Серводвигатель — это прецизионный двигатель, который может вращаться на определенные углы с исключительной точностью. Серводвигатели также называют сервомоторами или сервоприводами. В отличие от обычных двигателей, серводвигатели используют замкнутую систему обратной связи для точного управления положением, скоростью и крутящим моментом. Если вы хотите вращать объект на определенные углы или расстояния, серводвигатели являются идеальным выбором благодаря своему сервомеханизму со встроенной обратной связью по положению. Популярные модели серводвигателей включают SG90 (микросервопривод), MG995 (сервопривод с металлической шестерней), NEMA 17 (уже достаточно мощный серводвигатель) и промышленные серводвигатели от Siemens, Yaskawa и Fanuc для высокоточных приложений.

Основные характеристики: серводвигатели обычно оцениваются в кг/см (килограмм на сантиметр), и большинство любительских сервоприводов, таких как SG90, MG995 и т. д., которые часто используются в наших электронных проектах, оцениваются в 3 кг/см, 6 кг/см или 12 кг/см. Этот рейтинг указывает вес, который двигатель может поднять на определенном расстоянии. Например, сервопривод 6 кг/см может поднять 6 кг, когда нагрузка находится на расстоянии 1 см от вала двигателя.

Популярные приложения: Серводвигатели широко используются в проектах робототехники, проектах Arduino , радиоуправляемых автомобилях и домашней автоматизации. В этом руководстве рассматриваются принципы работы серводвигателей постоянного тока, методы управления ими и практические методы сопряжения с данными двигателями.

На нашем сайте мы рассматривали подключение такого популярного серводвигателя для домашних проектов как SG90 к следующим микроконтроллерам (платам):

• к микроконтроллеру AVR;
• к микроконтроллеру PIC;
• к плате Arduino Uno;
• к плате Arduino с использованием Matlab;
• к плате Raspberry Pi;
• к плате Raspberry Pi Pico;
• к плате MSP430G2;
• к плате STM32F103C8 (Blue Pill).

Система управления серводвигателем

Серводвигатель основан на замкнутой системе управления с тремя основными компонентами:

1. Схема управления — обрабатывает входные сигналы и генерирует команды двигателю.

2. Датчик положения (потенциометр) — обеспечивает обратную связь в режиме реального времени о положении вала.

3. Контур обратной связи — сравнивает желаемое и фактическое положение для устранения ошибки

Как это работает: схема управления серводвигателя непрерывно сравнивает входной сигнал (желаемое положение) с сигналом обратной связи (фактическое положение), полученным от датчика положения. При наличии разницы схема управления генерирует сигнал ошибки, который управляет двигателем до тех пор, пока не будет достигнуто желаемое положение. Эта замкнутая система обратной связи обеспечивает точность позиционирования.

Краткие сведения о серводвигателе (пример)

• Управляющий сигнал: ШИМ (широтно-импульсная модуляция)
• Частота импульсов: 50 Гц (период 20 мс)
• Диапазон положения: от 0° до 180° (стандартные сервоприводы)
• Питание: 4,8 В - 6 В для любительских сервоприводов
• Управляющий импульс: 1 мс = 0°, 1,5 мс = 90°, 2 мс = 180°

Принцип работы серводвигателя

Принцип работы серводвигателя включает четыре ключевых компонента, работающих вместе: двигатель постоянного/переменного тока, потенциометр, редуктор и цепь управления. Вот пошаговый процесс работы серводвигателей:

1. Исходное положение: потенциометр не генерирует сигнал, когда сервопривод находится в нейтральном положении.

2. Входной сигнал: Внешний ШИМ-сигнал обеспечивает желаемую команду положения.

3. Обнаружение ошибок: схема управления сравнивает входной сигнал с обратной связью потенциометра.

4. Движение двигателя: Сигнал ошибки заставляет двигатель двигаться в требуемом направлении.

5. Достижение положения: двигатель останавливается, когда сигнал потенциометра совпадает с входным сигналом.

Сервопривод состоит из двигателя (постоянного или переменного тока), потенциометра, редуктора и схемы управления. Прежде всего, мы используем редуктор для уменьшения оборотов и увеличения крутящего момента двигателя. Скажем, в исходном положении вала серводвигателя положение ручки потенциометра таково, что на выходном порте потенциометра не генерируется электрический сигнал. Теперь электрический сигнал подается на другую входную клемму усилителя детектора ошибок. Теперь разница между этими двумя сигналами, один из которых поступает от потенциометра, а другой из других источников, будет обрабатываться в механизме обратной связи, и выход будет предоставлен в виде сигнала ошибки. Этот сигнал ошибки действует как вход для двигателя, и двигатель начинает вращаться. Теперь вал двигателя соединен с потенциометром, и по мере вращения двигателя потенциометр и он будут генерировать сигнал. Таким образом, по мере изменения углового положения потенциометра изменяется его выходной сигнал обратной связи. Через некоторое время положение потенциометра достигает положения, при котором выход потенциометра совпадает с предоставленным внешним сигналом. В этом состоянии выходной сигнал от усилителя на вход двигателя будет отсутствовать, поскольку нет разницы между внешним приложенным сигналом и сигналом, генерируемым на потенциометре, и в этой ситуации двигатель прекращает вращение.

Взаимодействие серводвигателей с микроконтроллерами

Сопряжение серводвигателей для хобби, таких как серводвигатель s90, с микроконтроллером очень простое.  Из сервоприводов выходят три провода. Из которых два будут использоваться для питания (положительный и отрицательный), а один будет использоваться для сигнала, который должен быть отправлен с микроконтроллера.  Серводвигатель MG995 с металлическими шестернями, который чаще всего используется для радиоуправляемых машин, гуманоидных ботов и т. д., показан на следующем рисунке.

Цветовая кодировка вашего серводвигателя может отличаться, поэтому проверьте соответствующую спецификацию.

Все серводвигатели работают напрямую с шинами питания +5 В, но необходимо быть осторожным с величиной тока, потребляемого двигателем. Если вы планируете использовать более двух серводвигателей, следует разработать надлежащий сервощит. 

Управление и программирование серводвигателя с помощью ШИМ

Управление серводвигателем осуществляется с помощью сигналов ШИМ (широтно-импульсной модуляции) . Серводвигатель ожидает управляющий импульс каждые 20 миллисекунд, а ширина импульса определяет угол поворота.

Параметры управления ШИМ:

• Период импульса: 20 мс (частота 50 Гц).

• Ширина импульса 1,0 мс: сервопривод поворачивается в положение 0°.

• Ширина импульса 1,5 мс: сервопривод перемещается на 90° (нейтральное положение).

• Ширина импульса 2,0 мс: сервопривод поворачивается в положение 180°.

Arduino Servo Control: Если вы пытаетесь использовать серводвигатель с Arduino, ознакомьтесь с библиотекой Servo.h для простого управления им. Эта библиотека упрощает технические аспекты управления серводвигателем, и вы можете напрямую задать положение сервопривода в градусах. 

Все серводвигатели имеют три провода, выходящих из них, как показано на предыдущем изображении выше. Из которых два будут использоваться для питания (положительный и отрицательный), а один будет использоваться для сигнала, который должен быть отправлен с микроконтроллера. Существует минимальный импульс, максимальный импульс и частота повторения. Серводвигатель может поворачиваться на 90 градусов из любого направления из своего нейтрального положения.

Серводвигатель может вращаться от 0 до 180 градусов, но может вращаться до 210 градусов, в зависимости от производителя. Эту степень вращения можно контролировать, подавая электрический импульс соответствующей ширины на его управляющий контакт. 

Серводвигатель против шагового двигателя: быстрое сравнение

	Серводвигатель	Шаговый двигатель
Система управления	Замкнутый контур (с обратной связью)	Открытый контур (без обратной связи)
Точность	Очень высокая	Высокая
Скорость	Высокая (постоянный крутящий момент)	Средняя (крутящий момент уменьшается)
Расходы	Выше	Ниже
Лучшие приложения	Робототехника, ЧПУ, высокоскоростные задачи	3D-принтеры, простое позиционирование

Когда выбирать серводвигатели: для приложений, требующих высокой точности, переменных нагрузок, плавного движения и управления с обратной связью.

Когда выбирать шаговые двигатели: для проектов, чувствительных к стоимости, простых задач позиционирования и когда приемлемо управление с разомкнутым контуром.

Типы серводвигателей

Серводвигатели бывают разных типов, каждый из которых подходит для определенных применений. Давайте рассмотрим их основные типы.

1. Серводвигатели переменного тока

Серводвигатели переменного тока работают на переменном токе (AC). Они очень надежны и обеспечивают плавную работу в приложениях, требующих точного управления на высоких скоростях и больших нагрузках. Серводвигатели переменного тока часто используются в промышленных машинах, таких как конвейерные ленты, станки с ЧПУ и робототехника, из-за их долговечности и эффективности.

2. Серводвигатели постоянного тока

Серводвигатели постоянного тока работают на постоянном токе (DC). Они проще по конструкции и легче в управлении, чем серводвигатели переменного тока. Благодаря быстрому отклику и доступности они обычно используются в маломощных приложениях, таких как игрушки, небольшая робототехника и системы домашней автоматизации.

3. Серводвигатели позиционного вращения

Этот тип является наиболее распространенным и используется для управления угловыми движениями. Они вращаются на определенный угол на основе входных сигналов, что делает их идеальными для таких приложений, как роботизированные руки, позиционирование антенн и подвесы камер.

4. Серводвигатели непрерывного вращения

В отличие от позиционных сервоприводов, сервоприводы непрерывного вращения свободно вращаются в любом направлении, не останавливаясь на фиксированном угле. Они идеально подходят для создания колес и конвейерных механизмов в роботах.

5. Линейные серводвигатели

Линейные серводвигатели преобразуют вращательное движение в линейное и используются в приложениях, требующих прямолинейных движений, например, в приводах промышленных машин и точного оборудования.

6. Бесщеточные серводвигатели

Бесщеточный серводвигатель — это тип электродвигателя, который использует постоянные магниты и работает без щеток, что снижает износ. Он обеспечивает более высокую эффективность, более высокие скорости и более длительный срок службы по сравнению с щеточными двигателями. Они управляются с помощью электронной коммутации, что обеспечивает плавное и эффективное движение.

Применение серводвигателей

Серводвигатели — универсальные устройства, используемые для точного управления движением в различных приложениях. Их способность обеспечивать точные движения и сохранять положение делает их незаменимыми во многих отраслях. 

Вот некоторые распространенные приложения, в которых серводвигатели играют решающую роль:

1. Робототехника

Серводвигатели широко используются в робототехнике для управления движениями, такими как роботизированные руки, захваты и суставы ног. Их точность и отзывчивость позволяют роботам выполнять такие задачи, как сборка деталей, подъем предметов и даже ходьба.

2. Станки с ЧПУ

В станках с числовым программным управлением (ЧПУ) серводвигатели приводят в действие режущие инструменты или станины станков с исключительной точностью. Это обеспечивает производство высококачественных деталей в таких отраслях, как автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность и производство.

3. Подвесы и стабилизаторы для камер

Серводвигатели помогают стабилизировать камеры в подвесах, обеспечивая плавные и ровные снимки даже в движении. Эта технология используется в дронах, кинопроизводстве и вещании.

4. Конвейерные системы

Серводвигатели используются в конвейерных лентах для точного управления скоростью и позиционирования в таких отраслях, как упаковка, пищевая промышленность и логистика. Они обеспечивают плавную обработку материалов и операции сортировки.

5. Медицинское оборудование

В медицинской сфере серводвигатели используются в таких устройствах, как хирургические роботы, протезы и системы визуализации для точных движений и регулировок. Например, они позволяют роботизированным рукам выполнять тонкие хирургические задачи.

6. Домашняя автоматизация

Серводвигатели используются в автоматических дверях, умных шторах и устройствах с дистанционным управлением. Их надежность и плавность работы повышают функциональность современных домов.

7. Игрушки и хобби-проекты

Серводвигатели приводят в действие радиоуправляемые автомобили, самолеты и роботов в игрушках и проектах DIY. Их простота использования и компактный размер делают их любимыми для любителей и студентов, изучающих автоматику и механику.

Часто задаваемые вопросы о серводвигателях:

В чем разница между сервоприводом и шаговым двигателем?

Основные различия между серводвигателями и шаговыми двигателями:

• Система управления: серводвигатели используют замкнутый контур управления с обратной связью, шаговые двигатели используют разомкнутый контур управления.

• Точность: сервоприводы обеспечивают более высокую точность благодаря обратной связи, шаговые двигатели обеспечивают хорошую точность шагов.

• Скорость: серводвигатели поддерживают крутящий момент на высоких скоростях, крутящий момент шаговых двигателей уменьшается со скоростью.

• Стоимость: шаговые двигатели более экономичны, серводвигатели стоят дороже

Серводвигатели отлично подходят для робототехники и высокоскоростных приложений, а шаговые двигатели идеально подходят для 3D-принтеров и простых задач позиционирования.

Какие производители серводвигателей являются популярными?

Популярные производители серводвигателей — Siemens, Mitsubishi Electric, Yaskawa Electric, Omron, Fanuc и Panasonic. Двигатели этих производителей обычно можно встретить в таких приложениях, как промышленная автоматизация, робототехника и станки с ЧПУ.

Как выбрать серводвигатель?

Выбор правильного серводвигателя зависит от крутящего момента, скорости и точности, необходимых для вашего приложения. Наиболее важным показателем при выборе серводвигателей является крутящий момент, необходимый для перемещения нагрузки. Затем рассмотрите требования к скорости и убедитесь что номинальная скорость двигателя соответствует вашим потребностям. Тип обратной связи также важен: если требуется высокая точность, идеальным вариантом будет двигатель с энкодером или другими системами обратной связи. Кроме того, учитывайте размер, напряжение и требования к мощности, чтобы обеспечить совместимость с вашей системой.

Как рассчитать крутящий момент серводвигателя?

Чтобы рассчитать крутящий момент серводвигателя, вам необходимо знать приложенную силу и расстояние от точки поворота (рычага). Основная формула для крутящего момента:

Крутящий момент (T) = Сила (F) × Расстояние (d)

Где:

Сила (F) — это нагрузка или сопротивление, которые двигатель должен перемещать, обычно измеряется в ньютонах (Н).
Расстояние (d) — это расстояние от точки поворота до точки приложения силы, измеряется в метрах (м).
Для более точных расчетов учитывайте такие факторы, как КПД двигателя, передаточное отношение и любое дополнительное механическое сопротивление в системе.

Как контролировать скорость серводвигателя?

Скорость серводвигателя можно контролировать, регулируя частоту входного сигнала или ширину импульса. В системе управления с помощью ШИМ (широтно-импульсная модуляция) скорость двигателя определяется рабочим циклом сигнала ШИМ — более высокие рабочие циклы соответствуют более высоким скоростям. Для управления скоростью:

1. Увеличьте частоту ШИМ: более высокая частота увеличит время отклика двигателя.

2. Отрегулируйте ширину импульса: длительность импульса влияет на положение двигателя, и, контролируя скорость достижения сервоприводом этого положения, вы можете влиять на скорость.

Используя драйвер двигателя или контроллер, можно изменять сигнал ШИМ для изменения скорости двигателя по мере необходимости.

Каковы последние достижения в технологии серводвигателей?

Последние достижения в области серводвигателей в 2025 году включают:

• Интеллектуальные серводвигатели: интеграция возможностей Интернета вещей и беспроводной связи для удаленного мониторинга и управления.

• AI-Enhanced Control: алгоритмы машинного обучения для систем предиктивного обслуживания и адаптивного управления.

• Улучшенные энкодеры: абсолютные энкодеры с более высоким разрешением и точностью 20–24 бита для сверхточного позиционирования.

• Энергоэффективность: усовершенствованные конструкции двигателей, достигающие эффективности более 95% с возможностью рекуперативного торможения.

• Интегрированная безопасность: встроенные функции функциональной безопасности (SIL3/PLe) для приложений промышленной автоматизации.

• Компактная конструкция: двигатели с более высокой плотностью мощности и встроенными приводами, сокращающие пространство для установки на 40%.

• Многоосевое управление: один контроллер, управляющий одновременно до 64 сервоосями для сложной робототехники.

Эти достижения способствуют их внедрению в коллаборативную робототехнику, автономные транспортные средства и производственные системы Industry 4.0, делая серводвигатели более интеллектуальными, эффективными и взаимосвязанными, чем когда-либо прежде.

Технические характеристики серводвигателя и руководство по их выбору

При выборе серводвигателей учитывайте следующие ключевые характеристики: крутящий момент (измеряется в кг/см), скорость (время вращения), рабочее напряжение (обычно 4,8-6 В) и требования к управляющему сигналу (частота ШИМ и диапазон длительности импульса). Популярные бренды серводвигателей включают Futaba, Hitec, Tower Pro (MG995, SG90) и сервоприводы Corona для хобби.

9 просмотров