Servo Motor DC: Construção, Funcionamento, Interface com Arduino e Suas Aplicações

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UMA servo motor ou servo é um tipo de motor elétrico usado para girar as peças da máquina com alta precisão. Este motor inclui um circuito de controle que fornece feedback sobre a localização atual do eixo do motor, de modo que esse feedback simplesmente permite que esses motores girem com alta precisão. Um servo motor é benéfico para girar um objeto em alguma distância ou ângulo. Este motor é classificado em dois tipos de servo motor AC e servo motor DC. Se um servo motor usa energia CC para funcionar, o motor é chamado de servo motor CC, enquanto que, se funciona com energia CA, é conhecido como servo motor CA. Este tutorial fornece informações resumidas sobre o servo motor DC – trabalhando com aplicativos.


O que é servomotor CC?

Um servomotor que usa entrada elétrica CC para produzir saída mecânica como posição, velocidade ou aceleração é chamado de servomotor CC. precisamente e muito rapidamente.



  Servo Motor DC
Servo Motor DC

Construção e Trabalho de Servo Motor DC

O servo motor DC é construído com diferentes componentes que são dados no seguinte diagrama de blocos. Neste diagrama, cada componente e sua função são discutidos abaixo.

  Diagrama de blocos do servo motor DC
Diagrama de blocos do servo motor DC

O motor usado é um motor CC típico, incluindo seu enrolamento de campo que é excitado separadamente. Portanto, dependendo da natureza da excitação, ainda podem ser categorizados como servomotores controlados por armadura e controlados por campo.



A carga utilizada é um simples ventilador ou carga industrial que é simplesmente conectada ao eixo mecânico do motor.

A caixa de engrenagens nesta construção funciona como um transdutor mecânico para alterar a saída do motor como aceleração, posição ou velocidade, dependendo da aplicação.

  PCBWay

A principal função de um sensor de posição é obter o sinal de feedback equivalente à posição atual da carga. Geralmente, este é um potenciômetro usado para fornecer uma tensão proporcional ao ângulo absoluto do eixo do motor através do mecanismo de engrenagem.

A função do comparador é comparar o/p de um sensor de posição e um ponto de referência para produzir o sinal de erro e entregá-lo ao amplificador. Se o motor DC funcionar com controle preciso, não haverá erro. O sensor de posição, a caixa de engrenagens e o comparador farão do sistema um circuito fechado.

A função do amplificador é amplificar o erro do comparador e alimentá-lo ao motor DC. Portanto, ele funciona como um controlador proporcional onde quer que o ganho seja reforçado para erro de estado estacionário zero.

O sinal controlado fornece a entrada para PWM (modulador de largura de pulso), dependendo do sinal de feedback, de modo que ele modula a entrada do motor para controle preciso, caso contrário, erro de estado estacionário zero. Além disso, este modulador de largura de pulso utiliza uma forma de onda de referência e um comparador para produzir pulsos.

Ao fazer o sistema de malha fechada, obtém-se aceleração, velocidade ou posição exata. Como o nome sugere, o servo motor é um motor controlado que fornece a saída preferida devido ao efeito de feedback e controlador. O sinal de erro é simplesmente amplificado e utilizado para acionar o servo motor. Dependendo da natureza de produção do modulador de largura de pulso e sinal de controle, esses motores têm métodos controlados superiores com chips FPGA ou processadores de sinal digital.

O funcionamento do servo motor DC é; sempre que o sinal de entrada é aplicado ao motor CC, ele gira o eixo e as engrenagens. Então, basicamente, a rotação da saída das engrenagens é realimentada para o sensor de posição (potenciômetro) cujos botões giram e alteram sua resistência. Sempre que a resistência é alterada, uma tensão é alterada, que é um sinal de erro que é alimentado no controlador e, consequentemente, o PWM é gerado.

Para saber mais sobre os tipos de servomotores DC, consulte este link: Diferentes tipos de servomotores .

Função de transferência do servo motor DC

A função de transferência pode ser definida como a razão da transformada de Laplace (LT) da variável o/p para o LT ( transformada de Laplace ) da variável i/p. Geralmente, o motor DC muda a energia de elétrica para mecânica. A energia elétrica fornecida nos terminais da armadura é transformada em energia mecânica controlada.

A função de transferência do servo motor CC controlada por armadura é mostrada abaixo.

  Diagrama de Blocos do Servo Motor DC Controlado por Armadura
Diagrama de Blocos do Servo Motor DC Controlado por Armadura

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

A função de transferência do servomotor CC controlada em campo é mostrada abaixo.

  Diagrama de Blocos de Servo Motor DC Controlado por Campo
Diagrama de Blocos de Servo Motor DC Controlado por Campo

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

O servo motor CC controlado por armadura oferece desempenho superior devido ao sistema de malha fechada quando comparado ao servo motor CC controlado por campo, que é o sistema de malha aberta. Além disso, a velocidade de resposta é lenta dentro do sistema de controle de campo. No caso controlado por armadura, a indutância da armadura é desprezível, enquanto que, no caso de controle de campo, não é a mesma. Mas, no controle interno, o amortecimento aprimorado não é alcançável, ao passo que, no controle da armadura, pode ser obtido.

Especificações

O servo motor DC fornece especificações de desempenho que incluem o seguinte. Essas especificações devem ser combinadas com base nas necessidades de carga da aplicação para dimensionar corretamente um motor.

  • A velocidade do eixo simplesmente define a velocidade na qual o eixo gira, expressa em RPM (rotações por minuto).
  • Normalmente, a velocidade oferecida pelo fabricante é a velocidade sem carga do eixo o/p ou a velocidade na qual o torque de saída do motor é zero.
  • A tensão do terminal é a tensão de projeto do motor que determina a velocidade do motor. Esta velocidade é simplesmente controlada aumentando ou diminuindo a tensão fornecida ao motor.
  • A força rotacional como torque é gerada pelo eixo do servo motor DC. Portanto, o torque necessário para este motor é simplesmente determinado pelas características de velocidade-torque das diferentes cargas experimentadas na aplicação de destino. Esses torques são dois tipos de torque inicial e torque contínuo.
  • O torque de partida é o torque necessário durante a partida do servomotor. Este torque é normalmente maior em comparação com o torque contínuo.
  • O torque contínuo é o torque de saída que é a capacidade do motor em condições de funcionamento constante.
  • Esses motores devem ter velocidade e capacidade de torque suficientes para a aplicação, incluindo uma margem de 20 a 30% entre as necessidades de carga, bem como as classificações do motor para garantir a confiabilidade. Quando essas margens excedem muito, a eficácia do custo será reduzida. especificações do Servo Motor DC Coreless 12V DC da Faulhaber são:
  • A relação da caixa de engrenagens é 64: l Caixa de engrenagens planetárias de três estágios.
  • A corrente de carga é de 1400 mA de potência.
  • A potência é de 17W.
  • A velocidade é de 120 RPM.
  • A corrente sem carga é de 75mA.
  • O tipo de Codificador é Óptico.
  • A resolução do codificador é 768CPR do eixo O/P.
  • O diâmetro é de 30mm.
  • O comprimento é 42mm.
  • O comprimento total é de 85 mm.
  • O diâmetro do eixo é de 6 mm.
  • O comprimento do eixo é de 35 mm.
  • O torque de estol é de 52kgcm.

Características

o características de um servo motor DC inclui o seguinte.

  • O design do servo motor DC é semelhante a um ímã permanente ou motor DC excitado separadamente.
  • O controle de velocidade deste motor é feito pelo controle da tensão da armadura.
  • O servo motor é projetado com alta resistência de armadura.
  • Ele fornece uma resposta de torque rápida.
  • Uma mudança de passo dentro da tensão de armadura gera uma mudança rápida na velocidade do motor.

Servo Motor AC Vs Servo Motor DC

A diferença entre um servo motor DC e um servo motor AC inclui o seguinte.

Servo Motor CA

Servo Motor DC

Um tipo de servomotor que utiliza entrada elétrica CA para gerar saída mecânica é chamado de servomotor CA. Um tipo de servomotor que utiliza entrada elétrica CC para gerar saída mecânica é chamado de servomotor CC.
O servomotor CA oferece baixa potência de saída. O servo motor DC oferece alta potência de saída.
Esses motores são ajustáveis ​​para condições de operação de alta velocidade. Esses motores são ajustáveis ​​para condições de operação de baixa velocidade.
Esses tipos de motores desenvolvem alto torque. Esses tipos de motores desenvolvem baixo torque.
A operação deste motor é estável, suave e com menos ruído. A operação deste motor é menos estável e ruidosa.
Esses motores têm menos eficiência. Estes motores têm alta eficiência.
Esses motores têm menos problemas de estabilidade. Esses motores têm mais problemas de estabilidade.
Nestes motores, não há problema de ruído eletrônico. Nestes motores, existe um problema de ruído eletrônico devido à presença de escovas.
A manutenção destes motores é menor. A manutenção desses motores é alta devido à presença de escovas e comutador.
Estes são leves e em tamanhos pequenos. Estes são pesados ​​e em tamanho grande.
Esses motores são apropriados para aplicações baseadas em baixa potência. Esses motores são apropriados para aplicações baseadas em alta potência.

Interface de Servo Motor DC com Arduino

Para controlar um servo motor DC em um ângulo exato e necessário, uma placa Arduino/qualquer outro microcontrolador pode ser usada. Esta placa possui o/p analógico que gera um sinal PWM para girar o servo motor em um ângulo preciso. Você também pode mover a posição do ângulo do servo motor com um potenciômetro ou botões de pressão usando um Arduino.

O servo motor também pode ser controlado com um controle remoto IR que está disponível prontamente. Este controle remoto é útil para mover o servo motor DC para um ângulo específico ou aumentar ou diminuir o ângulo do motor linearmente com um controle remoto IR.

Aqui estaremos discutindo como mover o servo motor usando um controle remoto IR usando o Arduino em um ângulo específico e também aumentando ou diminuindo o ângulo do servo motor com o controle remoto no sentido horário e anti-horário. O diagrama de interface do servo motor DC com Arduino e controle remoto IR é mostrado abaixo. As conexões desta interface seguem como;

  Interface Servo Motor DC com Arduino
Interface Servo Motor DC com Arduino

Essa interface usa principalmente três componentes essenciais, como servo motor DC, placa Arduino e sensor IR TSOP1738. Este sensor tem três terminais como Vcc, GND e saída. O terminal Vcc deste sensor está conectado a 5V da placa Arduino Uno, o terminal GND deste sensor está conectado ao terminal GND da placa Arduino e o terminal de saída está conectado ao pino 12 (entrada digital) da placa Arduino.

O pino de saída digital 5 é simplesmente conectado ao pino de entrada de sinal do servo motor para acionar o motor
O pino +ve do servo motor dc é dado à fonte externa de 5V e o pino GND do servo motor é dado ao pino GND do Arduino.

Trabalhando

O controle remoto IR é usado para executar duas ações de 30 graus, 60 graus e 90 graus e também para aumentar/diminuir o ângulo do motor de 0 a 180 graus.

O controle remoto contém muitos botões, como botões de dígitos (0-9), botões para controle de ângulo, botões de seta, botões para cima/para baixo, etc. ângulo exato e quando o botão de ângulo para cima/para baixo é pressionado, o ângulo do motor pode ser ajustado exatamente em ±5 graus.

Uma vez que os botões são decididos, os códigos desses botões precisam ser decodificados. Assim que qualquer botão do controle remoto for pressionado, ele enviará um código para executar a ação necessária. Para decodificar esses códigos remotos, a biblioteca remota IR é usada na Internet.

Carregue o seguinte programa no Arduino e conecte o sensor IR. Agora coloque o controle remoto em direção ao sensor IR e pressione o botão. Depois disso, abra o monitor serial e monitore o código do botão pressionado na forma de números.

Código Arduino

#include // adiciona biblioteca remota IR
#include // adiciona biblioteca de servo motor
Serviço de serviço1;
int IRpin = 12; // pino para o sensor IR
int motor_angle=0;
IRrecv irrecv(IRpin);
resultados decode_results;
void setup()
{
Serial.begin(9600); // inicializa a comunicação serial
Serial.println(“Servo motor controlado remotamente IR”); // exibe mensagem
irrecv.enableIRIn(); // Inicia o receptor
servo1.attach(5); // declara o pino do servo motor
servo1.write(motor_angle); // move o motor para 0 graus
Serial.println(“Ângulo do servo motor 0 graus”);
atraso(2000);
}
laço vazio()
{
while(!(irrecv.decode(&resultados))); // espera até que nenhum botão seja pressionado
if (irrecv.decode(&results)) // quando o botão é pressionado e o código é recebido
{
if(results.value==2210) // verifica se o botão do dígito 1 está pressionado
{
Serial.println(“ângulo do servo motor 30 graus”);
motor_angle = 30;
servo1.write(motor_angle); // move o motor para 30 graus
}
else if(results.value==6308) // se o botão do dígito 2 for pressionado
{
Serial.println(“ângulo do servo motor 60 graus”);
motor_angle = 60;
servo1.write(motor_angle); // move o motor para 60 graus
}
else if(results.value==2215) // da mesma forma para todos os botões de dígitos
{
Serial.println(“ângulo do servo motor 90 graus”);
motor_angle = 90;
servo1.write(motor_angle);
}
senão if(resultados.valor==6312)
{
Serial.println(“ângulo do servo motor 120 graus”);
motor_angle = 120;
servo1.write(motor_angle);
}
senão if(resultados.valor==2219)
{
Serial.println(“ângulo do servo motor 150 graus”);
motor_angle = 150;
servo1.write(motor_angle);
}
else if(results.value==6338) // se o botão de aumentar o volume for pressionado
{
if(ângulo_motor<150) ângulo_motor+=5; // aumenta o ângulo do motor
Serial.print(“O ângulo do motor é “);
Serial.println(ângulo_do_motor);
servo1.write(motor_angle); // e move o motor para aquele ângulo
}
else if(results.value==6292) // se o botão de diminuir o volume for pressionado
{
if(ângulo_motor>0) ângulo_motor-=5; // diminui o ângulo do motor
Serial.print('O ângulo do motor é ');
Serial.println(ângulo_do_motor);
servo1.write(motor_angle); // e move o motor para aquele ângulo
}
atraso(200); // espera 0,2 seg
irrecv.resume(); // novamente esteja pronto para receber o próximo código
}
}

A alimentação do servo motor DC é fornecida a partir de 5V externo e a alimentação do sensor IR e da placa Arduino é fornecida a partir de USB. Depois que a energia é fornecida ao servo motor, ele se move para 0 graus. Depois disso, a mensagem será exibida como “ângulo do servo motor é 0 graus” no monitor serial.

Agora, no controle remoto, uma vez que o botão 1 é pressionado, o servo motor dc se moverá 30 graus. Da mesma forma, uma vez que botões como 2, 3, 4 ou 5 são pressionados, o motor se moverá com os ângulos desejados como 60 graus, 90 graus, 120 graus ou 150 graus. Agora, o monitor serial exibirá a posição do ângulo do servo motor como “ângulo do servo motor xx graus”

Depois que o botão de aumentar o volume for pressionado, o ângulo do motor será aumentado em 5 graus, o que significa que, se for de 60 graus, ele se moverá para 65 graus. Assim, a posição do novo ângulo será exibida no monitor serial.

Da mesma forma, quando o botão de redução do ângulo for pressionado, o ângulo do motor será reduzido em 5 graus, o que significa que, se o ângulo for de 90 graus, ele se moverá para 85 graus. O sinal do controle remoto IR é detectado pelo sensor IR. Para saber como ele detecta e como funciona o sensor IR clique aqui

Assim, a posição do novo ângulo será exibida no monitor serial. Portanto, podemos controlar facilmente o ângulo do servo motor DC com Arduino e controle remoto IR.

Para saber como fazer a interface do Motor DC com o microcontrolador 8051 clique aqui

Vantagens do servomotor DC

o vantagens dos servo motores DC inclui o seguinte.

  • A operação do servo motor DC é estável.
  • Esses motores têm potência de saída muito maior do que o tamanho e o peso do motor.
  • Quando esses motores funcionam em altas velocidades, eles não geram nenhum ruído.
  • Esta operação do motor é livre de vibração e ressonância.
  • Esses tipos de motores têm alta relação torque/inércia e podem pegar cargas muito rapidamente.
  • Eles têm alta eficiência.
  • Eles dão respostas rápidas.
  • Estes são portáteis e leves.
  • A operação de Quatro Quadrantes é possível.
  • Em altas velocidades, eles são audivelmente silenciosos.

o Desvantagens dos servo motores DC inclui o seguinte.

  • O mecanismo de resfriamento do servo motor DC é ineficiente. Portanto, este motor fica poluído rapidamente quando é ventilado.
  • Este motor gera potência de saída máxima em uma velocidade de torque mais alta e precisa de engrenagens regulares.
  • Esses motores podem ser danificados por sobrecarga.
  • Eles têm um design complexo e precisam de um codificador.
  • Esses motores precisam de ajuste para estabilizar o loop de realimentação.
  • Requer manutenção.

Aplicações de Servo Motor DC

o aplicações de servo motores DC inclui o seguinte.

  • Os servomotores DC são usados ​​em máquinas-ferramentas para corte e conformação de metal.
  • Estes são usados ​​para posicionamento de antena, impressão, embalagem, marcenaria, têxteis, fabricação de barbante ou corda, CMM (máquinas de medição por coordenadas), manuseio de materiais, polimento do piso, abertura de portas, mesa X-Y, equipamentos médicos e fiação de wafer.
  • Esses motores são usados ​​em sistemas de controle de aeronaves onde as limitações de espaço e peso precisam de motores para fornecer alta potência para cada unidade de volume.
  • Estes são aplicáveis ​​onde é necessário um alto torque de partida, como acionamentos de sopradores e ventiladores.
  • Estes também são usados ​​principalmente para robótica, dispositivos de programação, atuadores eletromecânicos, máquinas-ferramentas, controladores de processo, etc.

Assim, esta é uma visão geral do dc servo motor - funcionando com aplicações. Esses servomotores são usados ​​em várias indústrias para fornecer a solução para muitos movimentos mecânicos. As características desses motores os tornarão muito eficientes e poderosos. Aqui está uma pergunta para você, o que é AC Servo Motor?