سروو موتورها برای مدت طولانی در صنعت بوده اند و در کاربردهای مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند. سروو موتورها کنترل پیشرفته و دقیقی بر حرکت ارائه می دهند. استفاده از سروو موتور مناسب انعطاف پذیری، سرعت و دقت بالایی را فراهم می کند. اگرچه این درایوها کوچک هستند، اما کارایی بالایی دارند.
اگر می خواهید از یک سروو موتور در شرکت خود استفاده کنید، باید نحوه عملکرد آنها را بدانید. به این ترتیب، می توانید ایده آل ترین مورد را برای برنامه خاص خود انتخاب کنید. انتخاب نوع نادرست سروو باعث کاهش دقت و عملکرد می شود.
سروو موتور چیست؟
سروو موتورها (servo motors) نوعی موتور الکتریکی (محرک چرخشی) هستند که امکان کنترل دقیق موقعیت، سرعت و شتاب را فراهم می کنند. آنها از یک سیستم حلقه بسته استفاده می کنند، به این معنی که یک دستگاه بازخورد (مانند یک انکودر) وجود دارد که با کنترلی مانند کنترل ماشین CNC ارتباط برقرار می کند.
برای به حرکت درآوردن این موتورها از مغناطیس کنترل شده توسط الکتریسیته استفاده می شود. تعداد قطب های مغناطیسی بر ویژگی های موتور به طور کلی تأثیر می گذارد: هرچه تعداد قطب ها کمتر باشد سریع تر می تواند بچرخد، اما گشتاور قابل دسترسی کمتر خواهد بود و بالعکس. سروو موتورها از جریان AC یا DC استفاده می کنند. در AC، سرعت با فرکانس ولتاژ تعیین می شود، در حالی که سرعت به طور مستقیم با ولتاژ DC متناسب است. موتورهای برس خورده از مواد رسانا در داخل اسلاید سیلندر در برابر کموتاتور هنگام چرخش استفاده می کنند. موتورهای براشلس منحصراً از برق استفاده می کنند. سروو موتورها همچنین می توانند شفت توپر یا توخالی باشند.
آنها در طیف گسترده ای از کاربردها از ماشین آلات صنعتی گرفته تا مکانیسم های روزمره در ساختمان ها یا دستگاه ها استفاده می شوند. این تنوع درک نحوه انتخاب یک سروو موتور و درک عواملی که باید در هنگام انجام این کار در نظر گرفته شود را مهم می کند.
چه زمانی باید از سروو موتور استفاده کرد؟
بهترین استفاده از سروو موتورها در طراحی و ساخت ربات است. برخی از کاربردهایی که از سروو استفاده می کنند عبارتند از تسمه نقاله و درب بازکن اتوماتیک.
درایوهای سروو (Servo drives) می توانند موقعیت سطوح را در صنعت تولید کنترل کنند. در صنایع دارویی و غذایی، سرووها به مقاومت در برابر محیط های خشن کمک می کنند. کاربردهای سرووها بی پایان هستند.
انواع سروو موتور
سروو درایوها دو نوع اصلی دارند: سروو موتورهای خطی (linear) و چرخشی (rotary).
سرو موتور روتاری (چرخشی)
اکثر افراد وقتی به درایوهای سروو فکر می کنند، بیشتر سروو چرخشی را یاد می کنند. انواع مختلفی از سروو موتورهای دوار (Rotary Servo Motor) وجود دارد:
- آهنرباهای دائمی
- سروو موتورهای AC
- سروو موتور DC براش
- سروو موتور پله ای
- سروو موتور DC بدون جاروبک
- سروو موتور Synchronous
قابل ذکر است که سروو موتورهای چرخشی از رزوه های پیچ برای تغییر حرکت خود به حرکت خطی استفاده می کنند.
سروو موتور خطی
rotor سروو درایو خطی در داخل است، در حالی که سیم پیچ ها در خارج هستند. کاهش قیمت در سروو موتورهای خطی (Linear Servo Motor) منجر به افزایش استفاده از سرووهای خطی شده است.
قطعات سروو موتور
بخش های اصلی سروو موتور به شرح زیر است:
- محفظه سروو موتور
این محفظه آلومینیومی با پوشش 1 اینچی است که قسمت های داخلی سروو موتور را احاطه کرده است تا از موتور در برابر ذرات خارجی محافظت کند. محفظه موتور برای جداسازی و مونتاژ سریع و آسان طراحی شده است.
- شفت موتور
این موتور شبیه به محرک اصلی عمل می کند، در حالی که گیربکس یا تسمه و سیستم قرقره ای که به آن متصل است می تواند از این انرژی برای افزایش گشتاور موتور و در عین حال کاهش سرعت موتور استفاده کند. موتور به طور کلی از فولاد نورد سرد یا گرم ساخته شده است.
- بلبرینگ
بلبرینگ ها می توانند دقت بالا و لرزش بسیار کم را به موتور ارائه دهند. نتیجه یک عملیات بسیار روان و خنک است. عمر بلبرینگ با استفاده از گریس ها و روش های جدید برای کاهش فرسودگی بهبود می یابد.
- روتور
روتور معمولاً به شفت موتور متصل می شود و بین دو یاتاقان قرار می گیرد. روتور قسمت متحرک سروو موتور است. با ولتاژ داده شده، روتور موتور در جهت مورد نیاز می چرخد تا خطا به صفر برسد.
- استاتور
این بخش ثابت سروو موتور است. عملکرد استاتور ایجاد یک میدان مغناطیسی دوار برای تولید گشتاور موثر است. معمولاً از 12 بخش سیم پیچی که به صورت جداگانه پیچیده شده اند تشکیل شده است که توسط یک سیم مسی واحد به هم متصل شده اند.
- ترمز
هنگامی که دستگاه خاموش است یا E-stop فعال می شود، از ترمز برای نگه داشتن وسایل استفاده می شود، فقط از چند قسمت تشکیل شده است. به خاطر داشته باشید که فنر با اعمال ولتاژ رها می شود، بنابراین هنگام رها کردن ترمزها باید مراقب باشید زیرا موتور سقوط می کند.
- حلقه Snap
استفاده از حلقه ضربه گیر آسیب به موتور را به حداقل می رساند و در عین حال موقعیت شفت را پس از ضربه مستقیم یا حرکت نیروی ناخواسته حفظ می کند. بدون آن، شفت می تواند به راحتی به داخل محفظه برگردد.
- حلقه O
یک حلقه O بین دو قسمت قرار می گیرد تا یک عایق ایجاد کند تا از ورود مایع جلوگیری کند. رینگ های O از پلیمرهای پلاستیکی ساخته شده اند و سروو موتورها از چندین حلقه اورینگ تشکیل شده اند.
- نگهدارنده بلبرینگ
نگهدارنده یاتاقان یک صفحه دستی است که در نزدیکی انتهای قرقره قرار دارد و از لیز خوردن یاتاقان از جای خود جلوگیری می کند.
- انکودر
انکودر یک دستگاه الکترومکانیکی است که برای انتقال سرعت و جهت موتور به درایو استفاده می شود. این به اپراتور اجازه می دهد تا پارامترهای خاصی را در صورت نیاز مشاهده و تنظیم کند. اینها وزن سبکی دارند و کاملا جمع و جور هستند.
چگونه می توان بهترین سروو موتور را انتخاب کرد؟
برای یافتن بهترین مدل سروو باید عناصر مختلفی را در نظر بگیرید. به عنوان مثال، ممکن است هنگام حرکت یک ربات در مقایسه با اندازه کوچک مورد نیاز برای اجرای یک اسباب بازی، به یک سروو با اندازه استاندارد نیاز داشته باشید.
سه عامل اصلی در انتخاب سروو موتور
فرآیند محاسبه و انتخاب یک سروو موتور برای یک برنامه یا سیستم اغلب به عنوان سایزینگ (sizing) شناخته می شود. Sizing به این دلیل حائز اهمیت است که مهم ترین فرمول ها، روابط بین سرعت و گشتاور و نوع کاربرد اساساً تعیین می کند که موتور چقدر باید بزرگ و چگالی نیروی نسبی آن چقدر باشد. برای محاسبه این موارد، فاکتورهای کاربردی مانند وزن محموله، مسافت و سرعت چرخه، و میزان استراحت/خنک کردن بین حرکات باید تعیین شوند. این به عنوان چرخه وظیفه نیز شناخته می شود.
هنگامی که کاربرد مشخص شد، شناسایی حداکثر گشتاور، گشتاور پیوسته و سرعت مورد نیاز موتور به طور حیاتی مشخص می کند که کدام موتور مناسب است. هنگام انتخاب سروو موتور، گشتاور و سرعت دست به دست هم می دهند. منحنی‌های گشتاور ابزاری هستند که برای نشان دادن این رابطه استفاده می‌شوند و نشان می‌دهند که چه زمانی گشتاور و سرعت نسبی را می‌توان به طور همزمان حفظ کرد، چه به‌طور پیوسته یا متناوب.
دو عبارت مفید دیگر برای دانستن گشتاور در موتورهای سروو و منحنی گشتاور عبارتند از: گشتاور نامی و سرعت نامی. گشتاور نامی حداکثر گشتاوری است که یک موتور می تواند به طور پیوسته تولید کند – روی خط تقسیم کننده مناطق پیوسته و متناوب – و سرعت نامی حداکثر سرعتی است که گشتاور نامی در دسترس است.
گشتاور پیوسته
گشتاور پیوسته که به عنوان گشتاور میانگین مربعات ریشه (RMS) نیز شناخته می شود، میانگین وزنی گشتاور در طول یک چرخه کامل است. این باید در ناحیه پیوسته منحنی گشتاور بیفتد تا بتواند سرعت مورد نیاز را حفظ کند.
حداکثر گشتاور
گشتاور پیک ، بیشترین گشتاور مورد نیاز در هر نقطه در طول چرخه است. در حالت ایده‌آل، حداکثر گشتاور در ناحیه متناوب منحنی گشتاور است، زیرا آنقدرها پایدار نیست. اگر اوج گشتاور مورد نیاز برنامه در ناحیه پیوسته موتور بیفتد، احتمالاً بزرگتر است.
سرعت
به همان اندازه که وزن بار هنگام انتخاب یک سروو موتور مهم است، دانستن سرعت مورد نیاز است، معمولاً بر حسب دور در دقیقه. به طور کلی، هرچه سرعت چرخش یک موتور معین بیشتر باشد، گشتاور ممکن کمتر است. قبلاً به قطبها اشاره کردیم. تعداد قطب های کم به دلیل عوامل مختلف از جمله EMF برگشتی منجر به سرعت بالا و گشتاور کم می شود.
هرچه چرخه به محدودیت‌های موتور نزدیکتر باشد، داغ‌تر می‌شود. موتوری باید انتخاب شود که بیش از حد گرم نشود، اما همچنین آنقدر بزرگ نباشد که مقرون به صرفه نباشد. هنگامی که این روابط مشخص شد، عوامل مهم دیگر، اما کمتر حیاتی، می توانند ایجاد شوند.
سایر عوامل کلیدی در انتخاب سروو موتور مناسب
در حالی که شناسایی سرعت و گشتاور مورد نیاز ما را به سمت شناسایی سروو موتور مناسب هدایت می کند، عوامل و گزینه های دیگری بسته به محیط و کاربرد وجود دارد که باید در نظر بگیریم.
نسبت دنده (Gear ratio)
همه سروو موتورها دنده ندارند، اما بسیاری از آنها دنده دارند. با ظهور موتورهای درایو مستقیم، موتورهای دنده ای اولیه تر در نظر گرفته می شوند، اما می توان از آنها برای تقویت قابلیت های گشتاور یک موتور با تعداد قطب پایین استفاده کرد. در یک سیستم چرخ دنده، سروو موتور یک چرخ دنده راننده را می چرخاند که چرخ دنده دیگری را که نزدیکتر به محموله متصل است می چرخاند. (در یک سروو موتور می تواند بیش از یک جفت دنده وجود داشته باشد.) نسبت تعداد دندانه های بین جفت دنده ها، نسبت دنده را فرموله می کند. هنگامی که این مورد برقرار شد، از معادله گشتاور استاندارد برای محاسبه گشتاور واقعی موتور استفاده می شود.
اینرسی (Inertia)
هنگامی که با چرخش سروکار داریم، شکل و جرم محموله زمانی که موتور و بار شتاب می‌گیرند یا جهت را تغییر می‌دهند، اینرسی ایجاد می‌کنند. موتور اینرسی خاص خود را در روتور دارد که در مقایسه با بار محموله اغلب ناچیز است و همینطور بار نیز وجود دارد که با هر اصطکاک در حرکت مانند قرقره ها یا میزها افزایش می یابد. اینرسی را می توان زمانی استفاده کرد که مقدار گشتاور شناخته شده ای وجود نداشته باشد، زیرا جرم معادله F=ma هنگام برخورد با چرخش است.
دقت (Accuracy)
دقت موتور درایو مستقیم از نظر مکانیکی محدود نیست، به این معنی که موتور به همان دقتی که از بازخورد استفاده می‌کند کار می‌کند. گفته می‌شود، رمزگذار معمولاً بیشتر بر اساس آنچه که در ساختار مکانیکی کلی جا می‌گیرد و نه بر اساس عملکرد موتور انتخاب می‌شود.
عوامل محیطی (Environment factors)
عوامل محیطی بر انتخاب کلی تأثیر می گذارد زیرا اگر محیط با دمای اتاق استاندارد متفاوت باشد، عملکرد موتور تغییر می کند. به عنوان مثال، هر چه دمای محیط بالاتر باشد، گشتاور پیوسته کمتری ممکن است. در شرایطی که دمای محیط بالا و/یا گشتاور مداوم مورد نیاز است، خنک کننده مایع گزینه خوبی است، اما باید از تماس مستقیم با مکانیک و اتصال موتور اجتناب شود.
سایر عوامل محیطی شامل آلودگی و لرزش است که می تواند در مکان هایی مانند کارخانه های کاغذ، سکوهای نفتی یا کارخانه های فولاد رایج باشد. موتورهای تخصصی، درجه بندی شده، آب بندی و یکپارچه سازی به طور خاص برای این کاربردها ساخته شده اند.
راندمان (Efficiency)
راندمان یک سروو موتور صرفاً به میزان جریان مورد نیاز برای دستیابی به مقدار گشتاور ثابت است. این به عنوان ثابت گشتاور (Kt) نامیده می شود و می توان آن را در برگه های اطلاعات موتور یافت.
سیم پیچ ها به روش های مختلف سیم پیچی سیم پیچ ها نسبت به یکدیگر (به صورت سری یا موازی) اشاره دارد و گزینه های مختلف سیم پیچ معاوضه های زیر را به همراه دارد: سیم پیچ هایی با راندمان جریان بیشتر دارای قابلیت سرعت کمتری هستند، در حالی که سیم پیچ هایی با قابلیت سرعت بالاتر دارای قابلیت های کمتری هستند. بازده فعلی هنگامی که سرعت مورد نیاز مشخص شد، سیم پیچ بر اساس انتخاب کارآمدتر در حالی که هنوز به سرعت های مورد نیاز می رسد، خواهد بود.
چرخ دنده ها
چرخ دنده های فلزی دوام سروو را بسیار بهبود می بخشد. سرووهای دنده فلزی برای اکثر انواع خودروهای RC توصیه می شود. برای ماشین‌های کوچک و سبک یا سایر مصارف کم ضربه، می‌توانید سروو دنده پلاستیکی را انتخاب کنید. برای صرفه جویی در چرخ دنده ها، چه پلاستیکی یا فلزی، توصیه می شود از محافظ سروو استفاده کنید. هنگام خرید یک سروو با کیفیت، در صورت نیاز به تعویض دنده، مجموعه دنده های جداگانه در دسترس هستند.
قاب یا کیس سروو
برخی از سرووها دارای قاب کامل پلاستیکی هستند، در حالی که برخی دیگر از ترکیب پلاستیک و آلومینیوم یا کیس کامل آلومینیومی استفاده می کنند. آلومینیوم برای بهبود اتلاف گرما استفاده می شود، اما بدیهی است که وزن کمی را روی یک کیس پلاستیکی اضافه می کند. یک قاب سروو آلومینیومی کامل انعطاف‌پذیری را برای یک قطار دنده پایدارتر و نقاط نصب سروو حذف می‌کند، که می‌تواند به ویژه برای وسایل نقلیه سنگین‌تر مفید باشد. باز هم، هنگام خرید سروو ولو کنترل فشار با کیفیت، در صورت نیاز به تعویض آن، کیس های سروو جداگانه در دسترس هستند.
موتور
سرووهای مختلف با انواع مختلفی از موتورهای الکتریکی عرضه می شوند که رایج ترین آنها عبارتند از: DC، بدون هسته و بدون جاروبک. موتورهای DC یا کم‌هزینه‌ترین و مناسب‌ترین موتورها برای کاربردهای کمتر. موتورهای بدون هسته قدرت و قابلیت اطمینان بهتری را ارائه می دهند و جهت را با سرعت و دقت بیشتری تغییر می دهند. موتورهای براشلس قدرت نهایی، گشتاور سریع‌تر، پاسخ سریع‌تر، راندمان بیشتر و طولانی‌ترین دوام را تولید می‌کنند.
ضدآب
در حالی که بیشتر سرووها به خوبی محافظت می شوند، فقط سرووهای ضد آب ویژه هستند که واقعاً برای زنده ماندن حتی در زیر آب ساخته شده اند. اگر قصد استفاده از سروو موتور در شرایط مرطوب و یا در خطوط تولید مواد غذایی را دارید، سروو ضد آب بهترین انتخاب برای شما است.
شفت خروجی
سازندگان مختلف از شفت‌های خروجی سروو متفاوتی استفاده می‌کنند که شفت خروجی اسپلاین 23T، 24T یا 25T در اکثر سرووهای اندازه کوچک و استاندارد استفاده می‌شود. برخی از سرووهای مقیاس بزرگ از یک محور خروجی بزرگتر استفاده می کنند، درست مانند برخی از سرووهای کوچک که از شفت خروجی کوچکتر استفاده می نمایند.
مزایای سروو موتور
سروو موتورها در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار می گیرند و دارای مزایای زیر هستند:
- بازدهی بالا
- توان خروجی بالا نسبت به اندازه آنها
- گشتاور ثابت بیشتر در سرعت بالاتر
- کنترل حلقه بسته
- عملکرد بی صدا
- بسیار قابل اعتماد
- نسبت بالای گشتاور به اینرسی
- شتاب بالا
- عملکرد با سرعت بالا
- کنترل گشتاور
- عملکرد روان
- دقت بالا
- در اندازه کوچک
- به خوبی برای برنامه های سنگین مختلف مناسب است
کاربرد های سروو موتور
سروو موتورها را می توان در کاربردهای مختلف استفاده کرد. مزایای ذکر شده در بالا به این معنی است که سروو موتورها بیشتر در کاربردهای صنعتی برای جایگزینی موتورهای AC معمولی و موتورهای پله ای و همچنین سیستم های هیدرولیک و پنوماتیک استفاده می شوند. کاربردهای زیادی وجود دارد که موتورهای سروو مزیت دارند. در زیر فقط چند نمونه آورده شده است:
- ماشین ابزارهایی که در آنها دقت بالایی لازم است.
- کاربردهای رباتیک که در آن دقت، قدرت و سرعت بالا مورد نیاز است و وزن و اندازه کم یک مزیت است.
- سیستم های انتقال و جابجایی که در آنها سرعت و دقت و همچنین گشتاور بالا مورد نیاز است.
- سیستم های تعیین موقعیت آنتن معمولاً به گشتاور بالا و دقت بسیار بالایی نیاز دارند.
- برنامه های شبیه سازی که در آنها سرعت، گشتاور و صافی مهم هستند.
- کاربردهای انرژی تجدید پذیر که در آن به کارایی و کارایی نیاز است.
- دستگاه چاپ که در آن دقت، سرعت و قابلیت اطمینان و همچنین هزینه کم مزیت محسوب می شود.
سرو موتورها به دلیل طراحی بدون جاروبک (brushless) خود دارای مزایایی در کاربردهای سخت و پیچیده می باشند مانند:
- غذا و نوشیدنی که در آن موتورها باید با آب و نوسانات دما مقابله کنند.
- کاربردهای دفاعی که در آن بارهای شوک بالا و محدوده دما دیده می شوند، در حالی که عملکرد بی نقص مورد نیاز است.
- کاربرد زیر دریا و نفت و گاز که در آن فشارها و دماهای بالا و همچنین الزامات ضد انفجار دیده می شود.
جمع بندی
انتخاب سروو موتور مناسب با درک کاربرد، تعیین ویژگی های حرکت، نحوه حرکت و سرعت آن شروع می شود. از آنجا، سرعت و گشتاور مورد نیاز کلیدی را می توان تعیین کرد که به طور قابل توجهی موتورها را برای انتخاب محدود می کند. عوامل دیگری مانند محیط، کارایی، دقت و دنده باید در نظر گرفته شوند. البته، ترتیب و اولویت هر یک از این موارد می تواند بسته به کاربرد متفاوت باشد.
خلاصه
- سروو موتورها نوعی موتور الکتریکی هستند که امکان کنترل دقیق را فراهم می کنند و از یک سیستم حلقه بسته با دستگاه های بازخورد استفاده می کنند.
- انتخاب مناسب به درک نیازهای بار و شرایط محیطی از جمله گشتاور، سرعت، راندمان و نوع سیم پیچ بستگی دارد.
- عوامل محیطی مانند آلودگی، دما و ارتعاش نیز باید در انتخاب در نظر گرفته شوند.
- سروو موتورها در طیف گسترده ای از کاربردها از ماشین آلات صنعتی گرفته تا مکانیزم های روزمره استفاده می شوند.
