Сервомеханизмы: Принцип работы и области применения.

Введение

Автоматическое устройство

В механической и управленческой технике сервомеханизм (также называемый сервосистемой или просто серво) — это система управления положением и его производными по времени, такими как скорость, механической системы. Он часто включает в себя сервомотор и использует управление с обратной связью для уменьшения установившейся ошибки и улучшения динамических характеристик. В управлении с обратной связью используется отрицательная обратная связь для коррекции действия механизма, основанная на обнаружении отклонений. В приложениях с управлением перемещением он обычно включает встроенный энкодер или другой механизм обратной связи по положению, чтобы гарантировать достижение требуемого результата. Следование заданному пути движения называется сервоуправлением, где "серво" используется как глагол. Префикс "servo" происходит от латинского слова servus, означающего "слуга". Например, управление электростеклоподъемниками автомобиля не является сервомеханизмом, так как отсутствует автоматическая обратная связь, контролирующая положение — оператор осуществляет контроль визуально. В отличие от этого, круиз-контроль автомобиля использует обратную связь с замкнутым контуром, что классифицирует его как сервомеханизм.

Контроль положения

Общий тип сервопривода обеспечивает управление положением. Сервоприводы обычно бывают электрическими, гидравлическими или пневматическими. Они работают по принципу отрицательной обратной связи, при котором управляющий сигнал сравнивается с фактическим положением механической системы, измеряемым датчиком на выходе. Любое расхождение между фактическим и заданным значениями (сигнал рассогласования) усиливается (и преобразуется) и используется для приведения системы в движение в направлении, необходимом для уменьшения или устранения рассогласования. Эта процедура является одним из распространенных применений теории управления. Типичные сервоприводы могут обеспечивать поворотный (угловой) или линейный выход.

Контроль скорости

Контроль скорости с помощью регулятора – это еще один тип сервомеханизма. Паровая машина использует механические регуляторы; другое раннее применение – регулирование скорости водяных колёс. Перед Второй мировой войной был разработан винт с постоянной скоростью для управления скоростью двигателя при маневрировании самолётов. Системы управления подачей топлива для газотурбинных двигателей используют либо гидромеханическое, либо электронное регулирование.

Другие

Позиционирующие сервомеханизмы впервые использовались в системах управления огнем военной техники и оборудовании морской навигации. Сегодня сервомеханизмы применяются в автоматических станках, антеннах слежения за спутниками, самолетах с дистанционным управлением, автоматических навигационных системах на судах и самолетах, а также в системах управления зенитным оружием. Другие примеры включают системы управления "электронной тягой" в самолетах, использующие сервоприводы для управления рулевыми поверхностями, и радиоуправляемые модели, использующие RC-сервоприводы для тех же целей. Многие камеры с автофокусировкой также используют сервомеханизм для точного перемещения объектива. Жесткий диск оснащен магнитной сервосистемой с точностью позиционирования менее микрометра. В промышленных машинах сервоприводы используются для выполнения сложных движений в широком спектре применений.

Сервомотор

Сервомотор – это специфический тип двигателя, который объединяется с роторным энкодером или потенциометром для формирования сервомеханизма. Эта сборка, в свою очередь, может быть частью другого сервомеханизма. Потенциометр обеспечивает простой аналоговый сигнал для индикации положения, в то время как энкодер обеспечивает обратную связь по положению и, как правило, скорости, что с помощью ПИД-регулятора позволяет более точно контролировать положение и, таким образом, быстрее достигать стабильного положения (при заданной мощности двигателя). Потенциометры подвержены дрейфу при изменении температуры, в то время как энкодеры более стабильны и точны. Сервомоторы используются как в высокопроизводительных, так и в малобюджетных приложениях. К высокопроизводительным относятся прецизионные промышленные компоненты, использующие роторный энкодер. К малобюджетным – недорогие сервоприводы радиоуправления (RC-сервоприводы), применяемые в моделях с радиоуправлением, которые используют свободно вращающийся двигатель и простой датчик положения на основе потенциометра со встроенным контроллером. Термин "сервомотор" обычно относится к высококлассным промышленным компонентам, в то время как термин "сервопривод" чаще всего используется для описания недорогих устройств, использующих потенциометр. Шаговые двигатели не считаются сервомоторами, хотя они также используются для создания более крупных сервомеханизмов. Шаговые двигатели имеют встроенное угловое позиционирование благодаря своей конструкции, и это обычно используется в разомкнутом контуре без обратной связи. Они обычно применяются в задачах средней точности. RC-сервоприводы используются для привода различных механических систем, таких как рулевое управление автомобиля, управляющие поверхности самолета или руль лодки. Благодаря своей доступности, надежности и простоте управления микропроцессорами, они часто используются в маломасштабных робототехнических приложениях. Стандартный RC-приемник (или микроконтроллер) посылает сигналы широтно-импульсной модуляции (ШИМ) на сервопривод. Электроника внутри сервопривода преобразует ширину импульса в положение. Когда сервоприводу поступает команда на вращение, двигатель работает до тех пор, пока потенциометр не достигнет значения, соответствующего заданному положению.

A servomotor is a specific type of motor that is combined with a rotary encoder or a potentiometer to form a servomechanism. This assembly may in turn form part of another servomechanism. A potentiometer provides a simple analog signal to indicate position, while an encoder provides position and usually speed feedback, which by the use of a PID controller allow more precise control of position and thus faster achievement of a stable position (for a given motor power). Potentiometers are subject to drift when the temperature changes whereas encoders are more stable and accurate. Servomotors are used for both high end and low end applications. On the high end are precision industrial components that use a rotary encoder. On the low end are inexpensive radio control servos (RC servos) used in radio controlled models which use a free running motor and a simple potentiometer position sensor with an embedded controller. The term servomotor generally refers to a high end industrial component while the term servo is most often used to describe the inexpensive devices that employ a potentiometer. Stepper motors are not considered to be servomotors, although they too are used to construct larger servomechanisms. Stepper motors have inherent angular positioning, owing to their construction, and this is generally used in an open loop manner without feedback. They are generally used for medium precision applications. RC servos are used to provide actuation for various mechanical systems such as the steering of a car, the control surfaces on a plane, or the rudder of a boat. Due to their affordability, reliability, and simplicity of control by microprocessors, they are often used in small scale robotics applications. A standard RC receiver (or a microcontroller) sends pulse width modulation (PWM) signals to the servo. The electronics inside the servo translate the width of the pulse into a position. When the servo is commanded to rotate, the motor is powered until the potentiometer reaches the value corresponding to the commanded position.

История

Губернатор паровой машины Джеймса Уатта обычно считается первой системой обратной связи с приводом. Ветряной флюгер является более ранним примером автоматического управления, но поскольку в нем отсутствует усилитель или коэффициент усиления, он обычно не рассматривается как сервомеханизм. Первым устройством управления положением с обратной связью был судовой рулевой привод, использовавшийся для управления рулем больших кораблей в зависимости от положения штурвала. Джон Макфарлейн Грей был пионером в этой области. Его запатентованная конструкция применялась на SS Great Eastern в 1866 году. Джозеф Фарко также может претендовать на равную заслугу в разработке концепции обратной связи, имея несколько патентов в период с 1862 по 1868 год. Телемотор был изобретен около 1872 года Эндрю Беттсом Брауном, что позволило значительно упростить сложные механизмы между рубкой управления и двигателем. Паровые рулевые приводы обладали характеристиками современного сервомеханизма: входным сигналом, выходным сигналом, сигналом ошибки и средством усиления сигнала ошибки, используемым для отрицательной обратной связи, чтобы свести ошибку к нулю. Механизм обратной подачи Ragonnet представлял собой сервоусилитель общего назначения, работающий на воздухе или паре для линейного движения, запатентованный в 1909 году. Электрические сервомеханизмы использовались еще в 1888 году в телеавтографе Элиши Грея. Электрические сервомеханизмы требуют усилителя мощности. Во время Второй мировой войны были разработаны электрические сервомеханизмы управления стрельбой, в которых в качестве усилителя мощности использовался амплидин. Вакуумные ламповые усилители применялись в ленточном накопителе UNISERVO для компьютера UNIVAC I. Королевский флот начал экспериментировать с дистанционным управлением питанием (RPC) на HMS Champion в 1928 году и начал использовать RPC для управления прожекторами в начале 1930-х годов. Во время Второй мировой войны RPC использовался для управления орудийными установками и директорами стрельбы. Современные сервомеханизмы используют усилители мощности на твердой основе, обычно построенные на базе MOSFET или тиристоров. В небольших сервоприводах могут использоваться силовые транзисторы. Считается, что происхождение слова восходит к французскому "Le Servomoteur" или "slave motor", впервые использованному Дж. Дж. Л. Фарко в 1868 году для описания гидравлических и паровых двигателей, предназначенных для управления судами. Самый простой тип сервопривода использует управление типа "включено-выключено". Более сложные системы управления используют пропорциональное управление, ПИД-регулирование и управление в пространстве состояний, которые изучаются в современной теории управления.

James Watt's steam engine governor is generally considered the first powered feedback system. The windmill fantail is an earlier example of automatic control, but since it does not have an amplifier or gain, it is not usually considered a servomechanism. The first feedback position control device was the ship steering engine, used to position the rudder of large ships based on the position of the ship's wheel. John McFarlane Gray was a pioneer. His patented design was used on the SS Great Eastern in 1866. Joseph Farcot may deserve equal credit for the feedback concept, with several patents between 1862 and 1868. The telemotor was invented around 1872 by Andrew Betts Brown, allowing elaborate mechanisms between the control room and the engine to be greatly simplified. Steam steering engines had the characteristics of a modern servomechanism: an input, an output, an error signal, and a means for amplifying the error signal used for negative feedback to drive the error towards zero. The Ragonnet power reverse mechanism was a general purpose air or steam powered servo amplifier for linear motion patented in 1909. Electrical servomechanisms were used as early as 1888 in Elisha Gray's Telautograph. Electrical servomechanisms require a power amplifier. World War II saw the development of electrical fire control servomechanisms, using an amplidyne as the power amplifier. Vacuum tube amplifiers were used in the UNISERVO tape drive for the UNIVAC I computer. The Royal Navy began experimenting with Remote Power Control (RPC) on HMS Champion in 1928 and began using RPC to control searchlights in the early 1930s. During WW2 RPC was used to control gun mounts and gun directors. Modern servomechanisms use solid state power amplifiers, usually built from MOSFET or thyristor devices. Small servos may use power transistors. The origin of the word is believed to come from the French "Le Servomoteur" or the slavemotor, first used by J. J. L. Farcot in 1868 to describe hydraulic and steam engines for use in ship steering. The simplest kind of servos use bang–bang control. More complex control systems use proportional control, PID control, and state space control, which are studied in modern control theory.