Servomekanism

Inom styrteknik är en servomekanism , vanligtvis förkortad till servo , en automatisk enhet som använder felavkännande negativ återkoppling för att korrigera verkan av en mekanism. På förskjutningskontrollerade applikationer inkluderar den vanligtvis en inbyggd kodare eller annan positionsåterkopplingsmekanism för att säkerställa att utgången uppnår önskad effekt.

Termen gäller korrekt endast för system där återkopplings- eller felkorrigeringssignalerna hjälper till att kontrollera mekanisk position, hastighet, attityd eller andra mätbara variabler. Till exempel är en elfönsterkontroll för bilar inte en servomekanism, eftersom det inte finns någon automatisk återkoppling som styr positionen – operatören gör detta genom observation. Däremot använder en bils farthållare återkoppling med återkoppling , vilket klassificerar den som en servomekanism.

Ansökningar

Positionskontroll

Globkontrollventil med pneumatiskt ställdon och "positioner". Detta är en servo som säkerställer att ventilen öppnar till önskat läge oavsett friktion

En vanlig typ av servo ger positionskontroll . Vanligtvis är servon elektriska , hydrauliska eller pneumatiska . De arbetar enligt principen om negativ återkoppling, där styringången jämförs med den faktiska positionen för det mekaniska systemet mätt av någon typ av givare vid utgången. Alla skillnader 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 kontrollteori . Typiska servon kan ge en roterande (vinkel) eller linjär utgång.

Hastighets kontroll

Hastighetskontroll via en regulator är en annan typ av servomekanism. Ångmaskinen använder mekaniska regulatorer ; en annan tidig tillämpning var att styra hastigheten på vattenhjul . Före andra världskriget utvecklades propellern med konstant hastighet för att kontrollera motorhastigheten för manövrering av flygplan. Bränslekontroller för gasturbinmotorer använder antingen hydromekanisk eller elektronisk styrning.

Andra

Positioneringsservomekanismer användes först i militär brandledning och marin navigationsutrustning . Idag används servomekanismer i automatiska verktygsmaskiner , satellitspårningsantenner, fjärrstyrda flygplan, automatiska navigationssystem på båtar och flygplan, och luftvärnsstyrningssystem . Andra exempel är fly-by-wire- system i flygplan som använder servon för att manövrera flygplanets kontrollytor och radiostyrda modeller som använder RC-servon för samma ändamål. Många autofokuskameror använder också en servomekanism för att exakt flytta objektivet. En hårddisk har ett magnetiskt servosystem med submikrometers positioneringsnoggrannhet. I industriella maskiner används servon för att utföra komplexa rörelser, i många applikationer.

Servomotor

Industriell servomotor Den grå/gröna cylindern är en DC-motor av borsttyp . Den svarta sektionen längst ned innehåller planetreduktionsväxeln och det svarta föremålet ovanpå motorn är den optiska rotationsgivaren för positionsåterkoppling .

Liten R/C servomekanism. 1. elmotor 2. positionsåterkopplingspotentiometer 3. reduktionsväxel 4. manöverarm

En servomotor är en specifik typ av motor som kombineras med en roterande encoder eller en potentiometer för att bilda en servomekanism. Denna enhet 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 positions- och vanligtvis hastighetsåterkoppling, som med hjälp av en PID- regulator tillåter mer exakt kontroll av positionen och därmed snabbare uppnående av en stabil position (för en given motoreffekt) . Potentiometrar utsätts för drift när temperaturen ändras medan kodare är mer stabila och exakta.

Servomotorer används för både high-end och low-end applikationer. I den högre änden finns industriella precisionskomponenter som använder en roterande encoder. I den nedre delen finns billiga radiokontrollservon (RC-servon) som används i radiostyrda modeller som använder en frigående motor och en enkel potentiometerpositionssensor med en inbyggd styrenhet. Termen servomotor hänvisar i allmänhet till en avancerad industriell komponent medan termen servo oftast används för att beskriva de billiga enheter som använder en potentiometer. Stegmotorer anses inte vara servomotorer, även om de också används för att konstruera större servomekanismer. Stegmotorer har en inneboende vinkelpositionering, på grund av sin konstruktion, och denna används i allmänhet på ett öppet sätt utan återkoppling. De används vanligtvis för applikationer med medelprecision.

RC-servon används för att ge aktivering för olika mekaniska system såsom styrning av en bil, kontrollytorna på ett plan eller rodret på en båt. På grund av deras överkomliga priser, tillförlitlighet och enkelhet i styrning av mikroprocessorer, används de ofta i småskaliga robotapplikationer . En standard RC-mottagare (eller en mikrokontroller) skickar för pulsbreddsmodulering (PWM) till servo. Elektroniken inuti servo översätter pulsens bredd till en position. När servo beordras att rotera drivs motorn tills potentiometern når det värde som motsvarar det beordrade läget.

Historia

Servostyrda fartygsstyrsystem var tidiga användare av servomekanismer för att säkerställa att rodret flyttade till önskad position.

James Watts ångmaskinsguvernör anses allmänt vara det första drivna återkopplingssystemet . Windmill Fantail är ett tidigare exempel på automatisk styrning, men eftersom den inte har en förstärkare eller förstärkning anses den vanligtvis inte vara en servomekanism.

Den första kontrollanordningen för återkopplingsposition var skeppets styrmotor , som användes för att placera rodret på stora skepp baserat på positionen för skeppets hjul. John McFarlane Gray var en pionjär. Hans patenterade design användes på SS Great Eastern 1866. Joseph Farcot kanske förtjänar lika stor beröm för feedbackkonceptet, med flera patent mellan 1862 och 1868.

Telemotorn uppfanns omkring 1872 av Andrew Betts Brown , vilket gör att utarbetade mekanismer mellan kontrollrummet och motorn kan förenklas avsevärt. Ångstyrningsmotorer 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 effektreverseringsmekanismen var en luft- eller ångdriven servoförstärkare för allmänna ändamål för linjär rörelse, patenterad 1909.

Elektriska servomekanismer användes så tidigt som 1888 i Elisha Grays Telautograph .

Elektriska servomekanismer kräver en effektförstärkare. Andra världskriget såg utvecklingen av elektriska eldkontrollservomekanismer , med en amplidyne som effektförstärkare. Vakuumrörförstärkare användes i UNISERVO- bandenheten 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 vapenfästen och vapenstyrare.

Moderna servomekanismer använder halvledareffektförstärkare, vanligtvis byggda av MOSFET- eller tyristorenheter . Små servon kan använda krafttransistorer .

Ursprunget till ordet tros komma från franskan " Le Servomotor " eller slavmotorn, som först användes av JJL Farcot 1868 för att beskriva hydrauliska och ångmotorer för användning i fartygsstyrning.

Den enklaste sortens servon använder bang-bang control . Mer komplexa styrsystem använder proportionell styrning, PID-styrning och tillståndsrymdstyrning, som studeras i modern styrteori .

Typer av föreställningar

Servon kan klassificeras med hjälp av deras återkopplingskontrollsystem:

servon av typ 0: under stationära förhållanden producerar de ett konstant värde på utgången med en konstant felsignal;
servon av typ 1: under stationära förhållanden producerar de ett konstant värde på utsignalen med nollfelsignal, men en konstant förändringshastighet av referensen innebär ett konstant fel vid spårning av referensen;
typ 2 servon: under stationära förhållanden producerar de ett konstant värde på utgången med nollfelsignal. En konstant förändringshastighet av referensen innebär ett nollfel vid spårning av referensen. En konstant accelerationshastighet för referensen innebär ett konstant fel vid spårning av referensen.

Servobandbredden indikerar servos förmåga att följa snabba förändringar i den beordrade ingången .

Se även

Motor med fraktionerad hästkraft
Rörelsekontroll
Servokontroll
Synchro , en form av sändar- och mottagarmotor som används i servomekanismer

Vidare läsning

Bennett, S. (1993). A History of Control Engineering 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

externa länkar