Moteur servo à courant continu : construction, fonctionnement, interface avec Arduino et ses applications

UN servomoteur ou servo est un type de moteur électrique utilisé pour faire tourner les pièces de la machine avec une grande précision. Ce moteur comprend un circuit de commande qui fournit une rétroaction sur l'emplacement actuel de l'arbre du moteur, de sorte que cette rétroaction permet simplement à ces moteurs de tourner avec une grande précision. Un servomoteur est bénéfique pour faire tourner un objet à une certaine distance ou à un certain angle. Ce moteur est classé en deux types de servomoteurs à courant alternatif et de servomoteurs à courant continu. Si un servomoteur utilise une alimentation CC pour fonctionner, le moteur est appelé servomoteur CC, tandis que s'il fonctionne avec une alimentation CA, il est appelé servomoteur CA. Ce didacticiel fournit de brèves informations sur Servomoteur CC – travailler avec des applications.

Qu'est-ce qu'un servomoteur à courant continu ?

Un servomoteur qui utilise une entrée électrique CC pour produire une sortie mécanique telle que la position, la vitesse ou l'accélération est appelé un servomoteur CC. Généralement, ces types de moteurs sont utilisés comme moteurs principaux dans les machines à commande numérique, les ordinateurs et bien d'autres partout où les démarrages et les arrêts sont effectués. précisément et très rapidement.

Construction et fonctionnement de servomoteurs à courant continu

Le servomoteur à courant continu est construit avec différents composants qui sont donnés dans le schéma fonctionnel suivant. Dans ce schéma, chaque composant et sa fonction sont décrits ci-dessous.

Le moteur utilisé ici est un moteur à courant continu typique, y compris son enroulement de champ qui est excité séparément. Ainsi, en fonction de la nature de l'excitation, les servomoteurs commandés par armature et commandés par champ peuvent être classés en outre.

La charge utilisée ici est un simple ventilateur ou une charge industrielle qui est simplement connectée à l'arbre mécanique du moteur.

La boîte de vitesses dans cette construction fonctionne comme un transducteur mécanique pour modifier la sortie du moteur comme l'accélération, la position ou la vitesse en fonction de l'application.

La fonction principale d'un capteur de position est d'obtenir le signal de retour équivalent à la position actuelle de la charge. Généralement, il s'agit d'un potentiomètre utilisé pour fournir une tension proportionnelle à l'angle absolu de l'arbre du moteur à travers le mécanisme d'engrenage.

La fonction de comparateur est de comparer l'o/p d'un capteur de position et d'un point de référence pour produire le signal d'erreur et le transmettre à l'amplificateur. Si le moteur à courant continu fonctionne avec un contrôle précis, il n'y a pas d'erreur. Le capteur de position, la boîte de vitesses et le comparateur feront du système une boucle fermée.

La fonction de l'amplificateur est d'amplifier l'erreur du comparateur et de la transmettre au moteur à courant continu. Ainsi, il fonctionne comme un contrôleur proportionnel partout où le gain est renforcé pour une erreur en régime permanent nulle.

Le signal contrôlé donne l'entrée au PWM (modulateur de largeur d'impulsion) en fonction du signal de retour afin qu'il module l'entrée du moteur pour un contrôle précis, sinon aucune erreur d'état stable. De plus, ce modulateur de largeur d'impulsion utilise une forme d'onde et un comparateur de référence pour produire des impulsions.

En réalisant le système en boucle fermée, une accélération, une vitesse ou une position exacte est obtenue. Comme son nom l'indique, le servomoteur est un moteur contrôlé qui fournit la sortie préférée en raison de l'effet de rétroaction et de contrôleur. Le signal d'erreur est simplement amplifié et utilisé pour entraîner le servomoteur. Selon la nature de la production du signal de commande et du modulateur de largeur d'impulsion, ces moteurs ont des méthodes de contrôle supérieures avec des puces FPGA ou des processeurs de signaux numériques.

Le fonctionnement du servomoteur à courant continu est ; chaque fois que le signal d'entrée est appliqué au moteur à courant continu, il fait tourner l'arbre et les engrenages. Donc, fondamentalement, la rotation de la sortie des engrenages est renvoyée au capteur de position (potentiomètre) dont les boutons tournent et changent leur résistance. Chaque fois que la résistance est modifiée, une tension est modifiée, ce qui est un signal d'erreur qui est introduit dans le contrôleur et par conséquent PWM est généré.

Pour en savoir plus sur les types de servomoteurs à courant continu, veuillez consulter ce lien : Différents types de servomoteurs .

Fonction de transfert du servomoteur CC

La fonction de transfert peut être définie comme le rapport de la transformée de Laplace (LT) de la variable o/p à la LT ( transformation de Laplace ) de la variable i/p. Généralement, le moteur à courant continu change l'énergie électrique en énergie mécanique. L'énergie électrique fournie aux bornes de l'induit est transformée en énergie mécanique régulée.

La fonction de transfert du servomoteur à courant continu commandé par armature est illustrée ci-dessous.

θ(s)/Va(s) = (K1/(Js2 + Bs)*(Las + Ra)) /1 + (K1KbKs)/(Js2 + Bs)*(Las+Ra)

La fonction de transfert de servomoteur cc commandée sur le terrain est illustrée ci-dessous.

θ(s)/Vf (s) = Kf / (sLf + Rf) * (s2J + Bs)

Le servomoteur à courant continu contrôlé par armature offre des performances supérieures en raison du système en boucle fermée par rapport au servomoteur à courant continu contrôlé par le champ qui est le système en boucle ouverte. De plus, la vitesse de réponse est lente dans le système de contrôle de champ. Dans le cas contrôlé par l'induit, l'inductance de l'induit est négligeable, alors que dans le cas du contrôle de champ, ce n'est pas la même chose. Mais, dans le contrôle Infield, un amortissement amélioré n'est pas réalisable, alors que, dans le contrôle de l'induit, il peut être atteint.

Caractéristiques

Le servomoteur à courant continu fournit des spécifications de performances qui incluent les éléments suivants. Ces spécifications doivent être adaptées en fonction des besoins de charge de l'application pour dimensionner correctement un moteur.

• La vitesse de l'arbre définit simplement la vitesse à laquelle l'arbre tourne, exprimée en RPM (rotations par minute).
• Habituellement, la vitesse proposée par le fabricant est la vitesse à vide de l'arbre o/p ou la vitesse à laquelle le couple de sortie du moteur est nul.
• La tension aux bornes est la tension de conception du moteur qui détermine la vitesse du moteur. Cette vitesse est simplement contrôlée en augmentant ou en diminuant la tension fournie au moteur.
• La force de rotation comme le couple est générée par l'arbre du servomoteur à courant continu. Ainsi, le couple requis pour ce moteur est simplement déterminé par les caractéristiques vitesse-couple des différentes charges subies dans l'application cible. Ces couples sont de deux types couple de démarrage et couple continu.
• Le couple de démarrage est le couple requis lors du démarrage du servomoteur. Ce couple est normalement plus élevé par rapport au couple continu.
• Le couple continu est le couple de sortie qui est la capacité du moteur dans des conditions de fonctionnement constantes.
• Ces moteurs doivent avoir une vitesse et une capacité de couple suffisantes pour l'application, y compris une marge de 20 à 30 % entre les besoins de charge ainsi que les puissances nominales du moteur pour garantir la fiabilité. Lorsque ces marges dépassent trop alors l'efficacité du coût sera réduite. spécifications du servomoteur CC sans noyau 12 V CC de Faulhaber sommes:
• Le rapport de boîte de vitesses est de 64: l Boîte de vitesses planétaire à trois étages.
• Le courant de charge est de 1400 mA.
• La puissance est de 17W.
• La vitesse est de 120 tr/min.
• Le courant à vide est de 75 mA.
• Le type d'encodeur est optique.
• La résolution de l'encodeur est de 768 CPR de l'arbre O/P.
• Le diamètre est de 30 mm.
• La longueur est de 42 mm.
• La longueur totale est de 85 mm.
• Le diamètre de l'arbre est de 6 mm.
• La longueur de l'arbre est de 35 mm.
• Le couple de décrochage est de 52kgcm.

Les caractéristiques

La caractéristiques d'un servomoteur à courant continu inclure les éléments suivants.

• La conception du servomoteur à courant continu est similaire à un aimant permanent ou à un moteur à courant continu excité séparément.
• Le contrôle de la vitesse de ce moteur se fait en contrôlant la tension d'induit.
• Le servomoteur est conçu avec une résistance d'induit élevée.
• Il fournit une réponse de couple rapide.
• Un changement progressif de la tension d'induit génère un changement rapide de la vitesse du moteur.

Servomoteur AC Vs Servomoteur DC

La différence entre un servomoteur à courant continu et un servomoteur à courant alternatif comprend les éléments suivants.

Interfaçage d'un servomoteur à courant continu avec Arduino

Pour contrôler un servomoteur à courant continu à un angle exact et requis, une carte Arduino/tout autre microcontrôleur peut être utilisé. Cette carte a une sortie analogique qui génère un signal PWM pour faire tourner le servomoteur à un angle précis. Vous pouvez également déplacer la position angulaire du servomoteur avec un potentiomètre ou des boutons-poussoirs à l'aide d'un Arduino.

Le servomoteur peut également être contrôlé avec une télécommande IR qui est facilement disponible. Cette télécommande est utile pour déplacer le servomoteur à courant continu à un angle spécifique ou pour augmenter ou diminuer l'angle du moteur de manière linéaire avec une télécommande IR.

Ici, nous discuterons de la façon de déplacer le servomoteur à l'aide d'une télécommande infrarouge à l'aide d'Arduino à un angle spécifique et également d'augmenter ou de diminuer l'angle du servomoteur avec la télécommande dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Le schéma d'interface du servomoteur CC avec Arduino et la télécommande IR est illustré ci-dessous. Les connexions de cet interfaçage suivent comme;

Cette interface utilise principalement trois composants essentiels tels que le servomoteur à courant continu, la carte Arduino et le capteur IR TSOP1738. Ce capteur a trois bornes comme Vcc, GND et sortie. La borne Vcc de ce capteur est connectée au 5V de la carte Arduino Uno, la borne GND de ce capteur est connectée à la borne GND de la carte Arduino & la borne de sortie est connectée à la broche 12 (entrée numérique) de la carte Arduino.

La broche de sortie numérique 5 est simplement connectée à la broche d'entrée de signal du servomoteur pour entraîner le moteur
La broche +ve du servomoteur à courant continu est donnée à l'alimentation externe 5V et la broche GND du servomoteur est donnée à la broche GND d'Arduino.

Travail

La télécommande infrarouge est utilisée pour effectuer deux actions à 30 degrés, 60 degrés et 90 degrés, ainsi que pour augmenter/diminuer l'angle du moteur de 0 à 180 degrés.

La télécommande contient de nombreux boutons comme les boutons numériques (0-9), les boutons pour le contrôle de l'angle, les boutons fléchés, les boutons haut/bas, etc. angle exact et lorsque le bouton angle haut/bas est enfoncé, l'angle du moteur peut être réglé exactement à ± 5 degrés.

Une fois les boutons décidés, les codes de ces boutons doivent être décodés. Une fois qu'un bouton de la télécommande est enfoncé, il enverra un code pour effectuer l'action requise. Pour décoder ces codes à distance, la bibliothèque à distance IR est utilisée à partir d'Internet.

Téléchargez le programme suivant dans Arduino et connectez le capteur IR. Placez maintenant la télécommande vers le capteur IR et appuyez sur le bouton. Après cela, ouvrez le moniteur série et surveillez le code du bouton enfoncé sous forme de chiffres.

Code Arduino

#include // ajoute la bibliothèque distante IR
#include // ajoute la bibliothèque de servomoteurs
SAV1 ;
int IRpin = 12 ; // broche pour le capteur IR
int moteur_angle=0 ;
IRrecv irrecv(IRpin);
résultats decode_results ;
void setup()
{
Série.begin(9600); // initialise la communication série
Serial.println ('Servomoteur télécommandé IR'); // affiche le message
irrecv.enableIRIn(); // Démarre le récepteur
servo1.attache(5); // déclare la broche du servomoteur
servo1.write(angle_moteur); // déplacer le moteur à 0 degré
Serial.println('Angle du servomoteur 0 degré');
retard (2000);
}
boucle vide ()
{
while(!(irrecv.decode(&results))); // attend qu'aucun bouton ne soit pressé
if (irrecv.decode(&results)) // lorsque le bouton est enfoncé et que le code est reçu
{
if(results.value==2210) // vérifie si le bouton du chiffre 1 est enfoncé
{
Serial.println ('angle du servomoteur 30 degrés');
angle_moteur = 30 ;
servo1.write(angle_moteur); // déplacer le moteur à 30 degrés
}
else if(results.value==6308) // si le bouton chiffre 2 est appuyé
{
Serial.println ('angle du servomoteur 60 degrés');
angle_moteur = 60 ;
servo1.write(angle_moteur); // déplacer le moteur à 60 degrés
}
else if(results.value==2215) // comme pour tous les boutons numériques
{
Serial.println ('angle du servomoteur 90 degrés');
angle_moteur = 90 ;
servo1.write(angle_moteur);
}
sinon si(results.value==6312)
{
Serial.println ('angle du servomoteur 120 degrés');
angle_moteur = 120 ;
servo1.write(angle_moteur);
}
sinon si(results.value==2219)
{
Serial.println ('angle du servomoteur 150 degrés');
angle_moteur = 150 ;
servo1.write(angle_moteur);
}
else if(results.value==6338) // si le bouton d'augmentation du volume est enfoncé
{
si(angle_moteur<150) angle_moteur+=5 ; // augmente l'angle du moteur
Serial.print('L'angle du moteur est ');
Serial.println(angle_moteur);
servo1.write(angle_moteur); // et déplacez le moteur à cet angle
}
else if(results.value==6292) // si le bouton de réduction du volume est enfoncé
{
si(angle_moteur>0) angle_moteur-=5 ; // diminue l'angle du moteur
Serial.print('L'angle du moteur est ');
Serial.println(angle_moteur);
servo1.write(angle_moteur); // et déplacez le moteur à cet angle
}
retard(200); // attend 0.2 sec
irrecv.resume(); // à nouveau prêt à recevoir le code suivant
}
}

L'alimentation du servomoteur CC est fournie par le 5V externe et l'alimentation du capteur IR et de la carte Arduino est fournie par USB. Une fois que la puissance est donnée au servomoteur, il se déplace à 0 degrés. Après cela, le message sera affiché comme 'l'angle du servomoteur est de 0 degré' sur le moniteur série.

Maintenant sur la télécommande, une fois que le bouton 1 est enfoncé, le servomoteur à courant continu se déplacera de 30 degrés. De même, une fois que des boutons tels que 2, 3, 4 ou 5 sont enfoncés, le moteur se déplace avec les angles souhaités tels que 60 degrés, 90 degrés, 120 degrés ou 150 degrés. Maintenant, le moniteur série affichera la position angulaire du servomoteur sous la forme 'angle du servomoteur xx degrés'

Une fois le bouton d'augmentation du volume enfoncé, l'angle du moteur sera augmenté de 5 degrés, ce qui signifie que s'il est de 60 degrés, il passera à 65 degrés. Ainsi, la position du nouvel angle sera affichée sur le moniteur série.

De même, une fois que le bouton d'angle vers le bas est enfoncé, l'angle du moteur sera diminué de 5 degrés, ce qui signifie que si l'angle est de 90 degrés, il passera à 85 degrés. Le signal de la télécommande IR est détecté par le capteur IR . Pour savoir comment il détecte et comment fonctionne le capteur IR, cliquez sur ici

Ainsi, la position du nouvel angle sera affichée sur le moniteur série. Par conséquent, nous pouvons facilement contrôler l'angle du servomoteur à courant continu avec la télécommande Arduino et IR.

Pour savoir comment interfacer un moteur à courant continu avec un microcontrôleur 8051, cliquez sur ici

Avantages du servomoteur à courant continu

La avantages des servomoteurs à courant continu inclure les éléments suivants.

• Le fonctionnement du servomoteur à courant continu est stable.
• Ces moteurs ont une puissance de sortie beaucoup plus élevée que la taille et le poids du moteur.
• Lorsque ces moteurs tournent à grande vitesse, ils ne génèrent aucun bruit.
• Ce fonctionnement du moteur est sans vibration ni résonance.
• Ces types de moteurs ont un rapport couple / inertie élevé et peuvent absorber des charges très rapidement.
• Ils ont une grande efficacité.
• Ils donnent des réponses rapides.
• Ceux-ci sont portables et légers.
• Le fonctionnement des Quatre Quadrants est possible.
• À grande vitesse, ceux-ci sont audiblement silencieux.

La inconvénients des servomoteurs à courant continu inclure les éléments suivants.

• Le mécanisme de refroidissement du servomoteur à courant continu est inefficace. Donc ce moteur se pollue rapidement une fois ventilé.
• Ce moteur génère une puissance de sortie maximale à une vitesse de couple plus élevée et nécessite un engrenage régulier.
• Ces moteurs peuvent être endommagés par une surcharge.
• Ils ont une conception complexe et ont besoin d'un encodeur.
• Ces moteurs doivent être réglés pour stabiliser la boucle de rétroaction.
• Il nécessite de l'entretien.

Applications de servomoteurs CC

La applications des servomoteurs à courant continu inclure les éléments suivants.

• Les servomoteurs à courant continu sont utilisés dans les machines-outils pour couper et former le métal.
• Ceux-ci sont utilisés pour le positionnement d'antennes, l'impression, l'emballage, le travail du bois, les textiles, la fabrication de ficelles ou de cordes, les CMM (machines de mesure de coordonnées), la manipulation de matériaux, le polissage du sol, l'ouverture de portes, la table X-Y, l'équipement médical et le filage de plaquettes.
• Ces moteurs sont utilisés dans les systèmes de contrôle des avions où les limitations d'espace et de poids nécessitent des moteurs pour fournir une puissance élevée pour chaque unité de volume.
• Ceux-ci sont applicables là où un couple de démarrage élevé est nécessaire, comme les entraînements de soufflantes et les ventilateurs.
• Ceux-ci sont également utilisés principalement pour la robotique, les appareils de programmation, les actionneurs électromécaniques, les machines-outils, les contrôleurs de processus, etc.

Ainsi, ceci est un aperçu du dc servomoteur - travail avec des candidatures. Ces servomoteurs sont utilisés dans diverses industries pour apporter la solution à de nombreux mouvements mécaniques. Les caractéristiques de ces moteurs les rendront très efficaces et puissants. Voici une question pour vous, qu'est-ce qu'un servomoteur AC ?