Jak funguje servomotor a zpětnovazební řízení
Jak funguje servomotor? Servomotor je elektromechanické zařízení, které produkuje točivý moment a rychlost v závislosti na dodávaném proudu a napětí. Servomotor pracuje jako součást systémů s uzavřenou smyčkou, pomocí zpětnovazebního řízení a povelů z nadřazené řídicí jednotky (servozesilovače) upravuje točivý moment a rychlost podle konkrétních požadavků. Zpětnovazební zařízení instalované na servomotoru dodává informace jako je proud, rychlost nebo poloha do nadřazeného servozesilovače, který upravuje akční veličinu motoru v závislosti na zadaných příkazech neboli žádané veličině.
Servomotory jsou dostupné v široké škále typů, tvarů a velikostí. Termín „servo“ byl poprvé použit v roce 1859 Josephem Farcotem, který implementoval mechanismus zpětné vazby na řízení lodi párou, jež pomáhal ovládat kormidla lodi. Servomotor je součástí servomechanismu sestávajícího ze tří klíčových prvků – motoru, zpětnovazebního zařízení a řídicí elektroniky. Motor může být střídavý nebo stejnosměrný, kartáčový nebo bezkartáčový, rotační nebo lineární a jakékoli velikosti. Zpětnovazebním zařízením může být odporový potenciometr, zařízení s Hallovým efektem, otáčkoměr, resolver, enkodér, lineární převodník nebo jakýkoli jiný snímač podle potřeby. Servopohon doplňuje řídicí elektronika, která napájí motor a porovnává data ze zpětné vazby a referenčních povelů tak, aby ověřila, že servomotor pracuje podle zadaných povelů.
Existuje mnoho typů aplikací servomotorů, od jednoduchých stejnosměrných motorů používaných v hobby aplikacích (jako jsou modely letadel) až po sofistikované střídavé motory poháněné komplexními master-slave řídicími jednotkami používanými pro víceosá obráběcí centra. Jedním příkladem běžného servo mechanismu je tempomat vozidla, který se skládá z motoru, snímače rychlosti (zpětná vazba) a elektroniky pro porovnání rychlosti vozidla s nastavenou rychlostí. Pokud vozidlo zpomalí, snímač přenese tato data do elektroniky, která zase zvýší plyn do motoru a tím zvýší rychlost vozidla na požadovanou hodnotu – jednoduchý systém uzavřené smyčky.
Jednoduchý průmyslový servomotor se skládá ze stejnosměrného motoru s permanentními magnety na statoru a integrovaného otáčkoměru (tachometru), který poskytuje výstupní napětí úměrné rychlosti otáčení hřídele rotoru. Řídicí elektronika dodává do motoru potřebné napětí a proud na základě vyhodnocování napětí dodávaného z tachometru.
V tomto příkladu je v řídicí jednotce nastavena požadovaná rychlost (reprezentovaná referenčním napětím), obvod v řídicí jednotce porovnává zpětnovazební napětí tachometru a určuje, zda bylo dosaženo požadované rychlosti – známé jako uzavřená smyčka v rychlostní vazbě (closed velocity loop). Rychlostní smyčka průběžně monitoruje žádanou veličinu, tj. požadovanou rychlost a zpětnou vazbu tachometru, zatímco řídicí obvod upravuje výkon motoru tak, aby udržoval jeho požadovanou rychlost v závislosti na měnícím se zatížení. V sofistikovanějších servo systémech je z důvodu dosažení optimálního výkonu vyladěno několik integrovaných smyček tak, aby bylo zajištěno přesné řízení polohy. Systém se skládá z proudových, rychlostních a pozičních smyček, které využívají prvky přesné zpětné vazby. Každá smyčka signalizuje následující smyčku a monitoruje příslušné prvky zpětné vazby pro provedení korekce v reálném čase tak, aby odpovídaly zadaným parametrům.
Základní smyčkou je proudová smyčka, podle které se odvíjí krouticí moment. Proud je v rotačním motoru (nebo síle v lineárním motoru) úměrný krouticímu momentu, který zajišťuje zrychlení nebo tah. Snímač proudu je zařízení, které poskytuje zpětnou vazbu týkající se proudu protékajícího motorem. Senzor odesílá signál zpět do řídicí elektroniky – obvykle analogový nebo digitální signál úměrný proudu motoru. Tento signál se odečte od žádaného (referenčního) signálu. Když je servomotor vybuzen na požadovaný proud, bude smyčka nasycena, dokud proud neklesne pod nastavenou hodnotu. Smyčka pak bude zvyšovat proud, dokud nedosáhne žádaného proudu, přičemž tento cyklus bude aktualizovat v jednotkách milisekund.
Rychlostní smyčka pracuje stejným způsobem s napětím úměrným rychlosti. Rychlostní smyčka vyšle proudové smyčce příkaz ke zvýšení proudu (čímž se zvýší napětí), když rychlost klesne pod požadovanou hodnotu.
Poziční smyčka zase poskytuje povel rychlosti, který se přivádí do rychlostní smyčky, a ten řídí požadovaný proud pro zrychlení, udržení a zpomalení motoru tak, aby se přesunul do žádané polohy. Všechny tři zmíněné smyčky pracují v optimalizované synchronizaci, která zajišťuje plynulé a přesné ovládání servomechanismu.
