Servomotore DC: costruzione, funzionamento, interfaccia con Arduino e le sue applicazioni

UN servomotore o servo è un tipo di motore elettrico utilizzato per ruotare le parti della macchina con alta precisione. Questo motore include un circuito di controllo che fornisce feedback sulla posizione corrente dell'albero del motore, quindi questo feedback consente semplicemente a questi motori di ruotare con alta precisione. Un servomotore è utile per ruotare un oggetto a una certa distanza o angolo. Questo motore è classificato in due tipi di servomotore CA e servomotore CC. Se un servomotore utilizza l'alimentazione CC per funzionare, il motore è chiamato servomotore CC, mentre se funziona con alimentazione CA, è noto come servomotore CA. Questo tutorial fornisce brevi informazioni su Servomotore CC – lavorare con le applicazioni.

Cos'è il servomotore CC?

Un servomotore che utilizza l'ingresso elettrico CC per produrre un'uscita meccanica come posizione, velocità o accelerazione è chiamato servomotore CC Generalmente, questi tipi di motori sono utilizzati come motori primi all'interno di macchine a controllo numerico, computer e molti altri ovunque vengano effettuati avviamenti e arresti preciso e molto rapido.

Costruzione e funzionamento del servomotore CC

Il servomotore DC è costruito con diversi componenti che sono riportati nel seguente schema a blocchi. In questo diagramma, ogni componente e la sua funzione sono discussi di seguito.

Il motore utilizzato in questo è un tipico motore CC compreso il suo avvolgimento di campo che viene eccitato separatamente. Quindi, a seconda della natura dell'eccitazione, ulteriori possono essere classificati come servomotori controllati dall'armatura e controllati dal campo.

Il carico utilizzato in questo è un semplice ventilatore o un carico industriale che è semplicemente collegato all'albero meccanico del motore.

Il cambio in questa costruzione funziona come un trasduttore meccanico per modificare l'uscita del motore come l'accelerazione, la posizione o la velocità a seconda dell'applicazione.

La funzione principale di un sensore di posizione è ottenere il segnale di feedback equivalente alla posizione corrente del carico. Generalmente, questo è un potenziometro utilizzato per fornire una tensione proporzionale all'angolo assoluto dell'albero motore attraverso il meccanismo ad ingranaggi.

La funzione del comparatore consiste nel confrontare l'o/p di un sensore di posizione e un punto di riferimento per produrre il segnale di errore e inviarlo all'amplificatore. Se il motore CC funziona con un controllo preciso, non ci sono errori. Il sensore di posizione, il cambio e il comparatore renderanno il sistema un circuito chiuso.

La funzione dell'amplificatore è quella di amplificare l'errore dal comparatore e alimentarlo al motore CC. Pertanto, funziona come un controller proporzionale ovunque il guadagno sia rafforzato per zero errori di stato stazionario.

Il segnale controllato fornisce l'ingresso a PWM (modulatore di larghezza di impulso) a seconda del segnale di retroazione in modo che modula l'ingresso del motore per un controllo preciso altrimenti zero errore di stato stazionario. Inoltre, questo modulatore di larghezza di impulso utilizza una forma d'onda di riferimento e un comparatore per produrre impulsi.

Realizzando il sistema ad anello chiuso, si ottiene l'accelerazione, la velocità o la posizione esatta. Come suggerisce il nome, il servomotore è un motore controllato che fornisce l'uscita preferita grazie all'effetto di feedback e controller. Il segnale di errore viene semplicemente amplificato e utilizzato per azionare il servomotore. A seconda del segnale di controllo e della natura che produce il modulatore di larghezza di impulso, questi motori hanno metodi di controllo superiori con chip FPGA o processori di segnale digitale.

Il funzionamento del servomotore DC è; ogni volta che il segnale di ingresso viene applicato al motore a corrente continua, ruota l'albero e gli ingranaggi. Quindi, in pratica, la rotazione dell'uscita degli ingranaggi viene ricondotta al sensore di posizione (potenziometro) le cui manopole girano e cambiano la loro resistenza. Ogni volta che la resistenza viene modificata, viene modificata una tensione che è un segnale di errore che viene immesso nel controller e di conseguenza viene generato PWM.

Per saperne di più sui tipi di servomotori DC, fare riferimento a questo link: Diversi tipi di servomotori .

Funzione di trasferimento del servomotore CC

La funzione di trasferimento può essere definita come il rapporto tra la trasformata di Laplace (LT) della variabile o/p e LT ( Trasformata di Laplace ) della variabile i/p. Generalmente, il motore CC cambia l'energia da elettrica a meccanica. L'energia elettrica fornita ai terminali dell'indotto viene trasformata in energia meccanica controllata.

La funzione di trasferimento del servomotore CC controllata dall'indotto è mostrata di seguito.

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

Di seguito è illustrata la funzione di trasferimento del servomotore cc controllato dal campo.

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

Il servomotore cc controllato dall'armatura offre prestazioni superiori grazie al sistema a circuito chiuso rispetto al servomotore cc controllato dal campo che è il sistema a circuito aperto. Inoltre, la velocità di risposta è lenta all'interno del sistema di controllo del campo. Nel caso controllato dall'armatura, l'induttanza dell'armatura è trascurabile, mentre, nel caso del controllo di campo, non è la stessa. Ma, nel controllo Infield, non è possibile ottenere uno smorzamento migliorato, mentre, nel controllo dell'armatura, può essere ottenuto.

Specifiche

Il servomotore CC fornisce specifiche di prestazione che includono quanto segue. Queste specifiche devono essere abbinate in base alle necessità di carico dell'applicazione per dimensionare correttamente un motore.

• La velocità dell'albero definisce semplicemente la velocità alla quale l'albero gira, espressa in RPM (rotazioni al minuto).
• Di solito, la velocità offerta dal produttore è la velocità a vuoto dell'albero a/p o la velocità alla quale la coppia di uscita del motore è zero.
• La tensione terminale è la tensione di progetto del motore che determina la velocità del motore. Questa velocità è semplicemente controllata aumentando o diminuendo la tensione fornita al motore.
• La forza di rotazione come la coppia è generata dall'albero del servomotore a corrente continua. Pertanto, la coppia richiesta per questo motore è semplicemente determinata dalle caratteristiche velocità-coppia dei diversi carichi sperimentati all'interno dell'applicazione target. Queste coppie sono due tipi di coppia iniziale e coppia continua.
• La coppia di avviamento è la coppia richiesta durante l'avvio del servomotore. Questa coppia è normalmente più alta rispetto alla coppia continua.
• La coppia continua è la coppia di uscita che è la capacità del motore in condizioni di funzionamento costante.
• Questi motori devono avere velocità e capacità di coppia sufficienti per l'applicazione, compreso un margine dal 20 al 30% tra le necessità di carico e le valutazioni del motore per garantire l'affidabilità. Quando questi margini superano troppo allora l'efficacia del costo sarà ridotta.I specifiche del servomotore CC coreless a 12 V CC di Faulhaber sono:
• Il rapporto del cambio è 64: l Riduttore epicicloidale a tre stadi.
• La corrente di carico è di 1400 mA di potenza.
• La potenza è di 17W.
• La velocità è di 120 giri/min.
• La corrente a vuoto è 75 mA.
• Il tipo di Encoder è Ottico.
• La risoluzione dell'Encoder è 768CPR di O/P Shaft.
• Il diametro è di 30 mm.
• La lunghezza è di 42 mm.
• La lunghezza totale è di 85 mm.
• Il diametro dell'albero è di 6 mm.
• La lunghezza dell'albero è di 35 mm.
• La coppia di stallo è di 52 kgcm.

Caratteristiche

Il caratteristiche di un servomotore DC include il seguente.

• Il design del servomotore CC è simile a un motore CC a magneti permanenti o a eccitazione separata.
• Il controllo della velocità di questo motore viene eseguito controllando la tensione di armatura.
• Il servomotore è progettato con un'elevata resistenza dell'armatura.
• Fornisce una rapida risposta alla coppia.
• Una variazione di gradino all'interno della tensione di armatura genera una rapida variazione della velocità del motore.

Servomotore AC Vs Servomotore DC

La differenza tra un servomotore CC e un servomotore CA include quanto segue.

Interfacciamento del servomotore CC con Arduino

Per controllare un servomotore DC all'angolo esatto e richiesto, è possibile utilizzare una scheda Arduino/qualsiasi altro microcontrollore. Questa scheda dispone di O/P analogico che genera un segnale PWM per far ruotare il servomotore ad un angolo preciso. Puoi anche spostare la posizione angolare del servomotore con un potenziometro o pulsanti utilizzando un Arduino.

Il servomotore può anche essere controllato con un telecomando IR facilmente disponibile. Questo telecomando è utile per spostare il servomotore cc su un angolo specifico o aumentare o diminuire linearmente l'angolo del motore con un telecomando IR.

Qui discuteremo su come spostare il servomotore usando un telecomando IR usando Arduino ad un angolo specifico e anche aumentando o diminuendo l'angolo del servomotore con il telecomando in senso orario e antiorario. Di seguito è mostrato lo schema di interfacciamento del servomotore DC con Arduino e telecomando IR. Le connessioni di questa interfaccia seguono come;

Questa interfaccia utilizza principalmente tre componenti essenziali come il servomotore CC, la scheda Arduino e il sensore IR TSOP1738. Questo sensore ha tre terminali come Vcc, GND e uscita. Il terminale Vcc di questo sensore è collegato a 5V della scheda Arduino Uno, il terminale GND di questo sensore è collegato al terminale GND della scheda Arduino e il terminale di uscita è collegato al pin 12 (ingresso digitale) della scheda Arduino.

Il pin di uscita digitale 5 è semplicemente collegato al pin di ingresso del segnale del servomotore per azionare il motore
Il pin +ve del servomotore CC viene fornito all'alimentazione esterna a 5 V e il pin GND del servomotore viene fornito al pin GND di Arduino.

Lavorando

Il telecomando IR viene utilizzato per eseguire due azioni 30 gradi, 60 gradi e 90 gradi e anche per aumentare/diminuire l'angolo del motore da 0 a 180 gradi.

Il telecomando contiene molti pulsanti come i pulsanti delle cifre (0-9), i pulsanti per il controllo dell'angolo, i pulsanti dei tasti freccia, i pulsanti su/giù, ecc. angolo esatto e quando si preme il pulsante angolo su/giù, l'angolo del motore può essere impostato esattamente a ±5 gradi.

Una volta decisi i pulsanti, i codici di questi pulsanti devono essere decodificati. Una volta premuto un pulsante qualsiasi dal telecomando, invierà un codice per eseguire l'azione richiesta. Per decodificare questi codici remoti, viene utilizzata la libreria remota IR da Internet.

Carica il seguente programma in Arduino e collega il sensore IR. Ora posiziona il telecomando verso il sensore IR e premi il pulsante. Successivamente, apri il monitor seriale e monitora il codice del pulsante premuto sotto forma di numeri.

Codice Arduino

#include // aggiunge la libreria remota IR
#include // aggiunge la libreria del servomotore
Servizio servizio1;
int IRpin = 12; // pin per il sensore IR
int angolo_motore=0;
IRrecv irrecv(IRpin);
decode_results risultati;
impostazione vuota()
{
Serial.begin(9600); // inizializza la comunicazione seriale
Serial.println(“Servomotore telecomandato IR”); // visualizza il messaggio
irrecv.enableIRIn(); // Avvia il ricevitore
servo1.attacco(5); // dichiara il pin del servomotore
servo1.write(angolo_motore); // sposta il motore a 0 gradi
Serial.println('Angolo servomotore 0 gradi');
ritardo(2000);
}
ciclo vuoto()
{
while(!(irrecv.decode(&risultati))); // attendi fino a quando non viene premuto alcun pulsante
if (irrecv.decode(&results)) // quando si preme il pulsante e si riceve il codice
{
if(results.value==2210) // controlla se il pulsante della cifra 1 è premuto
{
Serial.println('angolo servomotore 30 gradi');
angolo_motore = 30;
servo1.write(angolo_motore); // sposta il motore a 30 gradi
}
else if(results.value==6308) // se viene premuto il pulsante della cifra 2
{
Serial.println('angolo servomotore 60 gradi');
angolo_motore = 60;
servo1.write(angolo_motore); // sposta il motore a 60 gradi
}
else if(results.value==2215) // come saggio per tutti i pulsanti numerici
{
Serial.println('angolo servomotore 90 gradi');
angolo_motore = 90;
servo1.write(angolo_motore);
}
else if(risultati.valore==6312)
{
Serial.println('angolo servomotore 120 gradi');
angolo_motore = 120;
servo1.write(angolo_motore);
}
else if(risultati.valore==2219)
{
Serial.println('angolo servomotore 150 gradi');
angolo_motore = 150;
servo1.write(angolo_motore);
}
else if(results.value==6338) // se viene premuto il pulsante di aumento del volume
{
if(angolo_motore<150) angolo_motore+=5; // aumenta l'angolo del motore
Serial.print(“L'angolo del motore è “);
Serial.println(angolo_motore);
servo1.write(angolo_motore); // e muovi il motore a quell'angolo
}
else if(results.value==6292) // se viene premuto il pulsante di riduzione del volume
{
if(angolo_motore>0) angolo_motore-=5; // diminuisce l'angolo del motore
Serial.print(“L'angolo del motore è “);
Serial.println(angolo_motore);
servo1.write(angolo_motore); // e muovi il motore a quell'angolo
}
ritardo(200); // attendi 0,2 sec
irrecv.resume(); // di nuovo pronto a ricevere il codice successivo
}
}

L'alimentazione al servomotore CC è fornita dai 5 V esterni e l'alimentazione al sensore IR e alla scheda Arduino è fornita da USB. Una volta data potenza al servomotore, si sposta a 0 gradi. Successivamente, il messaggio verrà visualizzato come 'l'angolo del servomotore è 0 gradi' sul monitor seriale.

Ora sul telecomando, una volta premuto il pulsante 1, il servomotore CC si sposterà di 30 gradi. Allo stesso modo, una volta premuti pulsanti come 2, 3, 4 o 5, il motore si sposterà con gli angoli desiderati come 60 gradi, 90 gradi, 120 gradi o 150 gradi. Ora, il monitor seriale visualizzerà la posizione angolare del servomotore come 'angolo servomotore xx gradi'

Una volta premuto il pulsante di aumento del volume, l'angolo del motore verrà aumentato di 5 gradi, il che significa che se è di 60 gradi, si sposterà a 65 gradi. Quindi, la posizione del nuovo angolo verrà visualizzata sul monitor seriale.

Allo stesso modo, una volta premuto il pulsante di riduzione dell'angolo, l'angolo del motore verrà ridotto di 5 gradi, il che significa che, se l'angolo è di 90 gradi, si sposterà a 85 gradi. Il segnale dal telecomando IR viene rilevato dal sensore IR. Per sapere come rileva e come funziona il sensore IR clicca qui

Quindi, la posizione del nuovo angolo verrà visualizzata sul monitor seriale. Pertanto, possiamo facilmente controllare l'angolo del servomotore cc con Arduino e telecomando IR.

Per sapere come interfacciare il motore DC con il microcontrollore 8051 clicca qui

Vantaggi del servomotore CC

Il vantaggi dei servomotori DC include il seguente.

• Il funzionamento del servomotore CC è stabile.
• Questi motori hanno una potenza di uscita molto più elevata rispetto alle dimensioni e al peso del motore.
• Quando questi motori funzionano a velocità elevate, non generano alcun rumore.
• Questo funzionamento del motore è privo di vibrazioni e risonanze.
• Questi tipi di motori hanno un elevato rapporto coppia/inerzia e possono prelevare carichi molto rapidamente.
• Hanno un'alta efficienza.
• Danno risposte rapide.
• Questi sono portatili e leggeri.
• Il funzionamento dei quattro quadranti è possibile.
• Ad alte velocità, questi sono udibilmente silenziosi.

Il svantaggi dei servomotori DC include il seguente.

• Il meccanismo di raffreddamento del servomotore DC è inefficiente. Quindi questo motore si inquina rapidamente una volta ventilato.
• Questo motore genera la massima potenza di uscita a una velocità di coppia più elevata e necessita di ingranaggi regolari.
• Questi motori possono essere danneggiati dal sovraccarico.
• Hanno un design complesso e necessitano di un codificatore.
• Questi motori necessitano di messa a punto per stabilizzare il circuito di feedback.
• Richiede manutenzione.

Applicazioni con servomotore CC

Il applicazioni dei servomotori DC include il seguente.

• I servomotori CC sono utilizzati nelle macchine utensili per il taglio e la formatura del metallo.
• Questi sono utilizzati per il posizionamento dell'antenna, la stampa, l'imballaggio, la lavorazione del legno, i tessuti, la produzione di spago o corda, CMM (macchine di misurazione a coordinate), la movimentazione di materiali, la lucidatura del pavimento, l'apertura di porte, il tavolo X-Y, le attrezzature mediche e la filatura di wafer.
• Questi motori sono utilizzati nei sistemi di controllo degli aeromobili in cui i limiti di spazio e peso richiedono motori per fornire un'elevata potenza per ogni unità di volume.
• Questi sono applicabili dove è necessaria un'elevata coppia di avviamento come azionamenti e ventole per soffianti.
• Questi sono anche utilizzati principalmente per robotica, dispositivi di programmazione, attuatori elettromeccanici, macchine utensili, controllori di processo, ecc.

Quindi, questa è una panoramica del dc servomotore - funzionante con applicazioni. Questi servomotori sono utilizzati in vari settori per fornire la soluzione a molti movimenti meccanici. Le caratteristiche di questi motori li renderanno molto efficienti e potenti. Ecco una domanda per te, cos'è il servomotore AC?