Под сервоприводом чаще всего понимают механизм с электромотором, который можно попросить повернуться в заданный угол и удерживать это положение. Однако, это не совсем полное определение.
Если сказать полнее, сервопривод — это привод с управлением через отрицательную обратную связь, позволяющую точно управлять параметрами движения. Сервоприводом является любой тип механического привода, имеющий в составе датчик (положения, скорости, усилия и т.п.) и блок управления приводом, автоматически поддерживающий необходимые параметры на датчике и устройстве согласно заданному внешнему значению.
Иными словами:
- Сервопривод получает на вход значение управляющего параметра. Например, угол поворота.
- Блок управления сравнивает это значение со значением на своём датчике.
- На основе результата сравнения привод производит некоторое действие: например, поворот, ускорение или замедление так, чтобы значение с внутреннего датчика стало как можно ближе к значению внешнего управляющего параметра.
Наиболее распространены сервоприводы, которые удерживают заданный угол, и сервоприводы, поддерживающие заданную скорость вращения.
Сервопривод состоит из следующих компонентов: Мотор-редуктор, силовой драйвер, энкодер, зажим для энкодера, микроконтроллер.
Привод — электромотор с редуктором. Чтобы преобразовать электричество в механический поворот, необходим электромотор. Однако зачастую скорость вращения мотора бывает слишком большой для практического использования. Для понижения скорости используется редуктор: механизм из шестерней, передающий и преобразующий крутящий момент.
Включая и выключая электромотор, можно вращать выходной вал — конечную шестерню сервопривода, к которой можно прикрепить нечто, чем мы хотим управлять. Однако, для того чтобы положение контролировалось устройством, необходим датчик обратной связи — энкодер, который будет преобразовывать угол поворота обратно в электрический сигнал. Для этого часто используется потенциометр. При повороте бегунка потенциометра происходит изменение его сопротивления, пропорциональное углу поворота. Таким образом, с его помощью можно установить текущее положение механизма.
Кроме электромотора, редуктора и потенциометра в сервоприводе имеется электронная начинка, которая отвечает за приём внешнего параметра, считывание значений с потенциометра, их сравнение и включение/выключение мотора. Она-то и отвечает за поддержание отрицательной обратной связи.
К сервоприводу тянется три провода. Два из них отвечают за питание мотора, третий доставляет управляющий сигнал, который используется для выставления положения устройства.
В качестве мотор-редуктора в нашем самодельном серве используется обычный мотор от электростеклоподъёмников. Опробованы и российские и китайские модели. Подходят все, имеющие стандартное крепление.
Хотя скорее подходят все имеющие возможность всверлиться в выходую ось вращения для установки энкодера.
Силовой драйвер - самая сложная и напряженная часть сервопривода.
Драйвер был трижды полностью переработан. В первой версии сервопривода использовался драйвер на Н-мосте биполярных транзисторов (кт827 и кт825).
Этот драйвер работал, но очень короткий срок (менее минуты). Далее наступал перегрев. Для более слабых моторов пойдет, но для мощных стеклоподъемников нет. Применения теплоотводов было невозможно, т.к. это значительно увеличивало массогабариты. А это один из основных параметров. Масса и размеры сервопривода должны быть минимальны. Во второй версии была попытка использовать Н-мост на силовых полевых транзисторах (irp9140n и irfz44n) .. Драйвер не заработал совсем, несмотря на все усилия. Причина была в слишком низком напряжении на выходе микроконтроллера управления.
Требовалось увеличить напряжения до 12 в, с сохранением возможности ШИМ. В третей версии драйвера были устранены все недостатки предыдущих моделей драйвера. Драйвер в этой модели представляет собой два Н-моста , внутренний мост на полевых транзисторах и внешний мост на биполярных. . Нагрев транзисторов во время испытания был минимален и поэтому теплоотвод был уже не нужен. Внешний мост увеличивал напряжения до необходимого, а внутренний нужен был для силового управления мотором. Схема для удобства была разделена на две части.
Энкодер представляет собой обычный переменный резистор на 5ком.Особых требований к нему нет. Единственное условие кроме сопротивление является то ,чтобы выходной вал бегунка был 6 мм в диаметре. Он всверливается в выходную шестеренку мотора и позволяет определить текущий угол.
Микроконтроллер представляет собой электронную начинку от маломощных китайских микросервоприводов. Если просто — берем самую дешевую серву и выдираем оттуда мелкую плату. Это и есть мозги и контролер нашей сервы.
Аналог данной системы подобного размера у нас создать пока не получилось. Электроника питается от 5в. и выдает ШИМ сигнал того же уровня. ШИМ идет на драйвер. Микроконтроллер относительно надежен, дешев и точен, что позволяет использовать именно такой вариант, а не разрабатывать свой с нуля.
Выходы этого контролера, те что шли на мотор, надо подключить к входам H моста. А выходу моста уже к мотор-редуктору.
Такая конструкция сервопривода показала себя очень хорошо и будет дальше улучшаться и использоваться . По итогу мы имеем серву с огромным моментом силы и по цене 300-400р.
