Wbrew potocznej opinii serwonapędy to nie tylko motor i ewentualny komputer, który nim steruje, ale znacznie bardziej skomplikowana architektura. Aby lepiej oddać istotę rzeczy, zamiast o serwonapędach powinniśmy raczej mówić o serwomechanizmach, na które składają się trzy sekcje: sekcja poleceń zwana sekcją sterowników, sekcja wzmacniająca oraz sekcja napędu. 

Czym w istocie są serwonapędy? Odpowiedź jest prosta – to układy pracujące w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego, służące do pozycjonowania osi (motoru) według wybranych parametrów ruchu, takich jak prędkość, przyspieszenie, pozycja czy moment obrotowy. Warto mieć na uwadze, że dany układ może pozycjonować oś na podstawie jednego z powyższych parametrów bądź też – coraz częściej – kilku z nich.

Serwonapędy to nie tylko silniki

Analizując działanie serwonapędów, należy zacząć od sekcji sterowników ruchu, która jest „mózgiem” układu. Składają się na nią specjalne urządzenia, które umożliwiają regulację prędkości, położenia czy momentu obrotowego serwomotoru, niezależnie od tego, czy są to serwosterowniki jedno- czy wieloosiowe. Zadaniem sterowników pracujących w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego jest sterowanie motorem – na podstawie danych zwrotnie napływających z enkodera – tak by uzyskać oczekiwany efekt, czyli zmianę prędkości obrotowej o określoną wartość bądź też obrót wrzeciona motoru o zadany kąt.

Sekcja wzmacniająca to serwowzmacniacz (źródło zasilania dla serwomotoru) odbierający od sterownika sygnały polecenia i dostarczający do motoru tak dobraną moc, by ten mógł pracować, dokładnie wykonując przesłane sygnałem polecenie. Serwowzmacniacz ma też drugie istotne zadanie: odbiera sygnały zwrotne o pozycji i innych parametrach silnika, które dostarcza mu sprzężony z motorem enkoder (resolwer). Posiadając dane o sygnale polecenia ze sterowników i zwrotne dane z enkodera o realnym stanie napędu, serwowzmacniacz sprawdza rozbieżność między nimi i uzyskuje albo wynik zerowy (motor pracuje zgodnie z sygnałem), albo dodatni (jest rozbieżność).

Ostatnia sekcja to motor oraz enkoder, co oznacza, że realizowane są tu dwa zadania: napędzanie i wykrywanie stanu motoru. Jak już wspomniano, resolwer jest tym elementem systemu, który bada aktualną pozycję bądź prędkość obrotową (lub inny parametr) motoru i informację o wybranym parametrze przesyła zwrotnie do wzmacniacza. To właśnie dzięki temu sprzężeniu zwrotnemu wzmacniacz wraz ze sterownikiem może wprowadzać odpowiednią korektę w sterowaniu motorem, by utrzymać zadaną pozycję, prędkość czy moment obrotowy w przypadku wykrycia rozbieżności między sygnałem ze sterownika a sygnałem z enkodera. Warto pamiętać, że stosuje się różne rodzaje enkoderów – z magnetyczną lub optyczną techniką pomiaru pozycji osi.

Rodzaje serwonapędów

Serwonapędy często klasyfikuje się ze względu na rodzaj serwomotoru zastosowanego w układzie i najogólniej wyróżnia się tu trzy grupy:

1) układy z motorem synchronicznym, zasilanym prądem zmiennym (AC), który cechuje się wysokim momentem obrotowym i kompaktową konstrukcją przy niskiej masie;

2) układy z motorem indukcyjnym, zasilanym prądem AC, który osiąga wysokie prędkości, spory moment obrotowy i któremu – w przeciwieństwie do pozostałych dwóch rodzajów motorów – nie grozi rozmagnesowanie;

3) układy z motorem prądu stałego (DC), którego wydajność nie jest tak duża jak w przypadku pozostałych, ale łatwiej nim sterować za pomocą serwowzmacniacza.

Serwonapędy czasem też są dzielone ze względu na metodę pomiaru zastosowaną w enkoderach. Chodzi tu o metodę inkrementalną (inaczej zwaną przyrostową) oraz metodę absolutną. Do tego dochodzą jeszcze techniki pomiaru – wspomniane już techniki optyczne i magnetyczne. Dziś metodą wiodącą jest zdecydowanie metoda absolutna, której przewaga polega w głównej mierze na dużej dokładności i umiejętności określania bezwzględnego położenia bez konieczności bazowania – co przydaje się np. w sytuacjach chwilowego braku zasilania. Enkodery absolutne po przywróceniu napięcia wskazują od razu bieżącą pozycję i zaczynają liczyć od pozycji, w której zostały zatrzymane.

Inna klasyfikacja opiera się na metodzie sterowania układem przez sterowniki. Można tu wskazać serwonapędy ze sterowaniem analogowym bądź cyfrowym, a w obrębie tego drugiego można wyodrębnić rodzaje interfejsów komunikacyjnych (protokoły typu RS, CANopen czy bardzo powszechny PLC).

Rola serwonapędów w automatyce przemysłowej

Automatyka przemysłowa stosuje serwonapędy na wielu polach. Są one dobrym rozwiązaniem w niemal wszystkich sytuacjach związanych z precyzyjną kontrolą ruchu, czyli – najogólniej mówiąc – z zatrzymaniem się mechanizmu w dokładnie oczekiwanej pozycji w ścisłej synchronizacji z innymi podzespołami maszyn przy częstej powtarzalności i zachowaniu błyskawicznej reakcji na zmiany prędkości bądź obciążenia. Te niezbędne już dla całych gałęzi przemysłu systemy można zastosować bardzo wielu mechanizmach, takich jak: precyzyjne wtryskarki, roboty przemysłowe, obrabiarki, maszyny drukarskie, urządzenia do podnoszenia i układania ładunków, różnego rodzaju ucinacze czy maszyny nawijające (włókiennictwo).

Druga duża grupa maszyn korzystających z serwonapędów to maszyny wiercące, frezujące, bądź sterujące stołem obrotowym – jednym słowem branża CNC. Bardzo powszechne stały się też w procesach przenoszenia produktów i ich pakowania (zwłaszcza produktów żywnościowych), gdzie wykonuje się takie czynności jak: rozwijanie i zwijanie materiałów, napełnianie pojemników (w tym nalewanie płynów) i ich zamykanie, dokręcanie pokrywek z określoną siłą (Nm), krojenie żywnościowych produktów czy przesuwanie opakowań oraz ich etykietowanie. 

W przypadku serwonapędów do pakowania żywności istotną kwestią jest możliwość czyszczenia ich środkami chemicznymi, co oznacza, że muszą być szczelne i spełniać wymagania IP 66, IP 67 lub IP 69K.

Jeszcze jedno pole zastosowań serwonapędów to sterowanie transportem i automatyka systemów komplementacji zamówień. Co istotne, obecna oferta czołowych producentów serwonapędów jest bardzo szeroka. Można dobrać mechanizm do praktycznie każdych warunków pracy, włączając w to warunki o dużym zapyleniu czy wysokiej temperaturze.

Przyszłość

Serwonapędy stają się coraz bardziej kompaktowe – i proces ten zapewne będzie jeszcze trwał przez najbliższe lata. Dzięki temu wchodzą na coraz to nowe pola, na których jeszcze dekadę temu nikt się ich nie spodziewał.

Jednak znacznie ważniejszym trendem wydaje się dążenie producentów serwonapędów do tworzenia produktów szybko wdrażanych do pracy, opartych na zasadzie plug & play, a więc niewymagających dostrajania, a dodatkowo sprawnie komunikujących się ze swym maszynowym i software’owym otoczeniem (Internet of Things). Jeśli dodać do tego szybko rosnącą dokładność enkoderów (24-bitowość, ponad 15 mln impulsów na jeden obrót, a wkrótce więcej), można śmiało oczekiwać, że automatyka przemysłowa nadchodzących dekad będzie w jeszcze większym stopniu oparta na technologiach serwo.

Źródło zdjęcia: YouTube/Astor