Động cơ và ổ đĩa servo

Động cơ servo

Động cơ servo là một loại động cơ có thể đạt được vị trí, tốc độ và điều khiển mô -men xoắn chính xác dựa trên các tín hiệu điều khiển trong các hệ thống điều khiển tự động. Servos cung cấp độ chính xác cao, hiệu suất và sự ổn định, khiến chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng yêu cầu điều khiển chuyển động chính xác. Động cơ servo thường cung cấp thực tế - vị trí thời gian và phản hồi tốc độ thông qua thiết bị phản hồi (như bộ mã hóa hoặc cảm biến), cho phép điều chỉnh kịp thời các tín hiệu điều khiển dựa trên các điều kiện thực tế để duy trì vị trí chính xác của động cơ. Động cơ servo thường được phân loại thành ba loại: động cơ servo DC, động cơ servo AC và động cơ servo servo.

DC servo Motors là một loại động cơ được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động. So với các động cơ DC thông thường, chúng có hệ thống điều khiển vòng lặp - đã đóng, bật thực sự - Điều chỉnh thời gian của các tín hiệu điều khiển dựa trên tín hiệu phản hồi. Động cơ servo DC cung cấp tốc độ và tốc độ phản hồi cao hơn, cũng như đầu ra mô -men xoắn lớn hơn. Tuy nhiên, họ đòi hỏi một nguồn cung cấp năng lượng ổn định hơn.

Động cơ AC servo bao gồm một cuộn dây stato và phần ứng xoay. Các cuộn dây stato thường tạo ra một từ trường, trong khi phần ứng xoay mang tải và quay. Động cơ điện hoạt động bằng cách xoay một cuộn dây trong từ trường. Động cơ AC servo đạt được điều khiển chuyển động hiệu quả và chính xác thông qua các kết hợp khác nhau của từ trường và từ trường. AC servo Motors cung cấp đầu ra tốc độ cao, độ chính xác cao và mô -men xoắn cao, làm cho chúng phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu điều khiển chuyển động hiệu suất-, như robot, thiết bị tự động hóa và công cụ máy CNC. Tuy nhiên, so với DC Motors, động cơ servo AC thường yêu cầu các hệ thống điều khiển phức tạp hơn và thường đắt hơn.

Ổ đĩa servo

Ổ đĩa servo là một thiết bị được sử dụng để điều khiển chuyển động của động cơ servo và là thành phần không thể thiếu của hệ thống servo. Nó thường được sử dụng cùng với động cơ servo để đạt được vị trí, tốc độ và điều khiển lực chính xác. Các ổ đĩa servo thường tích hợp các thuật toán điều khiển khác nhau để điều chỉnh chính xác tốc độ và vị trí của động cơ dựa trên các tín hiệu điều khiển. Họ hỗ trợ phản hồi của bộ mã hóa, cho phép Real - Giám sát thời gian của vị trí và tốc độ của động cơ, đạt được điều khiển vòng lặp - và cải thiện độ chính xác và ổn định kiểm soát. Chúng cũng được trang bị các giao diện giao tiếp khác nhau để giao tiếp với máy tính chủ hoặc các thiết bị khác, cho phép giám sát và điều khiển từ xa. Ổ đĩa servo cũng bao gồm các tính năng bảo vệ khác nhau, chẳng hạn như quá dòng, quá nhiệt, quá điện áp và bảo vệ mất pha, để đảm bảo rằng động cơ và ổ đĩa hoạt động trong phạm vi an toàn. Chức năng chính của ổ đĩa servo là nhận tín hiệu điều khiển và sử dụng các thuật toán điều khiển bên trong, chuyển đổi chúng thành dòng điện để điều khiển động cơ servo, do đó đạt được điều khiển vị trí chính xác.

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ điện tử năng lượng và lý thuyết điều khiển hiện đại, các hệ thống truyền động servo kỹ thuật số hoàn toàn đã trở thành xu hướng. Các ổ đĩa servo cũng đang chuyển sang độ chính xác cao, hiệu suất cao, tích hợp, mô đun hóa, tính phổ quát, mạng và trí thông minh.
 

1) Độ chính xác cao và hiệu suất cao
Thông thường, các ổ đĩa servo thường sử dụng các bộ vi điều khiển tốc độ- cao làm bộ xử lý cốt lõi của chúng để tăng cường tốc độ điện toán và công suất xử lý. Với độ chính xác ngày càng tăng của bộ mã hóa, độ chính xác hiệu suất và kiểm soát của các ổ đĩa servo ở tốc độ thấp đã được cải thiện, khiến chúng trở nên đặc biệt phổ biến trong robot công nghiệp chính xác cao -. Việc giới thiệu các phương pháp và chiến lược điều khiển nâng cao, chẳng hạn như điều khiển phi tuyến tiên tiến và nhận dạng tham số và tự điều chỉnh -, đã tăng cường hơn nữa hiệu suất của các ổ đĩa servo.

2) Tích hợp và mô -đun

Với sự thu nhỏ của robot công nghiệp và sự tiến bộ liên tục của công nghệ bán dẫn, các ổ đĩa và động cơ servo đang hướng tới thu nhỏ, tích hợp và tích hợp. Xu hướng này đã làm tăng đáng kể công suất tính toán của bộ điều khiển servo, với các bộ điều khiển tích hợp, DSP và FPGA tích hợp trở thành chủ đạo.

Tính mô đun liên quan đến việc phân chia các ổ đĩa servo thành các mô -đun dựa trên các chức năng của chúng và kết hợp chúng để đáp ứng nhu cầu cụ thể. Mô -đun đòi hỏi phải phát triển và thiết kế các mô -đun riêng lẻ, sau đó có thể được kết hợp để đáp ứng nhu cầu cụ thể, giảm chi phí thiết kế. Tính mô đun cũng làm tăng tính linh hoạt của hệ thống và tạo điều kiện duy trì các hệ thống truyền động servo.

3) phổ quát hóa
Universalization tích hợp các chức năng khác nhau của ổ đĩa servo, cho phép người dùng điều khiển các chế độ vận hành khác nhau, chẳng hạn như đóng - điều khiển vectơ vòng lặp, điều khiển động cơ và mở - Điều khiển vectơ vòng lặp, mà không thay đổi cấu hình phần cứng, cho phép ứng dụng của nó trong môi trường làm việc khác nhau.

Hiện tại, các ổ đĩa servo phổ quát tương đối đắt tiền và vẫn thiếu ứng dụng tối ưu trong một số ứng dụng nhất định. Do đó, việc thiết kế các ổ đĩa servo chuyên dụng là cần thiết để giảm chi phí và đạt được sự thu nhỏ.

4) Mạng
Với sự tiến bộ liên tục của công nghệ công nghiệp và nhu cầu ngày càng tăng đối với môi trường công nghiệp, các công nghệ truyền thông FieldBus như RS485 và có thể, thường được đặc trưng bởi thực tế kém - giao tiếp thời gian và tốc độ giao tiếp thấp, ngày càng không thể đáp ứng nhu cầu sản xuất công nghiệp hiện đại. Do đó, các công nghệ xe buýt Ethernet công nghiệp, chẳng hạn như ETERCAT, đang bắt đầu được áp dụng trong máy chủ - các hệ thống điều khiển. Các công nghệ xe buýt Ethernet công nghiệp có thể đáp ứng các yêu cầu kiểm soát thời gian thực sự- và được sử dụng rộng rãi trong ngành kiểm soát công nghiệp.

5) Trí thông minh
Trong lĩnh vực robot công nghiệp, trí thông minh hiện đang là một xu hướng chính trong việc phát triển các ổ đĩa servo. Thông qua các chiến lược kiểm soát thông minh, các ổ đĩa servo sở hữu các tính năng trí tuệ nhân tạo như tự - và tự - học tập. Trí thông minh của servo thúc đẩy đơn giản hóa và giảm đáng kể thời gian gỡ lỗi cho robot công nghiệp. Nó cũng làm giảm đáng kể các yêu cầu kỹ thuật cho nhân viên gỡ lỗi, do đó giảm chi phí hoạt động.

Thiết kế phần cứng trình điều khiển

Là nhà sản xuất trình điều khiển servo hàng đầu, các sản phẩm của Tonghang chủ yếu bao gồm các thành phần phần cứng bao gồm chip điều khiển, mạch trình điều khiển, mạch cung cấp điện, mạch phát hiện điện áp, mạch lấy mẫu hiện tại, mạch giao diện giao tiếp và mạch giao diện mã hóa. Các mạch này cho phép các chức năng khác nhau của trình điều khiển servo và đảm bảo hoạt động hệ thống ổn định và đáng tin cậy. Do đó, trong nghiên cứu phần cứng trình điều khiển servo, việc phân tích và tích hợp từng mạch là rất quan trọng.

1. Lựa chọn chip

Mạch điều khiển phần cứng đóng một vai trò quan trọng trong ổ đĩa servo. Nó chịu trách nhiệm chính trong việc lấy mẫu tín hiệu tương tự, đếm các xung mã hóa động cơ và xuất các dạng sóng PWM để điều khiển mạch biến tần thông qua thuật toán điều khiển, do đó đạt được điều khiển chính xác động cơ servo.

Là thành phần cốt lõi của bộ điều khiển ổ đĩa servo, mạch điều khiển đáp ứng nhiều chức năng:
1) Phản hồi nhanh: Mạch điều khiển phải có khả năng phản hồi nhanh chóng với các tín hiệu phản hồi cảm biến và hướng dẫn thuật toán điều khiển để đạt được điều khiển động cơ nhanh và chính xác.
2) Độ tin cậy cao: Mạch điều khiển phải trải qua thiết kế và thử nghiệm nghiêm ngặt để đảm bảo hoạt động ổn định và đáng tin cậy, bảo vệ sự an toàn và ổn định của toàn bộ hệ thống.
3) Cao - Điện toán tốc độ: Việc triển khai thuật toán điều khiển yêu cầu một lượng lớn xử lý dữ liệu tốc độ cao-, do đó chip mạch điều khiển phải có khả năng xử lý hiệu suất và tính toán tốc độ cao-.
4) Cao - Điều khiển chính xác: Để đạt được điều khiển động cơ chính xác cao -}, mạch điều khiển yêu cầu cao - khả năng xử lý dữ liệu chính xác Vì vậy, để phát hiện và xử lý các tình huống bất thường kịp thời và bảo vệ hoạt động bình thường của động cơ và hệ thống. Do đó, đối với việc lựa chọn chip của mạch điều khiển, cần phải xem xét đầy đủ các yêu cầu trên để đảm bảo rằng mạch điều khiển có thể đạt được điều khiển chính xác, chính xác và hiệu quả của động cơ servo và đảm bảo hoạt động ổn định của toàn bộ hệ thống.

2. Mạch ổ đĩa đầu ra

Mạch ổ đĩa đầu ra của Servo Drive là một thành phần chính chuyển đổi tín hiệu điều khiển thành chuyển động động cơ. Nó bao gồm ba - pha Half - Mạch ổ đĩa cầu bao gồm sáu n - Transitor kênh MOS. Mạch ổ đĩa đầu ra cũng bao gồm một mạch phản hồi hiện tại, chia dòng đầu ra thành hai đường dẫn và truyền chúng đến một mạch lấy mẫu hiện tại khác biệt. Mạch này sau đó cung cấp lại cho hệ thống điều khiển, hoàn thành việc đóng - điều khiển vòng lặp.

3. Mạch lấy mẫu hiện tại khác biệt

Mạch lấy mẫu hiện tại khác biệt thường được sử dụng để đo và thu được các thay đổi trong tín hiệu dòng điện động cơ servo. Mạch này là rất quan trọng cho việc kiểm soát và bảo vệ các ổ đĩa servo. Các tín hiệu hiện tại pha động cơ được đo bằng mạch lấy mẫu dòng vi sai là các tham số đầu vào chính cần thiết để điều khiển động cơ và phản ánh trực tiếp tải trạng thái và trạng thái vận hành của động cơ. Các ổ đĩa servo sử dụng các hệ thống điều khiển vòng lặp- để đạt được sự điều khiển chính xác của chuyển động động cơ servo. Mạch lấy mẫu dòng vi sai cung cấp tín hiệu phản hồi, được sử dụng để điều chỉnh dòng điện đầu ra của động cơ để đạt được các đặc điểm và vị trí chuyển động mong muốn. Sơ đồ mạch lấy mẫu vi sai được hiển thị trong hình. Sau đây là quy trình lấy mẫu hiện tại khác biệt.

Đầu tiên, cảm biến hiện tại chuyển đổi dòng pha của động cơ thành tín hiệu hiện tại. Các tín hiệu hiện tại đại diện cho dòng điện được động cơ tiêu thụ trong quá trình hoạt động. Tiếp theo, một mạch lấy mẫu dòng vi sai phân tách tín hiệu hiện tại thành hai đường dẫn và thực hiện phép đo khác biệt giữa hai đường dẫn để thu được sự khác biệt giữa các tín hiệu hiện tại. Tín hiệu khác biệt này sau đó được xử lý bởi một bộ khuếch đại hoạt động. Bộ khuếch đại hoạt động trong mạch lấy mẫu dòng vi sai khuếch đại tín hiệu vi sai, chuyển đổi dòng điện thành điện áp và cải thiện biên độ tín hiệu và độ ổn định. Cuối cùng, tín hiệu được xử lý đóng vai trò là đầu vào cho hệ thống điều khiển phản hồi. Bằng cách so sánh tín hiệu phản hồi với giá trị đã đặt, hệ thống điều khiển điều chỉnh đầu ra động cơ để đạt được trạng thái chuyển động mong muốn.

4. Mạch cung cấp điện mã hóa

Bộ mã hóa của động cơ servo yêu cầu nguồn điện riêng biệt. Để đảm bảo hoạt động đúng và phản hồi vị trí chính xác, nó phải được cung cấp với nguồn điện thích hợp. Bộ mã hóa động cơ servo được chọn bởi Tonghang sử dụng nguồn điện 5V, do đó, mạch cung cấp nguồn mã hóa phải từ chức nguồn điện đến để đảm bảo hoạt động ổn định và đáng tin cậy và tín hiệu phản hồi vị trí chính xác.

Mạch cung cấp nguồn mã hóa được hiển thị trong hình. Sau khi kết nối với nguồn điện DC 24V bên ngoài, công suất đầu vào trước tiên đi qua nhiều tụ điện song song. Các tụ điện này làm giảm nhiễu và gợn trong nguồn điện đầu vào và ổn định điện áp. Một dc - dc bước - Down Down Chip sau đó thực hiện bước đầu tiên - xuống, giảm điện áp nguồn xuống 8V. Điện áp 8V kết quả có hai điểm đến: thứ nhất, nó được sử dụng làm nguồn cung cấp cho mạch trình điều khiển đầu ra; Thứ hai, sau khi lọc và ổn định điện áp thông qua nhiều tụ điện song song, bộ điều chỉnh sẽ ổn định điện áp 8V đầu vào thành +5 v điện áp đầu ra. Chip điều chỉnh tuyến tính sử dụng mạch bên trong để ổn định điện áp đầu vào với điện áp đầu ra được chỉ định. Bộ điều chỉnh này xuất ra điện áp +5 v cố định.

5. Mạch giao diện mạng

Mạch giao diện mạng là một mạch giao diện Ethernet kết nối máy tính hoặc thiết bị mạng, mang chức năng giao tiếp giữa nô lệ và chủ. Giao tiếp giữa nô lệ và chủ yêu cầu cáp mạng bên ngoài. Tuy nhiên, mặc dù bộ điều khiển nô lệ có giao diện PHY, nhưng nó không thể được kết nối trực tiếp với giao diện cáp mạng. Do đó, một giao diện cáp mạng bổ sung được yêu cầu để kết nối cáp mạng để liên lạc với Master.

Các cổng Ethernet loạt Tongghang thường được thiết kế cho việc truyền và xử lý tín hiệu tần số cao -, cung cấp hiệu suất và độ ổn định cao. Cổng được xây dựng - trong biến áp mạng từ tính giúp tăng cường truyền tín hiệu và độ ổn định trong quá trình truyền dữ liệu, ngăn chặn nhiễu bên ngoài và nhiễu điện tiếp cận thiết bị. Được xây dựng - trong các tụ điện và điện trở cũng lọc và cô lập các tín hiệu, cải thiện hơn nữa sự ổn định tín hiệu và điện trở nhiễu.

6. Mạch giao diện mã hóa

Bộ mã hóa là một thành phần chính trong hệ thống servo, cung cấp phản hồi vị trí và tốc độ. Bộ mã hóa đầu ra tín hiệu xung đại diện cho xoay động cơ. Mạch giao diện bộ mã hóa diễn giải các tín hiệu xung này và chuyển đổi chúng thành thông tin như vị trí và tốc độ thực tế của động cơ. Mạch giao diện bộ mã hóa cũng cung cấp cho bộ mã hóa công suất 5V, được chuyển xuống bởi mạch cung cấp năng lượng bộ mã hóa, đảm bảo nguồn cung cấp năng lượng ổn định trong quá trình hoạt động.

Bộ mã hóa của động cơ servo là một bộ mã hóa gia tăng. Bộ mã hóa này tạo ra các tín hiệu xung để chỉ ra những thay đổi về vị trí. Các tín hiệu xung này bao gồm các pha A, B và Z. Các pha A và B được sử dụng để đo vị trí và hướng, trong khi pha Z thường được sử dụng để xác định một điểm tham chiếu hoặc vị trí bằng không.

7. USB - đến - mạch nối tiếp

USB - đến - Mạch nối tiếp cho phép giao tiếp giữa ổ đĩa servo và máy tính. Là thành phần cốt lõi của toàn bộ mạch, nó chuyển đổi dữ liệu nhận được từ giao diện USB thành định dạng nối tiếp và gửi dữ liệu nối tiếp đến ổ đĩa servo và ngược lại. USB - đến - mạch nối tiếp được hiển thị trong hình.

8. Mạch giao diện phanh

Mạch giao diện phanh điều khiển hành động phanh của động cơ servo, cho phép nó dừng nhanh chóng và chính xác. Mạch giao diện phanh nhận tín hiệu điều khiển phanh hoặc tín hiệu giải phóng phanh và chuyển chúng thành tín hiệu điều khiển thích hợp để kích hoạt hoặc hủy kích hoạt hành động phanh của ổ đĩa servo. Mạch giao diện phanh được hiển thị trong hình. Bộ khuếch đại vận hành (OP AMP) trong hình là một thành phần chính của mạch giao diện phanh. Khi các tín hiệu nhiễu vào tín hiệu phanh, OP amp, kết hợp với mạch lọc, lọc tín hiệu đầu vào, loại bỏ nhiễu và giữ lại phần hợp lệ của tín hiệu phanh. OP amp cũng thực hiện nhiều chức năng, bao gồm khuếch đại tín hiệu, so sánh và điều hòa.

9. Mạch phát hiện điện áp nguồn điện

Mạch phát hiện điện áp cung cấp năng lượng theo dõi mức điện áp nguồn điện để đảm bảo nó vẫn ổn định trong phạm vi vận hành được chỉ định. Bằng cách giám sát điện áp cung cấp điện trong thời gian thực, mạch phát hiện điện áp nguồn giúp cải thiện độ tin cậy và độ tin cậy của hệ thống. Hình 13 cho thấy mạch phát hiện điện áp nguồn. Sau khi phân chia điện áp, điện áp trên 22q được lấy mẫu thông qua cổng lấy mẫu ADC. Phần mềm sau đó tính toán xem điện áp thực tế có đáp ứng điện áp cần thiết hay không. Chỉ khi giá trị điện áp là bình thường, ổ đĩa servo mới hoạt động bình thường.

10. Mạch LED và mạch chuyển mạch

Một mạch chuyển mạch được thêm vào để xác minh chức năng đầu vào IO của nô lệ, trong khi mạch LED xác minh chức năng đầu ra IO của nó. Như được hiển thị trong hình, mạch công tắc được kết nối với điện áp 3,3V. Một điện trở được thêm vào mạch để loại bỏ rung động cơ học. Trong thiết kế mạch LED được hiển thị trong hình, một đầu của đèn LED được kết nối với GND và đầu kia có thể được chiếu sáng bằng cách chỉ xuất một mức cao từ chân vi xử lý. Đèn LED hoạt động ở mức 1.2V và một bước - Mạch xuống được sử dụng để bước xuống điện áp 3,3V. Bước - Mạch xuống được hiển thị trong Hình 15. Bước 3.3V - Mạch xuống, được thiết kế bằng chip điều chỉnh điện áp AMS117, tạo ra điện áp 1.2V cho mạch LED.

11. Mạch đo nhiệt độ

Giá trị nhiệt độ được lấy mẫu và xử lý bằng cảm biến nhiệt độ NTC (hệ số nhiệt độ âm), được kết nối với ADC. NTC là một nhiệt điện nhiệt hệ số nhiệt độ âm có điện trở giảm khi nhiệt độ tăng. Do điện trở của NTC thay đổi theo cấp số nhân theo nhiệt độ, nhiệt độ có thể được suy ra bằng cách đo điện trở. Khi dòng điện đi qua cảm biến nhiệt độ NTC, nó sẽ tạo ra một lượng nhiệt nhất định. Nếu nhiệt này không thể bị tiêu tan theo thời gian, nhiệt độ của cảm biến nhiệt độ NTC sẽ tăng lên, khiến khả năng điện trở của nó giảm. Trong trường hợp này, dòng điện sẽ tăng đáng kể, khiến nhiệt độ của cảm biến nhiệt độ NTC tăng hơn nữa, hình thành một chu kỳ luẩn quẩn mà cuối cùng có thể dẫn đến quá nóng cảm biến nhiệt độ NTC, thậm chí khiến nó bị đốt cháy hoặc bắt lửa.

12. Thực hiện phần cứng

Thực hiện phần cứng chủ yếu liên quan đến ổ đĩa servo. Một sơ đồ của ổ đĩa servo được hiển thị trong hình.

Tonghang đã tiến hành một thiết kế chi tiết về phần cứng Drive Drive và hoàn thành việc triển khai phần cứng. Ông đã thực hiện trong nghiên cứu độ sâu - trên từng mô -đun, bao gồm vi điều khiển, bộ điều khiển nô lệ, mạch ổ đĩa, mạch lấy mẫu dòng vi sai, mạch giao diện bộ mã hóa và mạch giao diện cáp mạng. Ông cũng chứng minh bảng mạch thực tế.