцип работы

Устройство и принцип работы каждого сервопривода может кардинально отличаться от других моделей. Однако в качестве примера мы рассмотрим наиболее актуальные варианты.

Конструктивно он может состоять из:

Принцип действия заключается в подаче управляющего импульса на асинхронный или синхронный двигатель, который начинает вращаться, пока рабочий орган не окажется в нужной позиции. Как только будет достигнуто установленное положение, на датчике обратной связи появится нужный сигнал, который, перейдя на блок управления, прекратит питание электромеханического устройства. Движение сервопривода прекратится до появления новых электрических сигналов.

Далее начнется новый цикл работы устройства, число команд и последовательность их выполнения определяется заложенной программой.

Сравнение с шаговым двигателем

Вполне вероятно вы могли слышать, что та же функция часто выполняется шаговыми двигателями, однако между этими двумя устройствами имеется существенное отличие. Шаговый привод действительно осуществляет точное позиционирование объекта за счет четкого числа подаваемых на электрическую машину импульсов, они достаточно тихоходны и не создают лишнего шума. В остальном сервоприводы обладают рядом весомых преимуществ по сравнению с шаговыми электродвигателями:

Но кроме перечисленных преимуществ есть ряд позиций, по которым сервопривод уступает шаговому двигателю:

Назначение

Сервопривод используется в самых различных направлениях науки и техники, где электрический привод, помимо функции вращения каких-либо элементов, должен выполнить и точное позиционирование. На практике они повсеместно используются в ЧПУ станках, автоматических задвижках, электронных клапанах, заводских станках с программным управлением, робототехнике.

В бытовых системах сервомоторы устанавливаются в системах отопления для регулировки подачи теплоносителя, топлива, управления нагревательным элементом, контроля переключения между центральными и автономными системами энергетических ресурсов и т.д. В автомобилях их используют для отпирания, запирания багажника, электронных блокировок.

Разновидности

За счет многолетнего развития сервоприводов сегодня можно встретить самые различные виды устройства. Поэтому мы рассмотрим наиболее распространенные критерии разделения.

По типу привода:

По принципу действия выделяют:

По материалу передаточного механизма:

По типу вала двигателя:

Технические характеристики

При выборе конкретной модели сервопривода необходимо руководствоваться основными техническими параметрами, которые изготовитель указывает в паспорте устройства.

Наиболее значимыми характеристиками сервомотора являются:

Способы управления

По способу управления могут быть аналоговые или цифровые сервоприводы, первый из них подает сигналы с разной частотой, которая задается специальной микросхемой, контролирующей работу устройства. Цифровые сервоприводы, в свою очередь, отличаются наличием процессора, который принимает команды и реализует их в качестве различных режимов работы на приводе.

Их практическое отличие заключается в наличии мертвых зон у аналоговых способов, цифровые лишены этого недостатка, к тому же они быстрее реагируют на изменения и обладают большей точностью. Однако цифровой способ управления имеет большую себестоимость и на свою работу он расходует больше электроэнергии.

На рисунке 8 приведен пример управления сервоприводом с помощью подаваемых импульсов:

Рис. 8. Схема управления сервоприводом

Как видите на рисунке, сигнал поступает к генератору опорных импульсов (ГОП), подключенному к потенциометру. Далее сигнал поступает на компаратор (К), сравнивающий величины на выходе схемы и поступающие от датчика на рабочем органе. После этого прибор управления мостом (УМ) открывает нужную пару транзисторов моста для вращения вала мотора (М) по часовой или против часовой стрелки, также может задавать усилие за счет полного или частичного открытия перехода.

Преимущества и недостатки

К преимуществам сервопривода следует отнести:

К недостаткам следует отнести:

Источник

Что такое сервомеханизм в робототехнике

Сервомеханизмы

Определение и краткое описание

Применение сервомеханизмов отнюдь не ограничивается приводами исполнительной системы манипуляторов промышленных роботов. Принципы построения сервомеханизмов широко используются для автоматического управления движением различных машин и механизмов. Слово «серво» корнями восходит к латинскому serv (us), что означает вспомогательный, зависимый и т. п. *

* ( Этот термин был введен для обозначения различных устройств, способных перемещаться в строгом соответствии с поступающей извне командой, и впервые получил распространение в США.)

Сервомеханизмы в приводах исполнительной системы манипуляторов промышленных роботов реализуют один из видов автоматического управления, в результате которого манипулятор совершает перемещение точно в заданное положение (или поворачивается на заданный угол), причем мощность выходного сигнала, под действием которого и происходит необходимое движение, во много раз превышает мощность входного управляющего воздействия. Естественно, для того чтобы добиться усиления входного сигнала, необходимо извне подводить дополнительную энергию. На практике в качестве устройств, которые получают эту энергию и вырабатывают усиленный выходной сигнал, чаще всего применяют электромоторы или гидравлические цилиндры. В дальнейшем будем называть такие устройства исполнительными. Принципы работы сервомеханизма иллюстрируются на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Принцип работы сервомеханизма (для случая, когда управляемой величиной является угол θ)

♦♦♦ Заметим, что величина выходного сигнала не всегда должна превышать величину входного управляющего воздействия. Например, в применяемых в хирургии микроманипуляторах выходной сигнал, под действием которого совершаются прецизионные перемещения инструмента, оказывается в тысячи раз меньше входного, который задает целевое положение этого инструмента. В подобных сервосистемах следует не усиливать, а уменьшать входной сигнал.

Как уже отмечалось, понятие «сервомеханизм» означает класс систем автоматического управления, в которых входное управляющее воздействие преобразуется в соответствующее ему в количественном выражении перемещение управляемого объекта либо в другую механическую величину. Первый сервомеханизм был изобретен Джеймсом Уаттом в 1788 г. и представлял собой центробежный регулятор скорости; он применялся для управления скоростью работы паровых машин. По мере совершенствования и роста числа разновидностей сервомеханизмов расширялась и область их применения. Особенно существенный скачок в развитии сервосистем произошел за годы второй мировой войны в связи с работами по созданию сверхмощных и высокоточных орудий дальнобойной артиллерии. С окончанием войны пришло время автоматической техники, а накопленный в военные годы опыт построения сервосистем оказался весьма полезным во многих гражданских отраслях.

Все системы управления можно разделить на два класса: системы с открытым контуром управления (или разомкнутые системы) и системы с замкнутым контуром управления (или системы с обратной связью).

Системы первого типа характеризуются определенным соотношением между входным и выходным сигналами (рис. 3.2, а). В системах второго типа входной управляющий сигнал сопоставляется с выходным, а уже затем результирующее воздействие поступает на вход исполнительного устройства. Структурная схема замкнутой системы показана на рис. 3.2, б. Разомкнутая система управления проще в реализации, а следовательно, и дешевле. Вместе с тем замкнутая система, будучи более сложной и дорогой, обладает такими преимуществами, как высокая точность управления, высокая скорость реакции на внешнее управляющее воздействие, а также большая устойчивость к шумам и помехам. Сервомеханизмы являются типичными представителями замкнутых систем автоматического управления и в настоящее время чрезвычайно широко используются в области механотроники.

Выберем в качестве исполнительного устройства электромотор и подсоединим его с помощью некоторого механизма к манипулятору. Тогда, как только входной электрический сигнал поступит в обмотку электромотора, манипулятор начнет двигаться. Чтобы наглядно представить себе, как это происходит в действительности, воспользуемся рис. 3.3, б. Для того чтобы захват переместился из исходного положения (точка А) в целевое (точка В), манипулятор должен совершить поворот на угол α₁. Допустим, что для выполнения поворота на вход электромотора необходимо подать управляющий сигнал величиной p₁. В случае разомкнутой системы управления сигнал p₁ просто-напросто поступает на вход исполнительного устройства. При этом по окончании движения система управления не сможет ответить на вопрос: действительно ли звено повернулось точно на угол α₁ или на какой-либо другой угол?

Совсем иная ситуация наблюдается при использовании замкнутой системы управления. В этом случае текущее значение угла поворота манипулятора измеряется с помощью какого-либо дополнительного устройства. В зависимости от результатов измерений при необходимости может быть проведена автоматическая регулировка входного сигнала р₁ путем наложения на него сигнала обратной связи. Таким образом, замкнутые системы управления более точно и эффективно обеспечивают достижение заданной цели.

До сих пор, когда речь шла о сервомеханизмах, предполагалось, что на вход обязательно поступает управляющий сигнал, который задает новое целевое положение управляющего механизма, а на выходе вырабатывается воздействие, которое обеспечивает реальное перемещение точно в заданное положение. На самом деле существуют и такие сервосистемы, в которых помимо управляющего сигнала на вход передается информация о текущем значении выходного воздействия. Эти системы принято называть двухсторонними сервомеханизмами. Соответственно обычные сервомеханизмы называют односторонними.

Сервомеханизмы в системах управления роботами

Использование выходного сигнала в качестве обратной связи можно осуществить различными способами. Согласно рис. 3.3, а, функции обратной связи может непосредственно выполнять человек-оператор. Однако точность человеческого глазомера может оказаться недостаточной. В таких случаях выходное воздействие следует преобразовать в какую-либо легко измеряемую величину, например в напряжение, которое и будет выступать в роли сигнала обратной связи. В первом варианте (рис. 3.3, а) для организации обратной связи и превращения системы управления в замкнутую потребовалось посредничество человека; во втором (рис. 3.3, б) благодаря преобразованию выходного воздействия в напряжение оказалось возможным вывести человека из контура управления, заменив его компьютером. Поскольку в последнем случае автоматическое преобразование управляющего воздействия в механическое перемещение (вращение) происходит в полном соответствии с приводимым ранее определением сервомеханизма, представленная на рис. 3.3, б система управления может служить хорошим примером такого механизма.

Тем не менее структура сервомеханизма, показанного на рис. 3.3, б, не может быть непосредственно перенесена ни в исполнительные системы промышленных роботов, ни в системы управления движением любых других автоматических устройств. Причина кроется в том, что помещенный в контур управления компьютер всецело «озабочен» одной осью вращения, и поэтому у него остается слишком мало времени на выполнение других важных функций. На практике чаще всего применяются сервомеханизмы, структурная схема которых близка к представленной на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Принцип работы сервосистемы промышленного робота, управляемого от компьютера

Согласно схеме управления, предложенной на рис. 3.4, величину входного управляющего сигнала, необходимую для выполнения поворота манипулятора на угол α₁, рассчитывает компьютер. Когда этот сигнал поступает на вход устройства управления, манипулятор поворачивается приблизительно на заданный угол α₁. Следовательно, при такой организации процесса управления от компьютера требуется всего лишь вычислить величину υ₁. Напряжение υ₁ воспринимается сервомеханизмом в качестве управляющего воздействия и преобразуется в соответствующее по величине перемещение механизма (вращение). В результате вынесения компьютера из контура управления рассмотренная система оказывается более простой, а значит, более дешевой, в связи с чем ее практическая ценность возрастает. Сервомеханизм, получающий на входе сигнал υ₁, на рис. 3.4 ограничен штриховой линией с индексом (i). Согласно рассматриваемой схеме, сигнал обратной связи также передается компьютеру, который при необходимости может по величине этого сигнала вычислить действительное значение угла поворота манипулятора и сравнить его с заданной величиной α₁. Таким образом, значительно увеличивается точность управления. Компьютер и обведенный штриховой линией сервомеханизм можно считать элементами замкнутой системы управления, которая на рис. 3.4 помещена внутри штриховой рамки с индексом (ii). В свою очередь эта система может являться элементом системы управления движением всего робота. В таком случае ее можно рассматривать как обобщенный сервомеханизм, управляющий вращательной компонентой движения робота.

По мере снижения стоимости микропроцессоров расширяются возможности для практического применения схем управления, подобных представленной на рис. 3.4. В частности, уже сейчас выпускается большое количество роботов, у которых каждой компонентой движения (каждой степенью подвижности) управляет отдельный микропроцессор.

♦♦♦ Следует отметить, что при рассмотренном способе косвенных измерений сигнала обратной связи ошибка, которая неизбежно возникает из-за наличия люфта между понижающей шестерней и поворотным механизмом манипулятора, не поддается измерению, а следовательно, не может быть учтена при формировании результирующего управляющего воздействия. В связи с этим системы с косвенными измерениями сигнала обратной связи иногда называют полузамкнутыми.

При управлении вращением манипулятора в качестве сигнала обратной связи может передаваться не только значение угла поворота, но и скорость вращения, как это происходит, например, в сервомеханизмах управления скоростью поворота. Скорость вращения может быть рассчитана непосредственно по показаниям тахогенератора, связанного с сервомотором. В этом случае сервосистема оказывается нормальной замкнутой системой управления.

Аналитическое описание

Проектирование сложных систем автоматического управления на основе знаний особенностей конкретных сервомеханизмов невозможно без аналитического описания этих особенностей. Чаще всего такое описание проводится с помощью широко используемого в теории управления математического аппарата, основанного на преобразованиях Лапласа. В общем случае и объекты управления сервомеханизмов, и сами управляющие элементы могут быть описаны дифференциальными уравнениями. Следовательно, в большинстве случаев основные особенности всего сервомеханизма в целом также могут быть представлены набором дифференциальных уравнений. Если все дифференциальные уравнения, описывающие свойства некоторого сервомеханизма, являются линейными, то такой сервомеханизм называется линейным. Оказывается, что в случае линейных сервомеханизмов, как правило, гораздо целесообразней отказаться от непосредственного решения дифференциальных уравнений, а воспользовавшись преобразованием Лапласа, перейти к решению алгебраических уравнений относительно оператора s. Найденное решение алгебраического уравнения следует подвергнуть обратному преобразованию Лапласа, в результате чего и будет получено решение исходного дифференциального уравнения. Преобразование Лапласа применяется всегда, когда возникает необходимость перейти от свободной переменной дифференциальных уравнений t (времени) к переменной s (рис. 3.6). Физический смысл такого перехода заключается в том, что задачи, сформулированные во временной области, заменяются эквивалентными задачами, сформулированными в частотной области. Причем, решению задачи временной области, представленной в виде дифференциального уравнения, соответствует решение частотной задачи, представленной алгебраическим уравнением.

Рис. 3.6. Применение преобразования Лапласа для решения систем дифференциальных уравнений

Если для некоторой действительной или комплексной функции, определенной всюду на полуоси t ≥ 0, существует комплексное число s, такое, что интеграл вида

сходится, то для функции f(t) существует преобразование Лапласа относительно оператора преобразования s. В этом случае преобразованием Лапласа функции f(t) будет называться следующий интеграл:

функция f(t) в свою очередь является результатом обратного преобразования Лапласа для функции F(s). Обратное преобразование Лапласа задается уравнением вида

Для удобства дальнейшего изложения укажем прямое и обратное преобразования Лапласа для ряда наиболее часто встречающихся на практике функций:

Типы сервомеханизмов

Таблица 3.1. Сравнительная характеристика трех типов сервосистем

Электрические сервосистемы

Принципы устройства

♦♦♦ Заметим, что в процессе управления происходит усиление вращательного момента, приложенного к поворотному механизму манипулятора. Так же как и в рассмотренной ранее системе управления, исходный сигнал υ₁ поступает от компьютера или какого-либо другого управляющего устройства, вынесенного непосредственно из контура управления приводов. Такой подход оказывается весьма распространенным в практике построения сервосистем.

Рис. 3.8. Структурная блок-схема цифровой системы управления

Сервоусилители

Внешний задающий контур сервомотора постоянного тока обычно называют сервоусилителем. Применение сервоусилителей в системах управления скоростью вращения вала электромотора обусловлено двумя факторами. Во-первых, способность транзисторов пропорционально усиливать величину аналогового сигнала дает возможность с помощью слабых входных сигналов управлять работой достаточно мощных моторов; во-вторых, переключательные свойства транзисторов и тиристоров позволяют регулировать поступающее в обмотку мотора напряжение путем преобразования аналогового сигнала в импульсы соответствующей величины. Второй из перечисленных факторов, а именно использование транзисторных переключателей в системах управления скоростью, обеспечивает уменьшение потерь энергии при торможении или разгоне вала электромотора. Поэтому такие переключатели являются незаменимыми элементами систем управления автономными роботами, для которых особое значение приобретает увеличение времени работы без подзарядки бортовых источников питания. В дальнейшем ограничимся изложением лишь основных принципов использования транзисторов в качестве усилителей.

Схема на рис. 3.10, а соответствует случаю, когда усилитель подключается с заземленным (общим) коллектором, а электромотор является нагрузкой для эмиттера. При таком подключении, поскольку падение напряжения V_BE на участке между базой и эмиттером транзистора приблизительно равно нулю, практически все входное напряжение оказывается приложенным к полюсам электродвигателя, т. е. V₀ = V_i.

Таким образом, управляя величиной входного напряжения V_i, можно управлять напряжением V₀ на клеммах двигателя и тем самым добиться необходимых изменений скорости вращения вала.

При подключении усилителя по схеме, показанной на рис. 3.10, б, электромотор выступает в качестве нагрузки уже для коллектора. В этом случае сила тока i_E, проходящего через эмиттер, определяется выражением

Так как падение напряжения на эмиттере V_BE по-прежнему остается близким к нулю, величина i_E оказывается приблизительно равной i₀, т. е.

Следовательно, в данной схеме с помощью входного напряжения можно непосредственно управлять силой тока i₀, протекающего через обмотку электромотора.

На практике величина коэффициента усиления, достижимая при любой из двух вышеописанных схем, часто оказывается недостаточной. Для большего усиления входного сигнала в одном задающем контуре применяют еще один или два дополнительных усилителя. Пример схемы подключения дополнительных усилителей приводится на рис. 3.11. Показанную на этом рисунке группу транзисторов можно рассматривать как один составной транзистор, при этом вся схема превращается в обычный задающий контур, управляемый током.

Рис. 3.11. Задающий контур с высоким коэффициентом усиления

♦♦♦ Заметим, что ни одна из приведенных схем не может быть использована для вращения двигателя в другую сторону.

Основные принципы работы задающих контуров для двухсторонних реверсивных систем управления скоростью вращения вала иллюстрируются на рис. 3.12. Благодаря специфике свойств транзисторов данная схема включения имеет следующую особенность. Поскольку, как и в предыдущих случаях, падение напряжения на участке база-эмиттер практически равно нулю, а ток через коллектор не проходит, эта схема хотя и является реверсивной, но имеет зону нечувствительности для некоторой окрестности нулевого значения управляющего напряжения V_i. Характеристика работы двухстороннего задающего контура с зоной нечувствительности показана на рис 3.12, б. Чтобы уменьшить ширину зоны нечувствительности и, таким образом, обеспечить линейность рабочей характеристики, оказывается эффективным добавить цепи смещения, состоящие из одного диода и одного сопротивления (рис. 3.13). Следует иметь в виду,, что чрезвычайно трудно подобрать диоды, имеющие вольт-амперную характеристику, которая абсолютно совпадает с характеристикой база- эмиттер транзистора. Кроме того, всегда существует опасность, что из-за ненулевой обратной проводимости реального транзистора не весь ток будет проходить через цепь смещения. Именно поэтому для настройки задающего контура на работу с линейной двухсторонней характеристикой приходится помимо диода включать в схему со стороны эмиттера небольшое по величине сопротивление (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Схема компенсации зоны нечувствительности, возникающей из-за разброса параметров диодов и тока смещения

Рассмотренный в качестве иллюстрации основных принципов работы двухсторонний задающий контур на практике не обеспечивает нужного усиления, поэтому в реальных сервомоторах используются различные составные схемы задающего контура. Схема одного из распространенных способов построения составного контура приводится на рис. 3.14.

Рис. 3.14. Задающий контур, построенный на основе схем Дарлингтона

Источник