سروو موتور (Servo Motor) یا موتور فرمانیار موتوری است که معمولاً در سیستمهای حلقهبسته کنترل موقعیت، سرعت و گشتاور در کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار میگیرد.
اصول کار سروو موتور
سروو موتور یک قطعه الکتریکی مجزا و مستقل و ماشینی چرخان با بازده و دقت بالا است. شفت خروجی این موتور قابلیت جابهجایی به زوایه، موقعیت و سرعت خاصی را دارد که یک موتور عادی قادر به انجام آن نیست. سروو موتور از یک موتور عادی تشکیل شده که با یک سنسوربرای فیدبک موقعیت کوپل شده است.
کنترلکننده مهمترین بخش سروموتور است که برای اهداف مشخصی طراحی میشود.
سروموتور یک ساز و کار حلقهبسته شامل یک فیدبک موقعیت برای کنترل سرعت و موقعیت چرخشی یا خطی است.
موتور با یک سیگنال الکتریکی (آنالوگ یا دیجیتال) کنترل میشود که مقدار جابهجایی را تعیین میکند و نشان دهنده موقعیت فرمان نهایی شفت است.
نوعی انکدر که به عنوان سنسور مورد استفاده قرار میگیرد، فیدبک سرعت و موقعیت را مهیا میکند. این مدار درون محفظه موتور تعبیه شده که معمولاً با سیستم جعبهدنده ادغام شده است.
انواع سروو موتورها
سروموتورها را میتوان بر اساس کاربردی که دارند، در دو دسته سروموتورهای AC و سروموتورهای DC دستهبندی کرد. همچنین، سروموتورها را میتوان از سه جنبه مورد ارزیابی قرار داد: نخست بر اسال جریان کاری (AC یا DC)، دوم بر اساس نوع کموتاسیون (استفاده یا عدم استفاده از جاروبک) و سوم چرخش روتور نسبت به میدان مغناطیسی گردان (سنکرون یا آسنکرون).
ابتدا درباره جنبه نخست بحث میکنیم. AC یا DC بودن یکی از معیارهای اساسی دستهبندی یک موتور بر اساس نوع جریانی است که آن را تغذیه میکند. از دیدگاه عملکرد، تفاوت اولیه بین موتورهای AC و DC در توانایی ذاتی کنترل سرعت است. در یک موتور DC، سرعت مستقیماً با منبع ولتاژ با بار ثابت ارتباط دارد و در موتور AC، سرعت به فرکانس ولتاژ اعمالی و تعداد قطبهای مغناطیسی وابسته است.
هر دو نوع موتورهای AC و DC در سیستمهای سروو مورد استفاده قرار میگیرند. علیرغم آنکه موتورهای AC جریان بیشتری مصرف میکنند، استفاده از آنها در کاربردهای سروو مانند رباتها، کارخانهها و سایر کاربردهای صنعتی رایجتر است که در آنها تکرار و دقت بالا مورد نیاز است.
جنبه دیگر دستهبندی موتورها، وجود یا عدم وجود جاروبک در آنها است. یک سروو موتور DC به صورت مکانیکی و با استفاده از کموتاتور یا به صورت الکترونیکی بدون جاروبک عمل کموتاسیون را انجام میدهد. موتورهای دارای جاروبک معمولاً ارزانتر هستند و عملکرد آنها سادهتر است؛ در حالی که موتورهای بدون جاروبک قابل اعتمادتر هستند و بازده بیشتر و نویز کمتری دارند.
کموتاتور یک سوئیچ یا کلید الکتریکی چرخان است که به صورت متناوب جهت جریان بین روتور و مدار درایو (راهانداز) را تغییر میدهد. کموتاتور از یک حلقه استوانهای متشکل از چند بخش کنتاکت فلزی روی روتور تشکیل شده است. دو یا چند کنتاکت الکتریکی که «جاروبک» نام دارند، از یک ماده هادی مانند کربن ساخته شده و در مقابل کموتاتور تعبیه میشوند. هنگام چرخش روتور، جاروبکها با بخشهای رسانای کموتاتور تماس لغزشی خواهند داشت.
در حالی که اغلب موتورهای مورد استفاده در سیستمهای سروو موتورهای AC بدون جاروبک هستند، موتورهای مغناطیس دائم با جاروبک نیز به دلیل سادگی و هزینه پایینی که دارند، مورد استفاده قرار میگیرند. همچنین، رایجترین نوع موتورهای DC با جاروبک که در کاربردهای سروو مورد استفاده قرار میگیرند، موتورهای DC مغناطیس دائم هستند.
در موتورهای DC بدون جاروبک، جاروبکهای فیزیکی و کموتاتور با یک معادل الکترونیکی که معمولاً از سنسور اثر هال یا یک انکدر تشکیل شده است جایگزین میشود.
موتورهای AC معمولاً بدون جاروبک هستند، هرچند در برخی مدلها، مانند موتور یونیورسال، که میتواند با هر دو توان AC و DC کار کند، جاروبک وجود دارد و عمل کموتاسیون به صورت مکانیکی انجام میشود.
سومین و آخرین جنبه برای دستهبندی سروو موتورها، این است که روتور آنها با سرعت سنکرون حرکت میکند یا آسنکرون. در حالی که موتورهای DC اغلب در دو دسته با جاروبک و بدون جاروبک دستهبندی میشوند، دستهبندی موتورهای AC اغلب بر اساس سرعتشان نسبت به میدان مغناطیسی گردان تعیین میشود. همانطور که گفتیم، در موتورهای AC، سرعت با فرکانس منبع ولتاژ و تعداد قطبهای مغناطیسی تعیین میشود. این سرعت به سرعت سنکرون معروف است. بنابراین، در یک موتور سنکرون، روتور با سرعتی برابر با سرعت میدان مغناطیسی گردان میچرخد.
موتور آسنکرون، موتور القایی نیز نامیده میشود و سرعت چرخش آن کمتر از سرعت چرخش میدان است. البته سرعت یک موتور آسنکرون را میتوان با چند روش مختلف مانند تغییر تعدد قطبها و تغییر فرکانس منبع تغییر داد.
یک سروو موتور DC از چهار بخش اصلی تشکیل میشود: موتور DC، سنسور موقعیت، مجموعه چرخدنده و مدار کنترل. همانطور که گفتیم، سرعت مطلوب یک موتور DC با ولتاژ اعمالی به آن متناسب است. برای کنترل سرعت موتور، یک پتانسیومتر، ولتاژی را تولید میکند که به عنوان یکی از ورودیها به تقویتکننده خطا وارد میشود.
کاربرد سروو موتور چیست؟
سروو موتورها به دلیل دقت بالا و عملکرد سریع در بسیاری از صنایع استفاده میشوند. در ادامه چند کاربرد مهم همراه با توضیحات کوتاه برای هر کدام آورده شده است:
- دستگاههای CNC در ماشینهای CNC، سروو موتور برای کنترل دقیق موقعیت ابزار برش به کار میرود. این دقت بالا برای برشهای پیچیده و طراحیهای ظریف، بهویژه در سی ان سی چوب ، بسیار حیاتی است.
- رباتیک در رباتها، سروو موتورها مسئول حرکتهای دقیق و هماهنگ، مانند بازوهای رباتیک، هستند. این موتورها امکان کنترل دقیق زوایا و سرعت را فراهم میکنند.
- پرینترهای سهبعدی سروو موتورها در پرینترهای سهبعدی برای کنترل حرکت هد چاپ و تأمین دقت مورد نیاز در لایهگذاری استفاده میشوند.
- صنایع بستهبندی در خطوط بستهبندی، سروو موتورها در کنترل حرکت نوار نقاله و تجهیزات بستهبندی دقیق برای هماهنگی با سرعت خط تولید موثرند.
- تجهیزات پزشکی سروو موتورها در دستگاههایی مانند بازوهای جراحی رباتیک و تجهیزات آزمایشگاهی، حرکتهای دقیق و قابل کنترل را ارائه میدهند.
- اتوماسیون صنعتی در فرآیندهای خودکار صنعتی، سروو موتورها وظیفه کنترل حرکت روباتها، نقالهها و ابزارهای مختلف را بر عهده دارند.
سروو موتور چگونه کار میکند ؟
سروو موتور (Servo Motor) نوعی موتور الکتریکی است که با دقت بالا، موقعیت، سرعت یا گشتاور را کنترل میکند. این موتورها در بسیاری از سیستمهای اتوماسیون، رباتیک، CNC و حتی در تجهیزات صوتی و تصویری استفاده میشوند. عملکرد یک سروو موتور مبتنی بر یک سیستم کنترل بسته (closed-loop) است، که در ادامه نحوه عملکرد آن را توضیح میدهم:
- دریافت فرمان از کنترلر ابتدا یک دستور از کنترلر اصلی سیستم (مثل PLC یا کامپیوتر CNC) ارسال میشود که مشخص میکند محور موتور باید چه مقدار و در چه جهتی حرکت کند.
- تولید حرکت توسط موتور سروو درایو (یا کنترلر) با توجه به فرمان دریافتی، جریان مناسب را به موتور اعمال میکند تا به سمت موقعیت خواستهشده حرکت کند.
- بازخورد از سنسور همزمان با حرکت، انکودر یا سنسور موقعیت، مکان دقیق محور را اندازهگیری کرده و به سروو درایو گزارش میدهد.
- مقایسه و اصلاح کنترلر سروو اختلاف بین موقعیت فعلی و موقعیت هدف را محاسبه میکند و در صورت نیاز، ولتاژ و جریان را تنظیم میکند تا دقت حرکت بالا برود.
انواع سروو موتور
- سروو موتور AC این نوع از سروو موتورها با برق متناوب (AC) کار میکنند و برای کاربردهای صنعتی که نیاز به دقت و سرعت بالا دارند، مناسب هستند. مزیت اصلی آنها استحکام بالا و توانایی کارکرد در شرایط سنگین است.
- سروو موتور DC سروو موتورهای DC با برق مستقیم کار میکنند و معمولاً در کاربردهایی که نیاز به کنترل دقیق سرعت دارند، مانند رباتهای کوچک یا سیستمهای آموزشی، استفاده میشوند.
- سروو موتورهای پلهای (Stepper Motor) این موتورها با گامهای کوچک حرکت میکنند و برای کاربردهایی که نیاز به کنترل موقعیت دقیق ولی سادهتر دارند، مناسب هستند. پرینترهای سهبعدی و دستگاههای CNC کوچک اغلب از این نوع استفاده میکنند.
- سروو موتورهای خطی این موتورها حرکت خطی ایجاد میکنند و در ماشینآلاتی مانند تجهیزات پزشکی یا ابزارهای دقیق صنعتی کاربرد دارند.
- سروو موتورهای بدون جاروبک (Brushless) این موتورها فاقد جاروبک هستند و طول عمر بالاتری دارند. آنها در صنایعی مانند هوافضا و اتوماسیون که نیاز به کارکرد طولانی و بدون وقفه دارند، به کار میروند.
- سروو موتورهای با جاروبک (Brushed) این موتورها سادهتر و ارزانتر هستند اما به دلیل وجود جاروبک، نیاز به تعمیر و نگهداری بیشتری دارند و معمولاً در پروژههای کوچک و موقتی استفاده میشوند.
تفاوت سروو موتور ترمزدار و بدون ترمز
- سروو موتور ترمزدار این موتورها مجهز به یک سیستم ترمز الکترومغناطیسی هستند که هنگام قطع برق، شفت موتور را در موقعیت فعلی قفل میکند. این ویژگی در کاربردهایی که نیاز به توقف فوری یا حفظ موقعیت ثابت دارند، مانند رباتیک یا دستگاههای CNC عمودی، ضروری است.
- سروو موتور بدون ترمز این موتورها فاقد سیستم ترمز هستند و پس از قطع برق، شفت بهطور آزاد حرکت میکند. این نوع بیشتر در مواردی استفاده میشود که نیازی به توقف یا حفظ موقعیت در زمان خاموشی وجود ندارد، مانند برخی خطوط انتقال یا ماشینهای ساده.
انکودر چیست و چه کاربردی در سروو موتور ها دارد؟
انکودر یک حسگر الکترونیکی است که برای اندازهگیری موقعیت، سرعت و جهت چرخش شفت موتور استفاده میشود.انکودر یک دستگاه الکترونیکی است که برای تبدیل حرکت مکانیکی به سیگنالهای الکتریکی قابل اندازهگیری استفاده میشود. این دستگاه اطلاعات مربوط به حرکت موتور را به سیگنالهای دیجیتال یا آنالوگ تبدیل کرده و به کنترلر ارسال میکند. انکودرها در انواع مختلفی از جمله انکودرهای خطی و گردشی وجود دارند که بسته به نوع کاربرد، انتخاب میشوند. انکودر صنعتی چیست؟ این نوع انکودرها در صنعت برای کنترل دقیق حرکت ماشینآلات، موتورهای الکتریکی و دستگاههای مختلف مورد استفاده قرار میگیرند. انکودرهای صنعتی قادرند با دقت بسیار بالا اطلاعات موقعیت را به سیستمهای کنترلی ارسال کرده و باعث بهبود کارایی و دقت دستگاهها در محیطهای صنعتی شوند.
کاربرد انکودر در سروو موتورها در سروو موتور، انکودر وظیفه نظارت دقیق بر موقعیت شفت را دارد و اطلاعات مربوط به زاویه چرخش را به سیستم کنترل ارسال میکند. این اطلاعات به کنترلر کمک میکند تا سرعت، موقعیت و شتاب موتور را بهطور دقیق تنظیم کند. انکودر در سیستمهای حلقهبسته سروو موتور حیاتی است، چرا که بدون آن، موتور نمیتواند بهطور خودکار به موقعیت دقیق مورد نظر برسد و عملکرد آن دچار اختلال میشود.