DC-Servomotor: Konstruktion, Funktion, Schnittstelle mit Arduino und seinen Anwendungen

EIN Servomotor oder Servo ist eine Art Elektromotor, der verwendet wird, um die Maschinenteile mit hoher Präzision zu drehen. Dieser Motor enthält eine Steuerschaltung, die eine Rückmeldung über die aktuelle Position der Welle des Motors bereitstellt, so dass diese Rückmeldung es diesen Motoren einfach ermöglicht, sich mit hoher Präzision zu drehen. Ein Servomotor ist vorteilhaft, um ein Objekt in einem bestimmten Abstand oder Winkel zu drehen. Dieser Motor wird in zwei Arten AC-Servomotor und DC-Servomotor eingeteilt. Wenn ein Servomotor mit Gleichstrom arbeitet, wird der Motor als DC-Servomotor bezeichnet, während er mit Wechselstrom als AC-Servomotor bezeichnet wird. Dieses Tutorial bietet kurze Informationen über die DC-Servomotor – Arbeiten mit Anwendungen.

Was ist ein DC-Servomotor?

Ein Servomotor, der einen elektrischen Gleichstromeingang verwendet, um eine mechanische Ausgabe wie Position, Geschwindigkeit oder Beschleunigung zu erzeugen, wird als Gleichstrom-Servomotor bezeichnet. Im Allgemeinen werden diese Motortypen als Hauptantriebe in numerisch gesteuerten Maschinen, Computern und vielen anderen überall dort verwendet, wo gestartet und gestoppt wird präzise & sehr schnell.

Bau und Funktion von DC-Servomotoren

Der DC-Servomotor ist aus verschiedenen Komponenten aufgebaut, die im folgenden Blockschaltbild dargestellt sind. In diesem Diagramm werden jede Komponente und ihre Funktion unten diskutiert.

Der dabei verwendete Motor ist ein typischer Gleichstrommotor einschließlich seiner Feldwicklung, die separat erregt wird. Je nach Art der Erregung können weitere als ankergesteuerte und feldgesteuerte Servomotoren kategorisiert werden.

Die dabei verwendete Last ist ein einfacher Lüfter oder eine industrielle Last, die einfach mit der mechanischen Welle des Motors verbunden wird.

Das Getriebe in dieser Konstruktion funktioniert wie ein mechanischer Wandler, um die Motorleistung wie Beschleunigung, Position oder Geschwindigkeit je nach Anwendung zu ändern.

Die Hauptfunktion eines Positionssensors besteht darin, ein Rückmeldesignal zu erhalten, das der aktuellen Position der Last entspricht. Im Allgemeinen ist dies ein Potentiometer, das verwendet wird, um eine Spannung bereitzustellen, die proportional zum absoluten Winkel der Motorwelle durch den Getriebemechanismus ist.

Die Komparatorfunktion besteht darin, das o/p eines Positionssensors und eines Bezugspunkts zu vergleichen, um das Fehlersignal zu erzeugen, und gibt es an den Verstärker weiter. Arbeitet der DC-Motor präzise geregelt, liegt kein Fehler vor. Der Positionssensor, das Getriebe und der Komparator machen das System zu einem geschlossenen Regelkreis.

Die Verstärkerfunktion besteht darin, den Fehler vom Komparator zu verstärken und ihn dem Gleichstrommotor zuzuführen. Es verhält sich also wie ein Proportionalregler, wo immer die Verstärkung für einen stationären Fehler von Null verstärkt wird.

Das gesteuerte Signal gibt die Eingabe an PWM (Pulsweitenmodulator) abhängig vom Rückkopplungssignal, so dass es die Eingabe des Motors für eine präzise Steuerung moduliert, andernfalls keinen stationären Fehler. Ferner verwendet dieser Impulsbreitenmodulator eine Referenzwellenform und einen Komparator, um Impulse zu erzeugen.

Durch Herstellen des Regelkreissystems werden Beschleunigung, Geschwindigkeit oder genaue Position erhalten. Wie der Name schon sagt, ist der Servomotor ein gesteuerter Motor, der aufgrund des Feedback- und Controller-Effekts die bevorzugte Leistung liefert. Das Fehlersignal wird einfach verstärkt und verwendet, um den Servomotor anzutreiben. Abhängig von der Natur des Steuersignals und des Pulsweitenmodulators verfügen diese Motoren über überlegene Steuerverfahren mit FPGA-Chips oder digitalen Signalprozessoren.

Die Arbeitsweise des DC-Servomotors ist; Immer wenn das Eingangssignal an den Gleichstrommotor angelegt wird, dreht es die Welle und die Zahnräder. Im Grunde wird also die Drehung des Getriebeausgangs an den Positionssensor (Potentiometer) zurückgeführt, dessen Knöpfe sich drehen und ihren Widerstand ändern. Immer wenn der Widerstand geändert wird, wird eine Spannung geändert, die ein Fehlersignal ist, das in den Controller eingespeist wird und folglich PWM erzeugt.

Um mehr über die Arten von DC-Servomotoren zu erfahren, lesen Sie bitte diesen Link: Verschiedene Arten von Servomotoren .

Übertragungsfunktion des DC-Servomotors

Die Übertragungsfunktion kann definiert werden als das Verhältnis der Laplace-Transformation (LT) der o/p-Variablen zu LT ( Laplace-Transformation ) der i/p-Variablen. Im Allgemeinen ändert der Gleichstrommotor die Energie von elektrisch zu mechanisch. Die zugeführte elektrische Energie an den Ankeranschlüssen wird in geregelte mechanische Energie umgewandelt.

Die Übertragungsfunktion des ankergesteuerten DC-Servomotors ist unten dargestellt.

θ(s)/Va(s) = (K1/(Js2 + Bs)*(Las + Ra)) /1 + (K1KbKs)/(Js2 + Bs)*(Las+Ra)

Die Übertragungsfunktion des feldgesteuerten DC-Servomotors ist unten dargestellt.

θ(s)/Vf (s) = Kf / (sLf + Rf) * (s2J + Bs)

Der ankergesteuerte DC-Servomotor bietet aufgrund des Systems mit geschlossener Schleife eine überlegene Leistung im Vergleich zu einem feldgesteuerten DC-Servomotor, der das System mit offener Schleife ist. Außerdem ist die Reaktionsgeschwindigkeit innerhalb des Feldsteuersystems langsam. Im Fall der Ankersteuerung ist die Induktivität des Ankers vernachlässigbar, während sie im Fall der Feldsteuerung nicht gleich ist. Aber bei der Infield-Steuerung ist eine verbesserte Dämpfung nicht erreichbar, während sie bei der Ankersteuerung erreicht werden kann.

Spezifikationen

Der DC-Servomotor bietet Leistungsspezifikationen, die Folgendes umfassen. Diese Spezifikationen sollten basierend auf den Lastanforderungen der Anwendung angepasst werden, um einen Motor richtig zu dimensionieren.

• Die Wellengeschwindigkeit definiert einfach die Geschwindigkeit, an der sich die Welle dreht, ausgedrückt in RPM (Umdrehungen pro Minute).
• Normalerweise ist die vom Hersteller angebotene Drehzahl die Leerlaufdrehzahl der Antriebswelle oder die Drehzahl, bei der das Ausgangsdrehmoment des Motors Null ist.
• Die Klemmenspannung ist die Nennspannung des Motors, die die Motordrehzahl bestimmt. Diese Geschwindigkeit wird einfach durch Erhöhen oder Verringern der dem Motor zugeführten Spannung gesteuert.
• Die Rotationskraft wie Drehmoment wird durch die Welle des DC-Servomotors erzeugt. Das erforderliche Drehmoment für diesen Motor wird also einfach durch die Drehzahl-Drehmoment-Eigenschaften der verschiedenen Lasten bestimmt, die in der Zielanwendung auftreten. Diese Drehmomente sind zwei Arten von Anlaufdrehmoment und Dauerdrehmoment.
• Das Startdrehmoment ist das erforderliche Drehmoment beim Starten des Servomotors. Dieses Drehmoment ist normalerweise höher als das Dauerdrehmoment.
• Das Dauerdrehmoment ist das Ausgangsdrehmoment, das die Kapazität des Motors unter konstanten Betriebsbedingungen ist.
• Diese Motoren müssen über eine ausreichende Geschwindigkeits- und Drehmomentkapazität für die Anwendung verfügen, einschließlich einer Spanne von 20 bis 30 % zwischen den Lastanforderungen sowie den Motornennwerten, um die Zuverlässigkeit sicherzustellen. Wenn diese Margen zu viel überschreiten, wird die Effektivität der Kosten reduziert Spezifikationen des kernlosen 12-V-DC-DC-Servomotors von Faulhaber sind:
• Das Übersetzungsverhältnis beträgt 64: l Dreistufiges Planetengetriebe.
• Der Laststrom beträgt 1400 mA Leistung.
• Die Leistung beträgt 17W.
• Die Geschwindigkeit beträgt 120 U / min.
• Der Leerlaufstrom beträgt 75 mA.
• Der Encodertyp ist Optisch.
• Die Auflösung des Encoders beträgt 768 CPR von O/P Shaft.
• Der Durchmesser beträgt 30 mm.
• Die Länge beträgt 42 mm.
• Die Gesamtlänge beträgt 85 mm.
• Der Schaftdurchmesser beträgt 6 mm.
• Die Schaftlänge beträgt 35 mm.
• Das Stillstandsdrehmoment beträgt 52 kgcm.

Eigenschaften

Das Eigenschaften eines DC-Servomotors füge folgendes hinzu.

• Das Design des DC-Servomotors ähnelt einem Permanentmagnet- oder Fremderregungs-DC-Motor.
• Die Drehzahlregelung dieses Motors erfolgt durch Regelung der Ankerspannung.
• Der Servomotor ist mit hohem Ankerwiderstand ausgelegt.
• Es bietet eine schnelle Drehmomentreaktion.
• Eine sprunghafte Änderung der Ankerspannung erzeugt eine schnelle Änderung der Motordrehzahl.

AC-Servomotor Vs DC-Servomotor

Der Unterschied zwischen einem DC-Servomotor und einem AC-Servomotor umfasst Folgendes.

DC-Servomotor-Schnittstelle mit Arduino

Um einen DC-Servomotor in einem genauen und erforderlichen Winkel zu steuern, kann ein Arduino-Board oder jeder andere Mikrocontroller verwendet werden. Diese Platine verfügt über ein analoges O/P, das ein PWM-Signal erzeugt, um den Servomotor in einem präzisen Winkel zu drehen. Sie können die Winkelposition des Servomotors auch mit einem Potentiometer oder Drucktasten mit einem Arduino verschieben.

Der Servomotor kann auch mit einer leicht erhältlichen IR-Fernbedienung gesteuert werden. Diese Fernbedienung ist hilfreich, um den DC-Servomotor mit einer IR-Fernbedienung in einen bestimmten Winkel zu bewegen oder den Winkel des Motors linear zu erhöhen oder zu verringern.

Hier werden wir diskutieren, wie man den Servomotor mit einer IR-Fernbedienung mit Arduino in einem bestimmten Winkel bewegt und auch den Winkel des Servomotors mit der Fernbedienung im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn erhöht oder verringert. Das Schnittstellendiagramm des DC-Servomotors mit Arduino und IR-Fernbedienung ist unten dargestellt. Die Verbindungen dieser Schnittstelle folgen wie folgt:

Diese Schnittstelle verwendet hauptsächlich drei wesentliche Komponenten wie einen DC-Servomotor, ein Arduino-Board und einen TSOP1738-IR-Sensor. Dieser Sensor hat drei Anschlüsse wie Vcc, GND & Ausgang. Der Vcc-Anschluss dieses Sensors ist mit 5 V der Arduino Uno-Platine verbunden, der GND-Anschluss dieses Sensors ist mit dem GND-Anschluss der Arduino-Platine verbunden und der Ausgangsanschluss ist mit Pin 12 (Digitaleingang) der Arduino-Platine verbunden.

Der digitale Ausgangsstift 5 wird einfach mit dem Signaleingangsstift des Servomotors verbunden, um den Motor anzutreiben
Der +ve-Pin des DC-Servomotors wird an die externe 5-V-Versorgung gegeben und der GND-Pin des Servomotors wird an den GND-Pin von Arduino gegeben.

Arbeiten

Die IR-Fernbedienung wird verwendet, um zwei Aktionen 30 Grad, 60 Grad und 90 Grad auszuführen und auch den Winkel des Motors von 0 auf 180 Grad zu erhöhen/zu verringern.

Die Fernbedienung enthält viele Tasten wie Zifferntasten (0-9), Tasten zur Winkelsteuerung, Pfeiltasten, Aufwärts-/Abwärtstasten usw. Sobald eine beliebige Zifferntaste von 1 bis 5 gedrückt wird, bewegt sich der DC-Servomotor dorthin genauen Winkel und wenn die Angleup/Down-Taste gedrückt wird, kann der Winkel des Motors genau auf ±5 Grad eingestellt werden.

Sobald die Tasten festgelegt sind, müssen die Codes dieser Tasten entschlüsselt werden. Sobald eine beliebige Taste auf der Fernbedienung gedrückt wird, wird ein Code gesendet, um die erforderliche Aktion auszuführen. Um diese Fernbedienungscodes zu entschlüsseln, wird die IR-Fernbedienungsbibliothek aus dem Internet verwendet.

Laden Sie das folgende Programm in Arduino hoch und schließen Sie den IR-Sensor an. Legen Sie nun die Fernbedienung auf den IR-Sensor und drücken Sie die Taste. Öffnen Sie danach den seriellen Monitor und überwachen Sie den Code der gedrückten Taste in Form von Zahlen.

Arduino-Code

#include // IR-Fernbedienungsbibliothek hinzufügen
#include // Servomotorbibliothek hinzufügen
Dienst service1;
int IRpin = 12; // Pin für den IR-Sensor
int motor_winkel = 0;
IRrecv irrerecv(IRpin);
decode_results-Ergebnisse;
ungültige Einrichtung ()
{
Serial.begin (9600); // Serielle Kommunikation initialisieren
Serial.println ('IR-ferngesteuerter Servomotor'); // Nachricht anzeigen
irrecv.enableIRIn(); // Empfänger starten
servo1.attach (5); // Servomotor-Pin deklarieren
servo1.write (motor_angle); // Bewegen Sie den Motor auf 0 Grad
Serial.println ('Servomotorwinkel 0 Grad');
Verzögerung (2000);
}
Leere Schleife ()
{
while(!(irrecv.decode(&results))); // warten, bis keine Taste gedrückt wird
if (irrecv.decode(&results)) // Wenn die Taste gedrückt und der Code empfangen wird
{
if(results.value==2210) // prüfen, ob Taste 1 gedrückt ist
{
Serial.println ('Servomotorwinkel 30 Grad');
motor_angle = 30;
servo1.write (motor_angle); // Bewegen Sie den Motor auf 30 Grad
}
Else if(results.value==6308) // wenn Ziffer 2 Taste gedrückt wird
{
Serial.println ('Servomotorwinkel 60 Grad');
motor_angle = 60;
servo1.write (motor_angle); // Bewegen Sie den Motor auf 60 Grad
}
else if(results.value==2215) // wie für alle Zifferntasten
{
Serial.println ('Servomotorwinkel 90 Grad');
motor_angle = 90;
servo1.write (motor_angle);
}
sonst if(results.value==6312)
{
Serial.println ('Servomotorwinkel 120 Grad');
motor_angle = 120;
servo1.write (motor_angle);
}
sonst if(results.value==2219)
{
Serial.println ('Servomotorwinkel 150 Grad');
motor_angle = 150;
servo1.write (motor_angle);
}
Else if (results.value==6338) // wenn die Lautstärketaste gedrückt wird
{
Wenn (Motor_Winkel <150) Motor_Winkel + = 5; // Motorwinkel erhöhen
Serial.print ('Motorwinkel ist ');
Serial.println (motor_angle);
servo1.write (motor_angle); // und bewegen Sie den Motor zu diesem Winkel
}
else if(results.value==6292) // wenn die Leiser-Taste gedrückt wird
{
Wenn (Motor_Winkel> 0) Motor_Winkel = 5; // Motorwinkel verringern
Serial.print ('Motorwinkel ist ');
Serial.println (motor_angle);
servo1.write (motor_angle); // und bewegen Sie den Motor zu diesem Winkel
}
Verzögerung (200); // 0,2 Sekunden warten
irrecv.resume(); // wieder bereit sein, den nächsten Code zu empfangen
}
}

Die Versorgung des DC-Servomotors erfolgt über die externen 5 V und die Versorgung des IR-Sensors und der Arduino-Platine erfolgt über USB. Sobald der Servomotor mit Strom versorgt wird, bewegt er sich auf 0 Grad. Danach wird die Meldung auf dem seriellen Monitor als „Servomotorwinkel ist 0 Grad“ angezeigt.

Jetzt auf der Fernbedienung, sobald Taste 1 gedrückt wird, bewegt sich der DC-Servomotor um 30 Grad. In ähnlicher Weise bewegt sich der Motor nach dem Drücken von Tasten wie 2, 3, 4 oder 5 in den gewünschten Winkeln wie 60 Grad, 90 Grad, 120 Grad oder 150 Grad. Jetzt zeigt der serielle Monitor die Winkelposition des Servomotors als „Servomotorwinkel xx Grad“ an.

Sobald die Lauter-Taste gedrückt wird, wird der Winkel des Motors um 5 Grad erhöht, was bedeutet, dass er sich bei 60 Grad auf 65 Grad bewegt. Die Position des neuen Winkels wird also auf dem seriellen Monitor angezeigt.

Ebenso wird der Winkel des Motors um 5 Grad verringert, sobald die Taste „Winkel nach unten“ gedrückt wird, was bedeutet, dass er sich auf 85 Grad bewegt, wenn der Winkel 90 Grad beträgt. Das Signal der IR-Fernbedienung wird vom IR-Sensor erfasst. Klicken Sie, um zu erfahren, wie der IR-Sensor reagiert und wie er funktioniert hier

Die Position des neuen Winkels wird also auf dem seriellen Monitor angezeigt. Daher können wir den Winkel des DC-Servomotors einfach mit Arduino & IR-Fernbedienung steuern.

Klicken Sie hier, um zu erfahren, wie Sie einen Gleichstrommotor mit einem 8051-Mikrocontroller verbinden hier

Vorteile des DC-Servomotors

Das Vorteile von DC-Servomotoren füge folgendes hinzu.

• Der Betrieb des DC-Servomotors ist stabil.
• Diese Motoren haben eine viel höhere Ausgangsleistung als die Größe und das Gewicht des Motors.
• Wenn diese Motoren mit hohen Drehzahlen laufen, erzeugen sie keine Geräusche.
• Dieser Motorbetrieb ist vibrations- und resonanzfrei.
• Diese Motortypen haben ein hohes Verhältnis von Drehmoment zu Trägheit und können sehr schnell Lasten aufnehmen.
• Sie haben einen hohen Wirkungsgrad.
• Sie geben schnelle Antworten.
• Diese sind tragbar und leicht.
• Der Betrieb von Four Quadrants ist möglich.
• Bei hohen Geschwindigkeiten sind diese hörbar leise.

Das Nachteile von DC-Servomotoren füge folgendes hinzu.

• Der Kühlmechanismus des DC-Servomotors ist ineffizient. Dieser Motor wird also schnell verschmutzt, sobald er belüftet wird.
• Dieser Motor erzeugt maximale Ausgangsleistung bei einer höheren Drehmomentgeschwindigkeit und benötigt ein normales Getriebe.
• Diese Motoren können durch Überlastung beschädigt werden.
• Sie haben ein komplexes Design und benötigen einen Encoder.
• Diese Motoren müssen abgestimmt werden, um die Rückkopplungsschleife zu stabilisieren.
• Es erfordert Wartung.

DC-Servomotoranwendungen

Das Anwendungen von DC-Servomotoren füge folgendes hinzu.

• DC-Servomotoren werden in Werkzeugmaschinen zum Schneiden und Umformen von Metall eingesetzt.
• Diese werden für die Antennenpositionierung, den Druck, die Verpackung, die Holzbearbeitung, die Textilherstellung, die Herstellung von Bindfäden oder Seilen, CMM (Koordinatenmessgeräte), die Handhabung von Materialien, das Polieren des Bodens, das Öffnen von Türen, den X-Y-Tisch, medizinische Geräte und das Drehen von Wafern verwendet.
• Diese Motoren werden in Flugzeugsteuerungssystemen verwendet, wo Platz- und Gewichtsbeschränkungen Motoren erfordern, die eine hohe Leistung für jede Volumeneinheit liefern.
• Diese sind dort anwendbar, wo ein hohes Anlaufdrehmoment erforderlich ist, wie bei Gebläseantrieben und Lüftern.
• Diese werden auch hauptsächlich für Robotik, Programmiergeräte, elektromechanische Aktuatoren, Werkzeugmaschinen, Prozesssteuerungen usw. verwendet.

Dies ist also ein Überblick über die dc Servomotor – funktioniert mit Anwendungen. Diese Servomotoren werden in verschiedenen Branchen eingesetzt, um die Lösung für viele mechanische Bewegungen bereitzustellen. Die Eigenschaften dieser Motoren machen sie sehr effizient und leistungsstark. Hier ist eine Frage an Sie: Was ist ein AC-Servomotor?