Servomekanism - Servomechanism
Vid styrteknik är en servomekanism , ibland förkortad till servo , en automatisk enhet som använder felavkännande negativ återkoppling för att korrigera en mekanism. Vid förskjutningskontrollerade applikationer innehåller den vanligtvis en inbyggd kodare eller annan lägesåterkopplingsmekanism för att säkerställa att utmatningen uppnår önskad effekt.
Termen gäller korrekt endast för system där feedback- eller felkorrigeringssignalerna hjälper till att kontrollera mekanisk position, hastighet, attityd eller andra mätbara variabler. Till exempel, en fordonsfönsterhiss är kontrollen inte en servomekanism, som det finns ingen automatisk feedback som kontroller positions operatören gör detta genom observation. Däremot använder en bils farthållare återkoppling med sluten slinga , vilket klassificerar den som en servomekanism.
Applikationer
Positionskontroll
En vanlig typ av servo ger positionskontroll . Vanligtvis är servon elektriska , hydrauliska eller pneumatiska . De fungerar på principen om negativ återkoppling, där kontrollingången jämförs med det verkliga läget för det mekaniska systemet, mätt av någon typ av givare vid utgången. Varje skillnad mellan de faktiska och önskade värdena (en "felsignal") förstärks (och konverteras) och används för att driva systemet i den riktning som krävs för att minska eller eliminera felet. Denna procedur är en mycket använd tillämpning av styrteori . Typiska servor kan ge en roterande (vinkel) eller linjär utgång.
Hastighets kontroll
Hastighetskontroll via en guvernör är en annan typ av servomekanism. Den ångmaskinen använder mekaniska regulatorer; en annan tidig ansökan var att styra hastigheten på vattenhjulen . Före andra världskriget utvecklades propellern med konstant hastighet för att kontrollera motorhastigheten för manövrerande flygplan. Bränslekontroll för gasturbinmotorer använder antingen hydromekanisk eller elektronisk styrning.
Andra
Positionerings servomekanismer användes först i militär brandkontroll och marin navigationsutrustning . Idag servomekanismer används i automatiska verktygsmaskiner , satellitspårning antenner, fjärrkontroll flygplan, automatiska navigationssystem på båtar och flygplan, samt luftvärns gun styrsystem. Andra exempel är fly-by-wire- system i flygplan som använder servos för att aktivera flygplanets kontrollytor och radiostyrda modeller som använder RC-servor för samma ändamål. Många autofokuskameror använder också en servomekanism för att flytta linsen exakt. En hårddisk har ett magnetiskt servosystem med placeringsnoggrannhet under mikrometer. I industriella maskiner används servor för att utföra komplexa rörelser, i många applikationer.
Servomotor
Den grå / gröna cylindern är borstens likströmsmotor . Den svarta sektionen på botten innehåller planetreduktionsväxeln , och den svarta föremål ovanpå motorn är den optiska rotationskodaren för positionsåterkoppling.
1. elmotor
2. lägesåterkopplings potentiometern
3. reduktionsväxel
4. manövreringsarm
En servomotor är en specifik typ av motor som kombineras med en roterande kodare eller en potentiometer för att bilda en servomekanism. Denna församling kan i sin tur utgöra en del av en annan servomekanism. En potentiometer ger en enkel analog signal för att indikera position, medan en kodare ger position och vanligtvis hastighetsåterkoppling, som med hjälp av en PID-styrenhet möjliggör mer exakt styrning av position och därmed snabbare uppnående av en stabil position (för en given motoreffekt) . Potentiometrar utsätts för drift när temperaturen ändras medan kodarna är mer stabila och exakta.
Servomotorer används för både avancerade och låga applikationer. I den höga änden finns precisionsindustrikomponenter som använder en roterande kodare. I den låga änden finns billiga radiostyrningsservon (RC-servor) som används i radiostyrda modeller som använder en frittgående motor och en enkel potentiometer-positionssensor med en inbyggd styrenhet. Uttrycket servomotor avser i allmänhet en avancerad industriell komponent medan termen servo oftast används för att beskriva de billiga anordningarna som använder en potentiometer. Stegmotorer anses inte vara servomotorer, även om de också används för att konstruera större servomekanismer. Stegmotorer har inneboende vinkelläge på grund av sin konstruktion, och detta används vanligtvis öppet utan återkoppling. De används vanligtvis för medelprecisionstillämpningar.
RC-servor används för att tillhandahålla manövrering för olika mekaniska system som styrning av en bil, kontrollytor i ett plan eller roder på en båt. På grund av deras överkomliga, tillförlitliga och enkla kontroll av mikroprocessorer används de ofta i småskaliga robotapplikationer . En standard RC-mottagare (eller en mikrokontroller) sänder pulsbreddsmodulering (PWM) signaler till servo. Elektroniken inuti servon översätter pulsens bredd till ett läge. När servon är befalld att rotera, drivs motorn tills potentiometern når det värde som motsvarar det befälhavande läget.
Historia
James Watt s ångmaskin regulator anses allmänt det första motordrivna återkopplingssystemet. Den vindrosett är ett tidigare exempel på automatisk styrning, men eftersom det inte har en förstärkare eller förstärkning , är det inte vanligtvis betraktas som en servo.
Den första återkopplingspositionskontrollenheten var fartygets styrmotor , som används för att placera rodret på stora fartyg baserat på fartygets hjulposition. John McFarlane Gray var en pionjär. Hans patenterade design användes på SS Great Eastern 1866. Joseph Farcot kan förtjänar lika hög kredit för feedback-konceptet, med flera patent mellan 1862 och 1868.
Telemotorn uppfanns omkring 1872 av Andrew Betts Brown , vilket möjliggjorde mycket förenklade mekanismer mellan kontrollrummet och motorn. Ångstyrmotorer hade egenskaperna hos en modern servomekanism: en ingång, en utgång, en felsignal och ett medel för att förstärka felsignalen som används för negativ återkoppling för att driva felet mot noll. Ragonnet power-reverse- mekanismen var en luft- eller ångdriven servoförstärkare för linjär rörelse patenterad 1909.
Elektriska servomekanismer användes så tidigt som 1888 i Elisha Gray 's Telautograph .
Elektriska servomekanismer kräver en effektförstärkare. Världskriget såg utvecklingen av elektriska brandkontrollservomekanismer, med hjälp av en amplidyne som effektförstärkaren. Vakuumrörsförstärkare användes i UNISERVO- bandstationen för UNIVAC I- datorn. Royal Navy började experimentera med Remote Power Control ( RPC ) på HMS Champion 1928 och började använda RPC för att styra strålkastare i början av 1930-talet. Under andra världskriget användes RPC för att kontrollera vapenskruvar och vapendirektörer.
Moderna servomekanismer använder solid state-förstärkare, vanligtvis byggda från MOSFET- eller tyristorenheter . Små servor kan använda krafttransistorer .
Ordets ursprung antas komma från franska " Le Servomoteur " eller slavmotorn, som först användes av JJL Farcot 1868 för att beskriva hydrauliska och ångmotorer för användning vid fartygsstyrning.
Den enklaste typen av servor använder bang-bang-kontroll . Mer komplexa styrsystem använder proportionell kontroll, PID-kontroll och tillståndsutrymmeskontroll, som studeras i modern styrteori .
Typer av föreställningar
Servos kan klassificeras med hjälp av deras feedbackkontrollsystem:
- typ 0 servos: under steady-state-förhållanden producerar de ett konstant värde på utgången med en konstant felsignal;
- typ 1 servos: under steady-state-förhållanden producerar de ett konstant värde på utgången med nollfelsignal, men en konstant förändringshastighet för referensen innebär ett konstant fel vid spårning av referensen;
- typ 2 servos: under steady-state-förhållanden producerar de ett konstant värde på utgången med nollfelsignal. En konstant förändringshastighet för referensen innebär ett nollfel vid spårning av referensen. En konstant accelerationshastighet för referensen innebär ett konstant fel vid spårning av referensen.
Den servobandbredden anges kapacitet hos servo att följa snabba förändringar i den beordrade ingång.
Se även
- Fraktionerad hästkraftsmotor
- Rörelsekontroll
- Servokontroll
- Synchro , en form av sändar- och mottagarmotor som används i servomekanismer
Vidare läsning
- Bennett, S. (1993). En historia av styrteknik 1930–1955 . London: Peter Peregrinus Ltd. På uppdrag av Institution of Electrical Engineers. ISBN 0-86341-280-7.
- Hsue-Shen Tsien (1954) Engineering Cybernetics , McGraw Hill , länk från HathiTrust