سروو موتور به عنوان موتور الکتریکی تعریف می شود که امکان کنترل دقیق موقعیت زاویه ای یا خطی، سرعت و گشتاور را فراهم می کند. این شامل یک موتور مناسب همراه با یک سنسور برای بازخورد موقعیت و یک کنترل کننده است که حرکت موتور را مطابق با یک نقطه تنظیم دلخواه تنظیم می کند. در این مقاله از وبسایت رایان ، سازنده تابلو برق صنعتی به توضیح تئوری اولیه سروو موتورها، نحوه کارکرد، نحوه کنترل و کاربردهای رایج آنها می پردازیم.

تعریف سروو موتور

سروو موتور Servo motor نوعی موتور الکتریکی است که می تواند بر اساس سیگنال ورودی از یک کنترلر بچرخد یا به یک موقعیت، سرعت یا گشتاور خاص حرکت کند. واژه سروو از کلمه لاتین servus به معنای خدمتکار یا برده گرفته شده است. این نشان دهنده استفاده تاریخی از موتورهای سروو به عنوان درایوهای کمکی است که به سیستم درایو اصلی کمک می کنند.

کاربردهای سروو موتور چیست؟

سروو موتورها به طور گسترده در کاربردهای صنعتی مانند رباتیک، ماشین آلات CNC و تولید خودکار استفاده می شوند، جایی که دقت بالا، پاسخ سریع و حرکت صاف مورد نیاز است. با این حال، سروو موتورهای مدرن قادر به ارائه عملکرد و دقت بالا به عنوان درایوهای اصلی در کاربردهای مختلف هستند.

اجزای اصلی سروو موتور کدامند؟

سروو موتور از سه بخش اصلی تشکیل شده است:

موتور AC یا DC

بسته به منبع تغذیه و نیازهای کاربردی، این می تواند یک موتور DC یا یک موتور AC باشد. موتور نیروی مکانیکی را برای چرخش یا حرکت شفت خروجی فراهم می کند.

سنسور

این می تواند یک پتانسیومتر، یک رمزگذار، یک رزولور یا دستگاه دیگری باشد که موقعیت، سرعت یا گشتاور شفت خروجی را اندازه گیری می کند و سیگنال های بازخوردی را به کنترل کننده ارسال می کند.

کنترلر

این می تواند یک مدار آنالوگ یا دیجیتال باشد که سیگنال های بازخورد سنسور را با سیگنال های نقطه تنظیم مورد نظر از یک منبع خارجی (مانند یک کامپیوتر یا جوی استیک) مقایسه می کند و سیگنال های کنترلی را برای تنظیم ولتاژ یا جریان موتور تولید می کند. کنترلر از یک سیستم بازخورد حلقه بسته برای تنظیم حرکت موتور و اطمینان از مطابقت آن با نقطه تنظیم مورد نظر در یک تلرانس خاص استفاده می کند.

سایر نقش های کنترلر در سروو موتور

این کنترلر همچنین می تواند الگوریتم های کنترلی مختلفی مانند کنترل تناسبی-انتگرال-مشتق (PID)، کنترل منطق فازی، کنترل تطبیقی و غیره را برای بهینه سازی عملکرد سروو موتور پیاده سازی کند.

سروو موتور چطور کار می کند؟

اصل کار یک سروو موتور شامل دریافت دو نوع سیگنال ورودی توسط کنترلر است:

سیگنال نقطه تنظیم

این یک سیگنال آنالوگ یا دیجیتال است که موقعیت، سرعت یا گشتاور مورد نظر شفت خروجی را نشان می دهد.

سیگنال بازخورد

این یک سیگنال آنالوگ یا دیجیتال است که موقعیت، سرعت یا گشتاور واقعی شفت خروجی اندازه‌گیری شده توسط سنسور را نشان می‌دهد. کنترلر این دو سیگنال را با هم مقایسه می کند و یک سیگنال خطا را محاسبه می کند که نشان دهنده تفاوت بین آنهاست. سپس سیگنال خطا توسط یک الگوریتم کنترلی (مانند PID) پردازش می شود که سیگنال کنترلی تولید می کند که تعیین می کند چه مقدار ولتاژ یا جریان باید به موتور اعمال شود.

سیگنال کنترل به یک تقویت کننده قدرت (مانند پل H) ارسال می شود که آن را به یک سطح ولتاژ یا جریان مناسب برای حرکت موتور تبدیل می کند. سپس موتور مطابق با سیگنال کنترل می چرخد یا حرکت می کند و موقعیت، سرعت یا گشتاور خود را تغییر می دهد و سیگنال بازخورد جدیدی را به کنترل کننده ارسال می کند. این فرآیند تا زمانی تکرار می شود که سیگنال خطا صفر یا ناچیز شود، که نشان می دهد شفت خروجی به نقطه تنظیم مورد نظر رسیده است.

انواع سرو موتور کدامند؟

سروو موتورها را می توان بر اساس منبع تغذیه، ساختار، مکانیسم بازخورد و کاربردشان به انواع مختلفی طبقه بندی کرد.

سروو موتورهای AC

سروو موتورهای AC موتورهای الکتریکی هستند که با جریان متناوب (AC) کار می کنند. آنها یک استاتور دارند که یک میدان مغناطیسی دوار ایجاد می کند و یک روتور که میدان را دنبال می کند.

سروو موتورهای AC را می توان به دو نوع سنکرون و آسنکرون تقسیم کرد.

سروو موتورهای AC سنکرون

این ها دارای روتور آهنربای دائمی هستند که با همان سرعت میدان استاتور می چرخد. آنها نسبت به موتورهای ناهمزمان کارآمدتر، دقیق تر و پاسخگوتر هستند، اما به یک کنترلر پیچیده تر و یک سنسور موقعیت نیاز دارند.

سروو موتورهای AC ناهمزمان

این دارای یک روتور زخمی هستند که جریانی را القا می کند و یک میدان مغناطیسی که از میدان استاتور عقب است. آنها نسبت به موتورهای سنکرون ساده‌تر، ارزان‌تر و مقاوم‌تر هستند، اما راندمان، دقت و سرعت کمتری دارند. سروو موتورهای AC برای کاربردهای با قدرت بالا که به سرعت، گشتاور و قابلیت اطمینان بالا نیاز دارند، مناسب هستند. آنها معمولا در ماشین های صنعتی، رباتیک، ماشین های CNC و غیره استفاده می شوند.

سروو موتورهای DC

سروو موتورهای DC موتورهای الکتریکی هستند که با جریان مستقیم (DC) کار می کنند. آنها دارای یک استاتور آهنربای دائمی هستند که یک میدان مغناطیسی ثابت ایجاد می کند و یک روتور زخمی که هنگام اعمال جریان می چرخد.

سروو موتورهای DC را می توان به دو نوع برس دار و بدون جاروبک تقسیم کرد.

سروو موتورهای DC برس دار

دارای یک کموتاتور و برس هایی هستند که جهت جریان را در سیم پیچ های روتور تغییر می دهند. آنها ساده، ارزان و آسان برای کنترل هستند، اما به دلیل اصطکاک و سایش برس ها، کارایی، طول عمر و سرعت کمتری دارند.

سروو موتورهای DC بدون برس

دارای یک کنترل کننده الکترونیکی هستند که جهت جریان را در سیم پیچ های استاتور تغییر می دهد. آنها کارآمدتر، بادوام تر و سریعتر از موتورهای برس خورده هستند، اما به یک کنترلر پیچیده تر و یک سنسور موقعیت نیاز دارند.

سروو موتورهای DC برای کاربردهای کم مصرف که نیاز به دقت بالا، پاسخگویی و حرکت صاف دارند مناسب هستند. آنها معمولا در پروژه های سرگرمی، ماشین های اسباب بازی، پخش کننده های CD/DVD و غیره استفاده می شوند.

سروو موتورهای خطی

سروو موتورهای خطی موتورهای الکتریکی هستند که به جای حرکت چرخشی حرکت خطی ایجاد می کنند. آنها یک قسمت ثابت به نام نیرو یا اولیه دارند که حاوی سیم پیچ یا آهنربا است و یک قسمت متحرک به نام صفحه یا ثانویه که حاوی آهنربا یا هسته های آهنی است.

سروو موتورهای خطی را می توان به دو نوع اصلی تقسیم کرد: هسته آهنی و بدون آهن.

سروو موتورهای خطی هسته آهنی

دارای هسته های آهنی در صفحه هستند که با میدان مغناطیسی نیرو کنش متقابل دارند. آنها چگالی نیرو، سختی و دقت بالایی دارند، اما همچنین دارای نیروی چسبندگی، وزن و تولید حرارت بالایی هستند.

سروو موتورهای خطی بدون آهن

هیچ هسته آهنی در صفحه ندارند و فقط آهنربا دارند. آنها نیروی چسبندگی، وزن و تولید گرما کمی دارند، اما چگالی نیرو، سختی و دقت کمی نیز دارند.

سروو موتورهای خطی برای کاربردهایی که نیاز به سرعت، شتاب و دقت بالا در فواصل طولانی دارند مناسب هستند. آنها معمولاً در ساخت نیمه هادی ها، مترولوژی، برش لیزری و غیره استفاده می شوند.

چگونه سروو موتور را کنترل کنیم؟

کنترل سروو موتور به نوع موتور، مکانیسم بازخورد و الزامات کاربرد بستگی دارد. به طور کلی، دو نوع سیگنال کنترلی وجود دارد که می تواند برای کنترل سروو موتور استفاده شود: آنالوگ و دیجیتال.

سیگنال های کنترل آنالوگ

سیگنال های ولتاژ یا جریان پیوسته هستند که متناسب با نقطه تنظیم مورد نظر تغییر می کنند. آنها معمولاً برای سیستم های سروو ساده یا کم هزینه استفاده می شوند که به دقت یا وضوح بالایی نیاز ندارند. به عنوان مثال، یک پتانسیومتر می تواند برای تولید یک سیگنال کنترل آنالوگ برای سروو موتور سرگرمی استفاده شود.

سیگنال های کنترل دیجیتال

پالس ها یا بیت های گسسته ای هستند که نقطه تنظیم مورد نظر را به صورت کدگذاری شده نشان می دهند. آنها معمولا برای سیستم های سروو پیچیده یا با کارایی بالا که نیاز به دقت، وضوح یا ارتباط بالایی دارند استفاده می شوند. به عنوان مثال، سیگنال مدولاسیون عرض پالس (PWM) می تواند برای تولید یک سیگنال کنترل دیجیتال برای یک موتور سروو DC بدون جاروبک استفاده شود.

کنترل کننده سروو موتور می تواند یک دستگاه خارجی یا یک مدار مجتمع درون موتور باشد. کنترل کننده سیگنال های کنترل را از یک منبع خارجی (مانند یک کامپیوتر یا جوی استیک) دریافت می کند و سیگنال های بازخورد را از سنسور دریافت می کند و سیگنال های کنترلی مناسب را برای حرکت موتور تولید می کند.

الگوریتم های کنترل سروو موتور

این کنترلر همچنین می تواند الگوریتم های کنترلی مختلفی را برای بهینه سازی عملکرد سروو موتور پیاده سازی کند. برخی از الگوریتم های کنترل رایج عبارتند از:

کنترل متناسب-انتگرال-مشتق (PID)

این یک الگوریتم کنترل مبتنی بر بازخورد است که سیگنال کنترل را بر اساس شرایط متناسب، انتگرال و مشتق سیگنال خطا تنظیم می کند. این به طور گسترده برای سیستم های سروو که نیاز به پاسخ سریع و دقیق دارند استفاده می شود.

کنترل منطق فازی

این یک الگوریتم کنترل مبتنی بر قانون است که سیگنال کنترل را بر اساس مجموعه های فازی و متغیرهای زبانی تنظیم می کند. برای سیستم های سروو که با عدم قطعیت یا غیرخطی سر و کار دارند مفید است.

کنترل تطبیقی

این یک الگوریتم کنترل خود تنظیم است که پارامترهای کنترل را بر اساس شرایط متغیر سیستم سروو تنظیم می کند. برای سیستم های سروو که با اختلالات یا تغییرات روبرو هستند مفید است.

سایر کاربردهای سرو موتور 

سروو موتورها کاربردهای گسترده ای در زمینه ها و صنایع مختلف دارند. برخی از کاربردهای رایج عبارتند از:

صنایع رباتیک

سروو موتورها برای ارائه حرکت و نیروی دقیق برای بازوها، پاها، مفاصل، گیره ها و غیره رباتیک استفاده می شوند. آنها ربات ها را قادر می سازند تا کارهایی مانند چیدن، قرار دادن، جوشکاری، مونتاژ و غیره را انجام دهند.

ماشین آلات CNC

سروو موتورها برای به حرکت درآوردن محورهای ماشین های CNC مانند ماشین تراش، آسیاب، روتر و غیره استفاده می شوند و ماشین های CNC را قادر می سازند تا عملیات ماشینکاری دقیق و پیچیده ای مانند برش، سوراخ کاری، حکاکی و غیره را انجام دهند.

ساخت خودکار

سروو موتورها برای کنترل حرکت و موقعیت قطعات و دستگاه های مختلف در سیستم های تولید خودکار مانند نوار نقاله، فیدر، لودر، تخلیه کننده و غیره استفاده می شوند و سیستم های تولید خودکار را قادر می سازند تا به بهره وری و کیفیت بالا دست یابند.

تجهیزات پزشکی

سروو موتورها برای کار با دستگاه ها و ابزارهای پزشکی مختلف مانند ربات های جراحی، اسکنرها، پمپ ها، ونتیلاتورها و غیره استفاده می شوند و تجهیزات پزشکی را قادر می سازند تا عملیات و درمان های دقیق و ایمن را انجام دهند.

خلاصه مقاله

در این مقاله با تعریف، اصل کار، انواع، کنترل و کاربردهای سروو موتور آشنا شدیم. ما دیدیم که سروو موتورها موتورهای الکتریکی هستند که امکان کنترل دقیق موقعیت زاویه ای یا خطی، سرعت و گشتاور را فراهم می کنند. آنها از یک موتور، یک حسگر و یک کنترل کننده تشکیل شده اند که یک سیستم بازخورد حلقه بسته را تشکیل می دهند.

همچنین متوجه شدیم که سروو موتورها را می‌توان بر اساس منبع انرژی، ساختار، مکانیسم بازخورد و کاربردشان به انواع مختلفی طبقه‌بندی کرد. برخی از انواع رایج عبارتند از: سروو موتورهای AC، سروو موتورهای DC و سروو موتورهای خطی.

سروو موتورها را می‌توان با سیگنال‌های آنالوگ یا دیجیتال کنترل کرد که نقطه تنظیم مورد نظر را نشان می‌دهند. این کنترلر همچنین می تواند الگوریتم های کنترلی مختلفی را برای بهینه سازی عملکرد سروو موتور پیاده سازی کند. سروو موتورها در زمینه ها و صنایع مختلف از جمله رباتیک، ماشین آلات CNC، ساخت خودکار، تجهیزات پزشکی و غیره کاربردهای گسترده ای دارند.

امیدواریم این مقاله برای شما آموزنده و مفید بوده باشد. اگر سوال یا نظری دارید، لطفاً آن را با ما در میان بگذارید. با تشکر از شما برای خواندن این مطلب!