سروو موتور و نحوه عملکرد آن

سرو موتورها یا موتورهای کنترل در سیستم های کنترل فیدبک مورد استفاده  قرار می گیرند.

پاسخ سرعت آنها بالاست و در رادارها ، ربات های انسانی و کامپیوتر کاربرد دارند.

دسته بندی

این موتورها به طور کلی به دو دسته تقسیم می شوند.

    سرو موتورهای AC

    سرو موتورهای DC

که در زیر به شرح آنها می پردازیم.

اصول کار سرو موتورهای DC شبیه موتورهای DC معمولی می باشد و توسط ولتاژ آرمیچر کنترل می شوند 

و منحنی گشتاور سرعت این موتور خطی بوده و شیب منفی زیادی دارد.

در توان های پایینتر از سرو موتورهای AC استفاده می شود و منحنی آنها غیر خطی است. سرو موتور AC که در موتورهای کنترل مورد استفاده اند.

از نوع موتورهای القایی دو فاز با روتور قفس سنجابی و استاتور این موتور از دو سیم پیچ مرجع و کنترل فاز ایجاد شده است.

کاربرد

کاربرد سرو موتور AC در سیستم های کنترل می باشد و دارای تحلیل تابع تبدیل و نمودار جعبه ای است 

و معادله حرکت سرو موتور متصل به بار مکانیکی از روابطی که قید شده اثبات می گردد

 و معادله پاسخ زمانی برای تغییرات پله ای ولتاژ در یک سیستم کنترل حلقه باز اثبات شده است.

ماشین های الکتریکی مخصوص یا Special Machines اعم از AC یا DC عمدتا برای تبدیل انرژی پیوسته مورد استفاده قرار می گیرند.

اما در برخی از کاربرد های خاص به تبدیل انرژی پیوسته نیازی نیست، برای مثال حرکت بازوهای رباتیک انسانی را می توان نام برد.

در این کاربرد هدف تغییر مکان بازو از وضعیتی خاص به وضعیتی دیگر است. 

در کاربردهایی که تبدیل انرژی پیوسته مد نظر نباشد از ماشین های مخصوص

 که عمدتا در حالت های مختلف مورد نظر (رباتیک) قابل بهره برداری می باشند.

اصول مربوط به این ماشین ها شبیه ماشین های الکتریکی عادی است، 

اما نحوه ساخت – طراحی و بهره برداری از آنها با ماشین های الکتریکی عادی فرق دارد.

سرو موتورها:

سرو موتور که گاهی به نام موتور کنترل از آنها یاد می شود طوری طراحی و ساخته می شود 

که بتوان از آنها در سیستم های کنترل فیدبک استفاده نمود.

توان اسمی این موتورها بین چند دهم وات تا چند صد وات می باشد. 

پاسخ سرعت این موتورها بسیار زیاد است لذا اینرسی آنها باید کم باشد.

در نتیجه قطر این ماشین ها کم ولی طول آنها نسبتا زیاد است.

 از این موتورها در سیستم های رادار- ربات، انسانی – کامپیوتر و ماشین افزار استفاده می شود.

انواع سرو موتورها:

سرو موتورها به طور کلی به دو دسته سرو موتورهای DC و سرو موتورهای AC تقسیم می شوند:

سرو موتورهای DC:

سرو موتورهای DC در حقیقت یک موتور با تحریک جداگانه یا موتور DC با قطب هایی از آهنربای دائم است.

اصول اصلی عملکرد این موتورها شبیه موتورهای DC معمولی است. سرو موتورهای DC عمدتا توسط ولتاژ آرمیچر کنترل می شوند.

آرمیچر در این موتورها طوری طراحی می شود که دارای مقاومت زیاد باشد. 

لذا مشخصه های گشتاور سرعت این موتورها خطی بوده و شیب منفی نسبتا زیادی دارند.

در ماشین های DC ، نیروی محرکه مغناطیسی (mmf) آرمیچر و mmf مدار تحریک متعامدند 

لذا تغییرات پله ای در ولتاژ آرمیچر باعث می گردد در سرعت روتور تغییر سریع حاصل شود.

سرو موتورهای AC:

توان اسمی سرو موتورهای DC از چند وات تا چند صد وات می باشد. 

در حقیقت موتورهای با توان اسمی بالا از نوع DC هستند، امروزه در توان های کم از سرو موتور های AC استفاده می شود.

سرو موتورهای AC چون اینرسی آنها کم است باید متذکر شد که سرو موتورهای AC غیر خطی هستند 

و مشخصه گشتاور سرعت آنها به خوبی سرو موتورهای DC نمی باشد.

 همچنین گشتاور سرو موتورهای AC از گشتاور سرو موتورهای DC با توان اسمی یکسان ، کمتر است.

 سرو موتورهای AC که در سیستم های کنترل مورد استفاده اند، از نوع موتور القایی دو فاز با روتور قفس سنجابی می باشند.

 در این موتورها استاتور حاوی دو سیم پیچ است که در طول محیط استاتور درون شیارها توزیع و گسترده شده اند. 

این دو سیم پیچی به صورت زیر تشریح می شوند.

    سیم پیچی اول که به سیم پیچی مرجع یا فاز ثابت معروف است و به منبع ولتاژ ثابت متصل می باشد.

    سیم پیچی دوم که به سیم پیچی کنترل فاز موسوم است به منبع ولتاژ متغییر va متصل می شود.

محورهای مغناطیسی دو سیم پیچ فوق بر هم عمودند.

ولتاژ سیم پیچ کنترل فاز Va توسط خروجی یک تقویت کننده مهیا شده و به موتور اعمال می شود.

جهت چرخش موتور به اختلاف فاز Vm و Va بستگی دارد و پس فاز یا پیش فاز بودن Va نسبت به Vm جهت چرخش موتور را عوض می کند.

در شرایط دو فاز متعادل

در این صورت مشخصه گشتاور سرعت موتور شبیه موتورهای القایی سه فاز بوده و در مواقعی که مقاومت روتور کم است 

این مشخصه غیر خطی شده و اگر مقاومت روتور زیاد شود مشخصه گشتاور سرعت در محدوده وسیعی از تغییرات سرعت تقریبا خطی می شود.

در سرو موتورهای AC برای ساختن قسمت دوار روتور از یک هادی غیر مغناطیسی فنجانی شکل نازک استفاده می شود.

 از آنجایی که این هادی نازک است مقاومت روتور به شدت افزایش می یابد و لذا گشتاور راه انداز مناسبی حادث می شود. 

در این موتورها روتور حاوی یک هسته آهنی ثابت در وسط قسمت فنجانی شکل می باشد.

سروو موتور چیست؟

مقدمه

سروموتور به انگلیسی: Servomotor یا موتور کنترل به انگلیسی: Control motor  نوعی از موتورهای الکتریکی است 

که با هدف بکارگیری در سیستم‌های کنترل فیدبک طراحی می‌شود.

لختی (اینرسی) در این موتورها پایین بوده و در نتیجه تغییر سرعت در این موتورها بسیار سریع است.

 معمولا قطر این موتورها کم اما درازای آنها زیاد می‌باشد

سرو موتور یک دستگاه کوچکی است که یک محور (shaft) خروجی دارد. 

این محور قادر است تا در یک موقعیت و زاویه ای خاص با ارسال سیگنال رمزی قرار گیرد.

در واقع چگونگی حرکت وموقعیت های زاویه ای این محور خروجی

 توسط دسته ای از سیگنالهای رمزی که برای سیم کنترل آن تعریف می شودکنترل می شود.

برای طول مدت زمانیکه یک سیگنال فعال بوده و یک پالس برروی خط ورودی آن قرار دارد

 این محور خروجی در موقعیت خاص زاویه ای که مختص آن سیگنال است قرار می گیرد

 و با تغییر سیگنال رمزی موقعیت زاویه ای تغییر می کند.

در عمل سرو موتورها در صنایع رباتیک وتولیدات صنعتی 

مانند موتورهای کنترل کننده هواپیماها کنترل موقعیت سطوح ( مانند آسانسورها و … ) و… کاربرد وسیعی دارند .

سرووموتور صنعتی

در کاربردهای مـدرن ، واژه سرو یا مکانیــسم سرو به یک سیستم کنـترلی فیدبک که متغیر کنترل شونده ،

 موقعیت یا مشتق موقعیت مکانیکی به عنوان سرعت و شتاب است، محدود می شود.

یک سیستم کنترلی فیدبک ، سیـستم کنـترلی است که به نگهـداشتن یک رابطه مفروض بین یک کمیت کنـترل شده 

و یک کمیـت مرجع ، با مقایسه توابع آنها و اسـتفاده از اختلاف به عنوان وسیله کنترل منجر می شود.

سیستم کنـترلی فیدبک الکتریکی ، عموما برای کار به انرژی الکتـریکی تکیه می کند . 

مشخصات

مشخصـات مهمی که معمولا برای چنین کنترلی مورد نیاز است ، عبارتند از :

1- پاسخ سریع

2- دقت بالا

۳-  کنترل بدون مراقبت

۴-  کارکرد از راه دور .

نیاز های چنین کنترلی عبارتست از :

۱-  وسیله آشکار سازی خطا

۲-  تقویت کننده

۳-  وسیله تصحیح خطا

هر عنـصر هدف ویژه ای در هماهنگ کردن کمیت مرجع با کمیت کنترل شده ایفا می کند .

 وسیله آشکـــارسازی خـطا هنــگامی که کمیـت تنظیم شده متفاوت از کمیت مرجع است ، خطا را آشکار می کند.

سپـس یک سیگنـال خطا به تقویت کنـنده ای که قــدرت وسیله تصـحیح خطا را فراهم می کند می فرسـتد . 

با این تـوان وسیـله تصـحیح خطا ، کمـیت کـنترل شـده را آنـچنـــان تغییر می دهد که با ورودی مرجع هماهنگ گردد .

به موتورهـایی که به سرعـت به سیگنال خطا پاسخ می دهنـد و سریعا به بار شتاب می دهنـد سرو موتور گفته می شود .

 نسبت گشتاور به اینرسی (T/J) یک جنبه بسیار مهم یک سرو مـوتور است ، زیرا موتور با این فاکتور شتاب می گیرد .

مشخصات اصلی که در هر سرو موتور دیده می شود عبارتست از :

۱-  گشتاور خروجی موتور باید متناسب با ولتاژ بکار گرفته شده آن باشد .

۲- جهت گشتاور سرو موتور باید به پلاریته لحظه ای ولتاژ کنترل بستگی داشته باشد .

سرو موتور به دو دسته کلی سرو موتورهای AC و سرو موتورهای DCتقسیم می گردد .

سرو موتورهای AC عموما به سرو موتورهای DCترجیح داده می شوند ، 

بجز برای استفاده در سیستمهای با قدرت خیلی بالا، سرو موتورهایAC به دلیل اینکه 

نسبت به سرو موتورهای DCدارای بازده بیـشتری هستنـد ترجیـح داده می شونــد .

اگــر چه تلفـات تـوان نگــرانی اصـلی در سرومکانیسمها نیستند ، یک موتور پربازده از تلفات بیش از اندازه توان جلوگیری می کند .

سرو موتورهای DC :

در بین سرو موتورهای DC مختلف ، موتورهای سـری ، موتورهای سری چــاکدار ، موتور کنترل موازی ، و موتور موازی مغناطیس دائم ( تحریک ثابت ) قرار دارند .

این واحدها توان خروجی بالایی نسبت به اندازه آنها تحویل می دهند و در مورد موتــور موازی با تحریک کنترل شده ، توان کنترلی کمی مورد نیاز است .

موتور سری دارای گشتــاور راه اندازی بالایی است و جریان زیادی می کشد و تنظیم سرعت کمی دارد . 

کارکرد معکوس می تـواند با معکـوس کــردن پلاریتـه ولتاژ میدان با سیم پیچ میدان سری ( یعنی یک سیم پیچ برای هرجهت چرخش ) به دست آید .

 مــــورد اخیـــر بازده موتور را کاهش می دهد .

موتور سری چاکدار می تواند به عنوان یک موتور تحریک مستقل با میدان کنترل شده به کار گرفته شود .

 آرمیچر باید از یک منبع جریان ثابت تغذیه شود .

یک منحنی گشتاور سرعت نوعی ، گشتاور ایستای بالا و کاهش سریع گشتاور با افزایش سرعت را نشان می دهد . 

این امر میرایی خوب و خطای سرعت بالا را نتیجه می دهد .

نوع موازی سروموتور DC از سایر موتورهای موازی برای کارکرد عمــومی متفاوت نیست . 

این موتور دو سیم پیچی مجزا – سیم پیچی میدان که روی استاتور قرار داده شده و سیم پیچی آرمیچر که روی روتور قرار داده شده است .

هر دو سیم پیچی به یک منبع تغذیه DC متصل شده اند . 

در یک موتور DC موازی معـمولی ، دو سیم پیچی به صورت موازی به تغذیه DC اصلی متصل شده اند .

 اما در یک کارکرد سرو ، سیم پیچی ها با منابع DC جداگانه ای تغذیه می شوند ،

جهـت چرخـش موتـور اگر پلاریـته میـدان معـکوس شود عکس می شود.

آرمیچر موتور با سیگنال تقویت شده خطا ومیدان از یک منبع جریان ثابت تغذیه می شوند .

میدان این موتور عموما بالاتر از زانوی مشخصه اشباع کار میکند

 ( جهت حفظ گشتاور با حساسیت کمتر نسبت به تغییرات جزیی در جریان میدان ) .

چگـالی شـار میـدان

همـچنین چگـالی شـار میـدان بالا ، حســاسیت گشتـاور موتـور را افزایـش می دهد ،

 زیـــرا برای تغییـرات کوچـک در جـریان آرمیچر، گشتاور با حاصلضرب جریان در شار متناسب است .

پاسخ دینامیکی درموتور نوع کنترل شده میدان سریعتر است ،

 زیرا مـدار آرمیچـر لزومـا یک مـدار مقاومتی است وثابـت زمانی کوتاهـتری دارد .

اگر پلاریـته سیگنـال خطا معـکوس گردد ، موتور در جهت معکوس می چرخد .

موتور مغنـاطیس دائـم یک موتور تحریک ثابت موازی است که میـــدان با یک مغناطیس دائم تغذیه می شود .

 کارکرد شبیه به موتور با مـیدان ثابت و آرمیچر کنترل شده است.

سروموتورهای AC :

سروموتورهای AC همانطـور که قبلا ذکر شد انتخاب مناسبی برای کاربـــردهای با توان پایین هستند 

و به همین دلیل است که موتورهای AC همیشه به موتورهای DC ترجیح داده میشوند.

 مزایای سروموتورهای AC به سروموتورهایDC شامل موارد زیر است :

۱-  روتورهای قفس سنجابی ساده هستند و در مقایسه با سیم پیچی آرمیچر ماشینهای DC از نظر ساختاری ، محکمتر هستند.

۲- سروموتورهای AC دارای جاروبک برای کموتاسیـون نیستنـد و نیاز به تعمیر ونگهداری دائم ندارند.

۳- هیچ عایقی در اطراف هادی آرمیچر آنچنان که در موتور DC وجود دارد نیست پـس آرمیـچر می تواند بسیار بهتر گرما را پخش کند.

۴-  بدلیل اینکه آرمیـچر، سیـم پیچی های عایـق دار پیچـیده ای ندارد ، 

قطر آن می توانـد برای کاهش اینرسی روتور بسیار کاهش یابد .

این امر به جلوگیری از Over Shoot در مکـانیسم سـرو کمک می کند .

یک سروموتور AC اصولا یک موتور دوفاز القایی است به جز در مورد جنبه‌های خـاص طراحی آن.

توان مکانیکی خروجی یک سروموتور AC از ۲ وات تا چند صد وات تغییر می کند .

 مــوتورهای بزرگتر از این توان بسیار کم بازده اند واگربامشـخصات گشتـاورسرعت مطلوب ساخته شده باشند 

برای استفاده در کاربردهای سرو بسیار مشکل ساز خواهند شد . 

سرو موتورهای دقیق در کامپیوترها ابزارهای سرو و شماری ازکاربردها که به دقت بالایی نیاز است بکار می روند.

کاربرد ها :

عامل حرکتی محور های دستگاه CNC :

یکی از پر کاربرد ترین قطعات در دستگاه های CNC سروموتور ها می باشند

 که AC Brushless Servo Motor ها بهترین گزینه در این گونه دستگاه ها می باشند.

در این کاربرد حرکت گشتاور تولیدی توسط شفت موتور به وسیله بال اسکرو و راک و پینیون ها به حرکت خطی دقیق و سریع تبدیل می شوند.

کنترلر دستگاه دستورات Gcode را به صورت پالسی به درایور موتور ارسال می کند 

و درایور، موتور را در دقیق ترین موقعیت خواسته شده قرار می دهد.

دقت حرکت به تعداد تقسیمات انکدر و کیفیت ساخت سروموتور و درایور آن بستگی دارد.

تغذیه دستگاه پرس :

در این کاربرد ، ورقـه های فلز به داخل دستگاه پرس تغذیه می شوند که در آنجا به وسیله یک تیغه چاقو به طول بریده می شونـد .

 ورقـه های فلزی ممکن است دارای یک آرم یا دیگر تبلیغات باشند که باید علائم با نقاط برش هماهنگ شوند . 

در این کاربــرد سرعت و موقعیت ورقه فلز باید با نقاط برش صحیـح همزمان شود .

سنـسور فیدبک می توانـد یک باشد که با یک سنسور فتوالکتـریک برای تشخیص موقعـیت فلز کوپل شود .یک تابلو اپراتوری نصب شده ،

 آنچنــان که اپراتور می تواند سیــستم را برای حفاظت از برخورد تیغه ها جلو یا عقب ببرد یا عمل بارگذاری نورد جدید را انجام دهد .

تابلو اپراتوری همچـنین می تواند برای احضـار پارامتـرهای درایو مطابق با نوع فلز ، استفاده شود . 

همچنین سیستم می تواند با یک کنترل کننده قابل برنامه ریزی یا دیگر انــواع کنترل کننده کامل شود 

و تابلو اپراتوری می تواند برای انتخاب نقاط صحیح برش برای هر نوع فـلز استفاده شود .

پر کردن بطری در خط :

در این کاربرد چنـد پر کنـنده با بطریها به صورتی که آنها در طی یک خط پیوسته حرکت کنند ، در یک خط قرار گرفته است .

هر کـدام از پرکنـنده ها باید با یک بطری هماهنگ شوند و بطری را در حال حرکت آن تعقیب کنند .

 محصول هنبامی که نازل با بطری حرکت می کند ، توزیع می شود .

در ایـن کــاربرد ۱۰ نـازل روی یـک نـوار قـرار گـرفته اند که با یک مکانیسم توپ – پیچ حرکت می کنـند . 

وقـتی موتـور شفـت را حـرکت می دهد ، نـوار به صورت افقی در طول شفت شروع به حرکت می کند.

این حرکت صاف خواهد بود آنچنانکه هر کدام از نازلها بتواند محصـول را در داخل بطزیها بدون سرریز پخش کند .

سیـستم درایو سرو از یک کنتـرل کنـنده موقـعیت با نرم افزار استفــاده می کند 

که اجازه می دهد موقعیت و سرعت همانطور که خط بـطریها را حـرکت می دهد ، دنبال شود .

 Encoder اصـلی بطریها را هنگامی که در طی خط حرکت می کنند ، تعقیب می کند .

همچــنین برای اطمینان از اینـکه اگر یک بطری گم شده یا فاصله زیادی بین بطریها ظاهر شود ،

 هیچ محصولی از نازل پخش نشود یک آشکار ساز به سیستم متصل می شود .

سیستم درایو سرو ، موقعیت بطریها را از Encoder اصلی با سیـگنال فـیدبک مـقایـسه کرده که موقعیت نوار پرکننده ها را نشان می دهد .

تقویت کننده سرو سرعت نوار را آنچنان که نازلها دقیقا با بطریها هم سرعت شوند ، افزایش یا کاهش می دهد.