Nowoczesne, zautomatyzowane zakłady przemysłowe korzystają z serwomechanizmów w bardzo dużej mierze. Serwomechanizmy potrzebne są wszędzie tam, gdzie wymagane jest sterowanie elementami maszyn, takie jak pozycjonowanie, synchronizacja osi i kontrola prędkości przy jednoczesnej dużej dynamice pracy i dokładności aplikacji.

Co to jest serwomechanizm?

Serwomechanizmy są urządzeniami doskonalszymi od zwykłych silników, ponieważ w przeciwieństwie do nich opierają się na układzie sprzężenia zwrotnego. Dzięki sprzężeniu zwrotnemu operator otrzymuje informację o stanie danej wielkości lub o stanie całego obiektu i może w łatwy sposób korygować zadane wielkości, sprawiając, że sterowanie jest dokładne i powtarzalne, co wymagane jest w przypadku większości aplikacji.

Co składa się na pętlę sprzężenia zwrotnego w serwomechaniźmie? Wyjaśnimy to na podstawie zintegrowanego serwonapędu marki JVL. Od serwa „niezintegrowanego” różni się tym, że sterownik i kontroler (serwowzmacniacz) są już w nim wbudowane, co pozwala wyeliminować zbędne okablowanie i zamknąć wszystkie elementy w jednej, kompaktowej jednostce, ułatwiając montaż, sterowanie i wiele innych rzeczy. Zasadniczo jednak budowa zintegrowanego silnika serwo produkcji JVL, poza tym ważnym wyróżnikiem, jest taka sama jak innych serwomechanizmów.

Podstawowe elementy każdego serwomechanizmu to:

silnik zasilany prądem stałym (12-48 VDC) lub przemiennym (1x230VAC lub 3x400VAC) – w przypadku zintegrowanych serwonapędów JVL jest to 3-fazowy bezszczotkowy serwosilnik;
układu elektronicznego sterującego całym mechanizmem (sterownika);
przetwornika dającego informację zwrotną o pozycji silnika – w przypadku zintegrowanych serwonapędów JVL jest to enkoder inkrementalny lub absolutny wieloobrotowy. W innych rodzajach serwomechanizmów takim przetwornikiem może być resolwer.

Te 3 podstawowe elementy wystarczają do analogowego lub cyfrowego sterowania serwomechanizmem, pod warunkiem, że sterownik daje możliwość konfiguracji wejść/wyjść (I/O). Taki komplet można jednak wzbogacać o dodatkowe elementy mechanizmu, w zależności od wymagań aplikacji.

Budowa serwomechanizmu na podstawie zintegrowanego serwosilnika MAC800

Jak działa serwo?

Serwomechanizmy mogą pozycjonować obiekty z bardzo dużą dokładnością, a także wielokrotnie takie obiekty poruszać i zatrzymywać, charakteryzują się bardzo dużą dynamiką pracy i szybko reagują na wszelkie zmiany parametrów. Warto wspomnieć również o odporności serwomechanizmów na zmiany obciążenia – zmiana prędkości i momentu obrotowego jest bardzo precyzyjna nawet w przypadku gwałtownych zmian.

Zasadę działania serwomechanizmu zobrazować można na przykładzie. Wyobraźmy sobie maszynę, która tnie nadrukowaną folię do pakowania czekoladowych batonów jednej marki. Ucięta folia jest transportowana dalej, układany jest na niej baton, a następnie poddawana jest zgrzewaniu, by uzyskać gotowy, zamknięty produkt. Gdyby folia ciągnięta była za sprawą zwykłego silnika, pracującego w układzie otwartym bez sprzężenia zwrotnego, nie byłoby żadnej pewności, że baton układany jest w odpowiednim miejscu, ponieważ zwykły silnik umożliwia jedynie sterowanie prędkością, a nie pozycją. Bez zastosowania serwomechanizmu, umożliwiającego pełne sterowanie ruchem, większość batonów nie byłoby zapakowanych w folię wcale, byłyby zapakowane krzywo, nie miałyby kompletnego nadruku itp.

Serwosilnik pozwala na precyzyjne sterowanie nie tylko prędkością, ale też pozycją oraz momentem obrotowym, co oznacza, że opisana w przykładzie folia zatrzymywana będzie w odpowiednim miejscu. Co więcej, moc układu może być wysterowana w taki sposób, aby folia pod wpływem działania nieodpowiednio dobranej siły, nie uległa rozerwaniu czy też innym uszkodzeniom.

Sterowanie serwomechanizmem

Serwomechanizmy są wyposażone w układ regulacji położenia wału silnika, z enkoderem umieszczonym na wale. Algorytm sterowania zaimplementowany jest w sterowniku napędu. Jak już wspomniano, w przypadku zintegrowanych serwosilników firmy JVL, sterownik znajduje się w obudowie silnika, oszczędzają miejsce i ograniczając nakłady na inwestycję. W standardowych rozwiązaniach sterownik (servodrive) stanowi osobne urządzenie, umieszczane w szafie sterowniczej.

Sterownik (kontroler) obsługuje zarówno sygnały analogowe jak i cyfrowe. Polecenie, które przetwarzane jest przez kontroler wychodzi z PLC, silnik zaczyna się poruszać, sterownik odbiera informację z enkodera o jego pozycji. Serwomechanizm pracuje prawidłowo, jeśli różnica między sygnałem polecenia a sygnałem zwrotnym z enkodera, jest równa zeru.

Zintegrowane serwosilniki produkcji JVL umożliwiają sterowanie za pomocą interfejsów komunikacyjnych Industrial Ethernet – więcej na ten temat w artykule: Ethernet Przemysłowy w serwosilnikach JVL serii MAC. Zakres dostępnych interfejsów jest szeroki, a implementuje się je do silnika poprzez specjalne moduły rozszerzeń. Ponadto możliwe jest sterowanie analogowe poprzez moduły wejść/wyjść (I/O).

Schemat systemu na podstawie zintegrowanego serwosilnika MAC800