DC Servo Motor: Xây dựng, Làm việc, Giao diện với Arduino & Ứng dụng của nó

Một động cơ servo hay servo là một loại động cơ điện dùng để quay các chi tiết máy với độ chính xác cao. Động cơ này bao gồm một mạch điều khiển cung cấp phản hồi về vị trí hiện tại của trục của động cơ, vì vậy phản hồi này đơn giản cho phép các động cơ này quay với độ chính xác cao. Động cơ Servo có lợi trong việc quay một vật thể ở một khoảng cách hoặc góc nào đó. Động cơ này được phân thành hai loại động cơ servo AC và động cơ servo DC. Nếu động cơ servo sử dụng nguồn DC để hoạt động thì động cơ đó được gọi là động cơ servo DC trong khi nếu nó hoạt động với nguồn AC thì nó được gọi là động cơ servo AC. Hướng dẫn này cung cấp thông tin ngắn gọn về Động cơ servo DC - làm việc với các ứng dụng.

Động cơ DC Servo là gì?

Động cơ servo sử dụng đầu vào điện DC để tạo ra đầu ra cơ học như vị trí, vận tốc hoặc gia tốc được gọi là động cơ servo DC Nói chung, các loại động cơ này được sử dụng làm động cơ chính trong các máy, máy tính được điều khiển bằng số, v.v. chính xác & rất nhanh chóng.

Cấu tạo và hoạt động của động cơ DC Servo

Động cơ servo DC được xây dựng với các thành phần khác nhau được đưa ra trong sơ đồ khối sau. Trong sơ đồ này, mỗi thành phần và chức năng của nó được thảo luận bên dưới.

Động cơ được sử dụng trong trường hợp này là động cơ DC điển hình bao gồm cuộn dây kích từ được kích thích riêng. Vì vậy, tùy thuộc vào bản chất kích thích, hơn nữa có thể được phân loại thành động cơ servo điều khiển phần ứng và điều khiển trường.

Tải được sử dụng trong trường hợp này là quạt đơn giản hoặc tải công nghiệp được kết nối đơn giản với trục cơ của động cơ.

Hộp số trong cấu trúc này hoạt động giống như một bộ chuyển đổi cơ học để thay đổi đầu ra của động cơ như gia tốc, vị trí hoặc vận tốc tùy thuộc vào ứng dụng.

Chức năng chính của cảm biến vị trí là nhận tín hiệu phản hồi tương đương với vị trí hiện tại của tải. Nói chung, đây là một chiết áp được sử dụng để cung cấp điện áp tỷ lệ với góc tuyệt đối của trục động cơ thông qua cơ cấu bánh răng.

Chức năng của bộ so sánh là so sánh o/p của cảm biến vị trí & điểm tham chiếu để tạo tín hiệu lỗi và đưa tín hiệu đó đến bộ khuếch đại. Nếu động cơ DC hoạt động với sự điều khiển chính xác thì không có lỗi. Cảm biến vị trí, hộp số & bộ so sánh sẽ làm cho hệ thống trở thành một vòng khép kín.

Chức năng của bộ khuếch đại là khuếch đại sai số từ bộ so sánh và đưa nó đến động cơ DC. Vì vậy, nó hoạt động giống như một bộ điều khiển tỷ lệ ở bất cứ nơi nào độ khuếch đại được tăng cường để không có sai số trạng thái ổn định.

Tín hiệu được điều khiển cung cấp đầu vào cho PWM (bộ điều biến độ rộng xung) tùy thuộc vào tín hiệu phản hồi để nó điều chỉnh đầu vào của động cơ nhằm điều khiển chính xác nếu không sẽ không có lỗi trạng thái ổn định. Hơn nữa, bộ điều chế độ rộng xung này sử dụng dạng sóng tham chiếu & bộ so sánh để tạo xung.

Bằng cách tạo ra hệ thống vòng kín, người ta thu được gia tốc, vận tốc hoặc vị trí chính xác. Như tên gợi ý, động cơ servo là động cơ được điều khiển cung cấp đầu ra ưu tiên do hiệu ứng phản hồi & bộ điều khiển. Tín hiệu lỗi được khuếch đại đơn giản & được sử dụng để điều khiển động cơ servo. Tùy thuộc vào tín hiệu điều khiển và tính chất tạo ra bộ điều chế độ rộng xung, các động cơ này có các phương pháp điều khiển vượt trội với chip FPGA hoặc bộ xử lý tín hiệu số.

Hoạt động của động cơ servo DC là; bất cứ khi nào tín hiệu đầu vào được cấp cho động cơ dc thì nó sẽ quay trục & bánh răng. Vì vậy, về cơ bản, chuyển động quay của đầu ra bánh răng được đưa trở lại cảm biến vị trí (chiết áp) có các nút xoay và thay đổi điện trở của chúng. Bất cứ khi nào điện trở thay đổi thì điện áp sẽ thay đổi, đây là tín hiệu lỗi được đưa vào bộ điều khiển và do đó, PWM được tạo ra.

Để biết thêm về các loại động cơ servo DC, vui lòng tham khảo liên kết này: Các loại động cơ Servo khác nhau .

Chức năng truyền của động cơ DC Servo

Hàm truyền có thể được định nghĩa là tỷ lệ của phép biến đổi Laplace (LT) của biến o/p với LT ( Biến đổi laplace ) của biến i/p. Nói chung, động cơ DC thay đổi năng lượng từ điện sang cơ. Năng lượng điện được cung cấp tại các cực của phần ứng được biến đổi thành năng lượng cơ học được điều khiển.

Chức năng truyền động cơ servo DC điều khiển phần ứng được hiển thị bên dưới.

θ(s)/Va(s) = (K1/(Js2 + Bs)*(Las + Ra))/1 + (K1KbKs)/(Js2 + Bs)*(Las+Ra)

Chức năng truyền động cơ servo dc điều khiển tại hiện trường được hiển thị bên dưới.

θ(s)/Vf (s) = Kf / (sLf + Rf) * (s2J + Bs)

Động cơ servo dc điều khiển phần ứng cung cấp hiệu suất vượt trội nhờ hệ thống vòng kín khi so sánh với động cơ servo dc điều khiển tại hiện trường là hệ thống vòng hở. Ngoài ra, tốc độ phản hồi chậm trong hệ thống điều khiển trường. Trong trường hợp điều khiển phần ứng, điện cảm của phần ứng không đáng kể, trong khi đó, trong trường hợp điều khiển trường, nó không giống như vậy. Tuy nhiên, trong điều khiển Infield, không thể đạt được khả năng giảm chấn được cải thiện, trong khi đó, trong điều khiển phần ứng, điều đó có thể đạt được.

thông số kỹ thuật

Động cơ servo DC cung cấp các thông số kỹ thuật về hiệu suất bao gồm các thông số sau. Các thông số kỹ thuật này phải phù hợp dựa trên nhu cầu tải của ứng dụng để định cỡ chính xác động cơ.

• Tốc độ trục chỉ đơn giản xác định tốc độ tại đó trục quay, được biểu thị bằng RPM (vòng quay mỗi phút).
• Thông thường, tốc độ do nhà sản xuất cung cấp là tốc độ không tải của trục o/p hoặc tốc độ tại đó mômen xoắn đầu ra của động cơ bằng không.
• Điện áp đầu cuối là điện áp thiết kế của động cơ xác định tốc độ động cơ. Tốc độ này được điều khiển đơn giản bằng cách tăng hoặc giảm điện áp cung cấp cho động cơ.
• Lực quay giống như mô-men xoắn được tạo ra bởi trục của động cơ servo dc. Vì vậy, mô-men xoắn cần thiết cho động cơ này được xác định đơn giản bởi các đặc tính tốc độ-mô-men xoắn của các tải khác nhau trải qua trong ứng dụng mục tiêu. Các mô-men xoắn này có hai loại mô-men xoắn khởi động và mô-men xoắn liên tục.
• Mô-men xoắn khởi động là mô-men xoắn yêu cầu trong khi khởi động động cơ servo. Mô-men xoắn này thường cao hơn so với mô-men xoắn liên tục.
• Mô-men xoắn liên tục là mô-men xoắn đầu ra là công suất của động cơ trong điều kiện chạy liên tục.
• Các động cơ này phải có đủ tốc độ và công suất mô-men xoắn cho ứng dụng bao gồm biên độ 20 đến 30% giữa các yêu cầu tải cũng như xếp hạng động cơ để đảm bảo độ tin cậy. Khi các tỷ suất lợi nhuận này vượt quá nhiều thì hiệu quả của chi phí sẽ giảm. thông số kỹ thuật của Động cơ Servo DC Coreless DC 12V từ Faulhaber là:
• Tỷ số hộp số là 64: l Hộp số ba tầng hành tinh.
• Tải hiện tại là 1400 mA Power.
• Công suất là 17W.
• Tốc độ là 120RPM.
• Dòng điện không tải là 75mA.
• Loại Encoder là Quang học.
• Độ phân giải của Bộ mã hóa là 768CPR của Trục O/P.
• Đường kính là 30 mm.
• Chiều dài là 42mm.
• Tổng Chiều Dài là 85mm.
• Đường kính trục là 6 mm.
• Chiều Dài trục là 35mm.
• Mô-men xoắn gian hàng là 52kgcm.

Đặc điểm

Các đặc điểm của động cơ servo DC bao gồm những điều sau đây.

• Thiết kế động cơ DC Servo tương tự như Nam châm vĩnh cửu hoặc Động cơ DC được kích thích riêng.
• Điều khiển tốc độ của động cơ này được thực hiện bằng cách điều khiển điện áp phần ứng.
• Động cơ servo được thiết kế với điện trở phần ứng cao.
• Nó cung cấp phản ứng mô-men xoắn nhanh chóng.
• Một bước thay đổi trong điện áp phần ứng tạo ra sự thay đổi nhanh chóng về tốc độ của động cơ.

Động cơ AC Servo Vs Động cơ Servo DC

Sự khác biệt giữa động cơ servo DC và động cơ servo AC bao gồm những điểm sau.

Kết nối động cơ DC Servo với Arduino

Để điều khiển động cơ servo DC ở một góc chính xác và theo yêu cầu, có thể sử dụng bo mạch Arduino/bất kỳ bộ vi điều khiển nào khác. Bảng này có o/p tương tự tạo ra tín hiệu PWM để xoay động cơ servo theo một góc chính xác. Bạn cũng có thể di chuyển vị trí góc của động cơ servo bằng chiết áp hoặc các nút ấn bằng Arduino.

Động cơ servo cũng có thể được điều khiển bằng điều khiển từ xa IR có sẵn. Điều khiển từ xa này rất hữu ích trong việc di chuyển động cơ servo dc đến một góc cụ thể hoặc tăng hoặc giảm góc của động cơ một cách tuyến tính bằng điều khiển từ xa IR.

Ở đây chúng ta sẽ thảo luận về cách di chuyển động cơ servo bằng điều khiển từ xa IR sử dụng Arduino ở một góc cụ thể và cũng như tăng hoặc giảm góc của động cơ servo bằng điều khiển từ xa theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ. Sơ đồ giao tiếp của động cơ servo DC với Arduino và điều khiển từ xa IR được hiển thị bên dưới. Các kết nối của giao diện này như sau;

Giao diện này chủ yếu sử dụng ba thành phần thiết yếu như động cơ servo dc, bo mạch Arduino và cảm biến hồng ngoại TSOP1738. Cảm biến này có ba thiết bị đầu cuối như Vcc, GND & đầu ra. Đầu cuối Vcc của cảm biến này được kết nối với 5V của bo mạch Arduino Uno, đầu cuối GND của cảm biến này được kết nối với đầu cuối GND của bo mạch Arduino và đầu ra được kết nối với chân 12 (đầu vào kỹ thuật số) của bo mạch Arduino.

Chân đầu ra kỹ thuật số 5 được kết nối đơn giản với chân đầu vào tín hiệu của động cơ servo để điều khiển động cơ
Chân +ve của động cơ servo dc được cấp cho nguồn 5V bên ngoài và chân GND của động cơ servo được cấp cho chân GND của Arduino.

Đang làm việc

Điều khiển từ xa hồng ngoại được sử dụng để thực hiện hai hành động 30 độ, 60 độ và 90 độ, đồng thời để Tăng/giảm góc của động cơ từ 0  đến 180 độ.

Điều khiển từ xa chứa nhiều nút như nút chữ số (0-9), nút điều khiển góc, nút phím mũi tên, nút lên/xuống, v.v. Khi nhấn bất kỳ nút chữ số nào từ 1 – 5, thì động cơ servo dc sẽ di chuyển đến đó góc chính xác và khi nhấn nút tăng/giảm góc thì góc của động cơ có thể được đặt chính xác ở ±5 độ.

Sau khi các nút được quyết định, mã của các nút này cần được giải mã. Sau khi nhấn bất kỳ nút nào từ điều khiển từ xa, nó sẽ gửi một mã để thực hiện hành động được yêu cầu. Để giải mã các mã từ xa này, thư viện điều khiển từ xa IR được sử dụng từ internet.

Tải chương trình sau lên Arduino và kết nối cảm biến hồng ngoại. Bây giờ đặt điều khiển từ xa về phía cảm biến hồng ngoại và nhấn nút. Sau đó, mở màn hình nối tiếp và theo dõi mã của nút được nhấn ở dạng số.

Mã Arduino

#include // thêm thư viện điều khiển từ xa IR
#include // thêm thư viện động cơ servo
Dịch vụ phục vụ1;
int IRpin = 12; // chân cho cảm biến hồng ngoại
int motor_angle=0;
IRrecv irrecv(IRpin);
giải mã kết_quả;
thiết lập vô hiệu ()
{
Nối tiếp.bắt đầu (9600); //khởi tạo giao tiếp nối tiếp
Serial.println(“Động cơ servo điều khiển từ xa IR”); // hiển thị thông báo
irrecv.enableIRIn(); // Khởi động máy thu
servo1.attach(5); // khai báo chân động cơ servo
servo1.write(motor_angle); // di chuyển động cơ về 0 độ
Serial.println(“Góc động cơ servo 0 độ”);
chậm trễ (2000);
}
vòng lặp vô hiệu ()
{
while(!(irrecv.decode(&results))); // đợi cho đến khi không có nút nào được nhấn
if (irrecv.decode(&results)) // khi nhấn nút và nhận mã
{
if(results.value==2210) // kiểm tra xem có nhấn nút số 1 không
{
Serial.println(“góc động cơ servo 30 độ”);
motor_angle = 30;
servo1.write(motor_angle); // di chuyển động cơ đến 30 độ
}
khác if(results.value==6308) // nếu nhấn nút chữ số 2
{
Serial.println(“góc động cơ servo 60 độ”);
motor_angle = 60;
servo1.write(motor_angle); // di chuyển động cơ đến 60 độ
}
khác if(results.value==2215) // tương tự cho tất cả các nút chữ số
{
Serial.println(“góc động cơ servo 90 độ”);
motor_angle = 90;
servo1.write(motor_angle);
}
khác nếu (results.value==6312)
{
Serial.println(“góc động cơ servo 120 độ”);
motor_angle = 120;
servo1.write(motor_angle);
}
khác nếu (results.value==2219)
{
Serial.println(“góc động cơ servo 150 độ”);
motor_angle = 150;
servo1.write(motor_angle);
}
khác if(results.value==6338) // nếu nhấn nút TĂNG âm lượng
{
if(motor_angle<150) motor_angle+=5; // tăng góc động cơ
Serial.print(“Góc động cơ là “);
Serial.println(motor_angle);
servo1.write(motor_angle); // và di chuyển động cơ đến góc đó
}
khác if(results.value==6292) // nếu nhấn nút giảm âm lượng
{
if(motor_angle>0) motor_angle-=5; // giảm góc động cơ
Serial.print(“Góc động cơ là “);
Serial.println(motor_angle);
servo1.write(motor_angle); // và di chuyển động cơ đến góc đó
}
độ trễ (200); // đợi 0,2 giây
irrecv.resume(); // một lần nữa sẵn sàng nhận mã tiếp theo
}
}

Nguồn cung cấp cho động cơ servo DC được cung cấp từ 5V bên ngoài và nguồn cung cấp cho cảm biến hồng ngoại & bo mạch Arduino được cung cấp từ USB. Sau khi cấp nguồn cho động cơ servo thì nó sẽ di chuyển về 0 độ. Sau đó, thông báo sẽ được hiển thị là “góc động cơ servo là 0 độ” trên màn hình nối tiếp.

Bây giờ trên điều khiển từ xa, khi nhấn nút 1 thì động cơ servo dc sẽ di chuyển 30 độ. Tương tự, khi nhấn các nút như 2, 3, 4, 5 thì động cơ sẽ di chuyển theo các góc mong muốn như 60 độ, 90 độ, 120 độ hoặc 150 độ. Bây giờ, màn hình nối tiếp sẽ hiển thị vị trí góc của động cơ servo là “góc động cơ servo xx độ”

Khi nhấn nút tăng âm lượng, góc của động cơ sẽ tăng thêm 5 độ, nghĩa là nếu nó là 60 độ thì nó sẽ di chuyển thành 65 độ. Vì vậy, vị trí của góc mới sẽ được hiển thị trên màn hình nối tiếp.

Tương tự như vậy, một khi nhấn nút giảm góc, thì góc của động cơ sẽ giảm 5 độ, nghĩa là nếu góc là 90 độ thì nó sẽ di chuyển đến 85 độ. Tín hiệu từ điều khiển từ xa hồng ngoại được cảm biến hồng ngoại cảm nhận. Để biết nó cảm nhận như thế nào và cảm biến hồng ngoại hoạt động như thế nào, hãy nhấp vào nơi đây

Vì vậy, vị trí của góc mới sẽ được hiển thị trên màn hình nối tiếp. Do đó, chúng ta có thể dễ dàng điều khiển góc quay của động cơ servo dc bằng Arduino & IR remote.

Để biết cách giao tiếp Động cơ DC với vi điều khiển 8051, hãy nhấp vào nơi đây

Ưu điểm của động cơ DC Servo

Các ưu điểm của động cơ servo DC bao gồm những điều sau đây.

• Động cơ servo DC hoạt động ổn định.
• Những động cơ này có công suất đầu ra cao hơn nhiều so với kích thước và trọng lượng của động cơ.
• Khi những động cơ này chạy ở tốc độ cao thì chúng không tạo ra bất kỳ tiếng ồn nào.
• Hoạt động của động cơ này không rung & không cộng hưởng.
• Những loại động cơ này có tỷ lệ mô-men xoắn trên quán tính cao và chúng có thể nhận tải rất nhanh.
• Họ có hiệu quả cao.
• Họ đưa ra phản hồi nhanh chóng.
• Đây là di động và trọng lượng nhẹ.
• Hoạt động của Bốn góc phần tư là có thể.
• Ở tốc độ cao, đây là âm thanh yên tĩnh.

Các nhược điểm của động cơ servo DC bao gồm những điều sau đây.

• Cơ chế làm mát của động cơ servo DC không hiệu quả. Vì vậy, động cơ này nhanh chóng bị ô nhiễm khi nó được thông gió.
• Động cơ này tạo ra công suất đầu ra tối đa ở tốc độ mô-men xoắn cao hơn và cần sang số thường xuyên.
• Những động cơ này có thể bị hỏng do quá tải.
• Họ có một thiết kế phức tạp và cần một bộ mã hóa.
• Những động cơ này cần điều chỉnh để ổn định vòng phản hồi.
• Nó đòi hỏi phải bảo trì.

Ứng dụng động cơ DC Servo

Các ứng dụng của động cơ servo DC bao gồm những điều sau đây.

• Động cơ servo DC được sử dụng trong máy công cụ để cắt và tạo hình kim loại.
• Chúng được sử dụng để định vị ăng-ten, in ấn, đóng gói, chế biến gỗ, dệt may, sản xuất dây bện hoặc dây thừng, CMM (máy đo tọa độ), xử lý vật liệu, đánh bóng sàn, mở cửa, bàn X-Y, thiết bị y tế và quay wafer.
• Những động cơ này được sử dụng trong các hệ thống điều khiển máy bay, nơi giới hạn về không gian và trọng lượng cần động cơ cung cấp công suất cao cho mỗi đơn vị thể tích.
• Chúng được áp dụng khi cần mô-men xoắn khởi động cao như truyền động quạt gió và quạt.
• Chúng cũng được sử dụng chủ yếu cho người máy, thiết bị lập trình, bộ truyền động cơ điện, máy công cụ, bộ điều khiển quy trình, v.v.

Vì vậy, đây là một cái nhìn tổng quan về dc động cơ servo - làm việc với các ứng dụng. Những động cơ servo này được sử dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau để cung cấp giải pháp cho nhiều chuyển động cơ học. Các tính năng của các động cơ này sẽ làm cho chúng rất hiệu quả và mạnh mẽ. Đây là một câu hỏi cho bạn, AC Servo Motor là gì?