Οι σερβοκινητήρες είναι απαραίτητα συστήματα για βιομηχανικές εφαρμογές που απαιτούν υψηλή ακρίβεια, ταχύτητα και έλεγχο θέσης. Χρησιμοποιούνται ευρέως στη ρομποτική, σε μηχανές CNC, στο βιομηχανικό αυτοματισμό (συσκευασία, παλετοποίηση), σε ιατρικά μηχανήματα και στην αεροναυπηγική.
Άρθρο του κ. Νίκου Κορακιανίτη*
Οι σερβοκινητήρες αποτελούν ειδική κατηγορία ηλεκτρικών κινητήρων που χρησιμοποιούνται ευρέως στον τομέα του ελέγχου κίνησης. Ειδικότερα, εφαρμόζονται σε συστήματα ελέγχου θέσης, ταχύτητας και ροπής στρέψης του άξονα, αποτελώντας βασικό στοιχείο πολλών τεχνολογικών εφαρμογών εδώ και αρκετά χρόνια.
Η ταξινόμηση των κινητήρων μπορεί να πραγματοποιηθεί με βάση την τάση τροφοδοσίας και τη μορφή κίνησης. Οι σερβοκινητήρες ταξινομούνται σε ηλεκτρικούς, πνευματικούς και υδραυλικούς, με τους ηλεκτρικούς κινητήρες να κατηγοριοποιούνται έτσι όπως παρουσιάζεται στο σχήμα 1, ανάλογα με την τάση τροφοδοσίας τους, σε κινητήρες συνεχούς ρεύματος (DC motors), κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος (AC motors), βηματικούς κινητήρες (stepping motors) και σερβοκινητήρες (servo motors). Επιπλέον, ανάλογα με τη μορφή της παραγόμενης κίνησης, διακρίνονται σε περιστροφικούς και γραμμικούς κινητήρες (linear motors).
Κατηγορίες ηλεκτρικών κινητήρων με βάση την τάση τροφοδοσίας
Οι σερβοκινητήρες δεν επιτρέπουν μόνο τη ρύθμιση των στροφών, όπως οι συμβατικοί κινητήρες με ρυθμιστές ή inverter, αλλά και τον ακριβή έλεγχο της θέσης του άξονα. Για τον λόγο αυτό χρησιμοποιούνται ευρέως σε συστήματα αυτομάτου ελέγχου.
Παρότι κατασκευαστικά μοιάζουν με τους κοινούς κινητήρες, διαφέρουν επειδή ενσωματώνουν σύστημα ανάδρασης, το οποίο σε συνδυασμό με τον σερβομηχανισμό οδήγησης επιτρέπει τον έλεγχο της ροπής, της ταχύτητας ή της θέσης. Επιπλέον, έχουν τη δυνατότητα να αναπτύσσουν μεγάλες επιταχύνσεις από κατάσταση ακινησίας, γεγονός που απαιτεί μικρή ροπή αδράνειας και υψηλή ροπή στρέψης.
Ωστόσο, προκειμένου να επιτευχθούν οι προηγούμενες ενέργειες, θα πρέπει:
– Να έχει μεγάλο μήκος και μικρή διάμετρο ο ρότορας.
– Να υπάρχουν περιελίξεις αντιστάθμισης, ώστε να επιτρέπεται η ανάπτυξη μεγαλύτερων ρευμάτων και, κατ’ επέκταση, μεγαλύτερης ροπής στρέψης.
– Να χρησιμοποιούνται μόνιμοι μαγνήτες σε κινητήρες μικρής ισχύος, ώστε να βελτιώνεται η απόδοση και η δυναμική συμπεριφορά.
-Να είναι μικρή η σταθερά χρόνου L/R του τυλίγματος του ρότορα.
Σερβοκινητήρες συνεχούς ρεύματος
Οι σερβοκινητήρες συνεχούς ρεύματος (DC servo motors) είναι κινητήρες συνεχούς ρεύματος ανεξάρτητης διέγερσης ή κινητήρες με μόνιμους μαγνήτες. Ανάλογα με τον τρόπο ελέγχου και τη δομή τους, διακρίνονται οι ακόλουθοι τύποι:
Σερβοκινητήρες ελεγχόμενου πεδίου: Στον τύπο αυτό των κινητήρων, ο έλεγχος πραγματοποιείται μέσω μεταβολής της τάσης στο τύλιγμα διέγερσης, ως αποτέλεσμα του σήματος σφάλματος που εφαρμόζεται στην είσοδο του ενισχυτή. Εφόσον το ρεύμα του τυλίγματος του δρομέα παραμένει σταθερό, η αναπτυσσόμενη ροπή εξαρτάται άμεσα από τη μαγνητική ροή του πεδίου, δηλαδή από το ρεύμα διέγερσης, μέχρι το σημείο κορεσμού του μαγνητικού κυκλώματος.
Σερβοκινητήρες ελέγχου τυμπάνου (ή δρομέα): Στους κινητήρες αυτούς, το τύλιγμα διέγερσης τροφοδοτείται με συνεχές ρεύμα από σταθερή πηγή, ενώ το τύλιγμα του δρομέα τροφοδοτείται μέσω ενισχυτή. Ο έλεγχος επιτυγχάνεται με μεταβολή της τάσης στο τύλιγμα του δρομέα και εφαρμόζεται συνήθως σε κινητήρες ισχύος έως περίπου 1.000 HP. Αν αντιστραφεί η πολικότητα της τάσης του δρομέα και του σήματος σφάλματος, αντιστρέφεται και η φορά περιστροφής του κινητήρα. Σε εφαρμογές μεγάλης ισχύος, οι κινητήρες αυτοί τροφοδοτούνται συχνά από στρεφόμενους ενισχυτές, όταν ο σερβομηχανισμός απαιτεί υψηλή ισχύ.
Σερβοκινητήρες σειράς με χωρισμένο πεδίο: Πρόκειται για μικρούς κινητήρες συνεχούς ρεύματος, συνήθως κλασματικής ισχύος, οι οποίοι μπορούν να λειτουργούν ως κινητήρες ελεγχόμενου πεδίου. Διαθέτουν δύο τυλίγματα, το κύριο και το βοηθητικό, τα οποία αναπτύσσουν συνήθως ίση μαγνητεγερτική δύναμη και είναι τοποθετημένα έτσι ώστε να μπορούν να προκαλέσουν αντίθετες φορές περιστροφής. Οι κινητήρες αυτού του τύπου αναπτύσσουν υψηλή ροπή εκκίνησης και παρουσιάζουν ταχεία απόκριση ακόμη και σε μικρά σήματα σφάλματος. Γενικά, οι δρομείς των κινητήρων DC παράλληλης ή σειράς διέγερσης εμφανίζουν μεγαλύτερη ροπή αδράνειας από τους αντίστοιχους κινητήρες AC ίδιας ισχύος, λόγω των βαρύτερων τυλιγμάτων τους.
Σερβοκινητήρες μόνιμων μαγνητών ελέγχου τυμπάνου: Οι κινητήρες αυτοί είναι μικροί σερβοκινητήρες συνεχούς ρεύματος, κλασματικής ισχύος και μικρής ροπής, κατάλληλοι κυρίως για διατάξεις μετρήσεων και εφαρμογές ακριβείας. Η δημιουργία του πεδίου διέγερσης επιτυγχάνεται με μόνιμους μαγνήτες, χωρίς να απαιτείται ξεχωριστή τροφοδοσία διέγερσης από πηγή συνεχούς ρεύματος. Συνήθως κατασκευάζονται για ονομαστικές τάσεις όπως 6 V και 23 V. Ο στάτης έχει συνήθως μορφή κυκλικού δακτυλίου που περιβάλλει το τύμπανο, εξασφαλίζοντας υψηλή μαγνητική ροή. Επιπλέον, διαθέτουν κατάλληλα τυλίγματα αντιστάθμισης, ώστε να αποφεύγεται η απομαγνήτιση των μόνιμων μαγνητών κατά την απότομη αντιστροφή της πολικότητας της τάσης του δρομέα. Ο έλεγχός τους πραγματοποιείται με μεταβολή της τάσης στο τύλιγμα του δρομέα.
Στο σχήμα 3α παρουσιάζεται το σχηματικό διάγραμμα ενός σερβοκινητήρα συνεχούς ρεύματος ανεξάρτητης διέγερσης. Η βασική αρχή λειτουργίας του είναι ίδια με εκείνη των συμβατικών κινητήρων συνεχούς ρεύματος.
Οι σερβοκινητήρες συνεχούς ρεύματος αυτού του τύπου ελέγχονται συνήθως μέσω της τάσης του τυμπάνου. Το τύμπανο σχεδιάζεται έτσι ώστε να παρουσιάζει υψηλή αντίσταση, ώστε τα χαρακτηριστικά ροπής – ταχύτητας να είναι γραμμικά και να εμφανίζουν μεγάλη αρνητική κλίση, όπως φαίνεται στο σχήμα 3γ. Η αρνητική αυτή κλίση προσδίδει ομαλή απόσβεση στο σερβοκινητήριο σύστημα.
Υπενθυμίζεται ότι, σε μια μηχανή συνεχούς ρεύματος, η μαγνητεγερτική δύναμη του τυμπάνου και η μαγνητεγερτική δύναμη του τυλίγματος διέγερσης είναι σε τεταρτημοριακή σχέση, όπως φαίνεται και στο σχήμα 3β. Το χαρακτηριστικό αυτό εξασφαλίζει ταχεία απόκριση της ροπής, καθώς η ροπή και η μαγνητική ροή είναι αποσυζευγμένες. Κατά συνέπεια, μια βηματική μεταβολή της τάσης ή του ρεύματος του τυμπάνου προκαλεί άμεση μεταβολή της θέσης ή της ταχύτητας του δρομέα.
Σχήμα 3: Σερβοκινητήρας συνεχούς ρεύματος και ανεξάρτητης διέγερσης: Σχηματικό διάγραμμα (α), σχέση μαγνητεγερτικής δύναμης τυμπάνου – πεδίου διέγερσης (β) και χαρακτηριστικές ροπής – ταχύτητας (γ).
Σερβοκινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος (Ε.Ρ.)
Οι σερβοκινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος μπορούν να είναι διφασικοί ή τριφασικοί. Οι διφασικοί αποτελούνται από δύο τυλίγματα στο στάτη, τοποθετημένα έτσι ώστε να παρουσιάζουν διαφορά φάσης 90°, καθώς και από τον δρομέα. Το ένα τύλιγμα ονομάζεται «τύλιγμα αναφοράς» και τροφοδοτείται με εναλλασσόμενη τάση σταθερής τιμής, ενώ το άλλο ονομάζεται «τύλιγμα ελέγχου» και τροφοδοτείται με την τάση ελέγχου. Όταν εφαρμοστούν οι αντίστοιχες τάσεις στα τυλίγματα, δημιουργείται στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο, με αποτέλεσμα την περιστροφή του δρομέα. Ο δρομέας είναι κατασκευασμένος από χάλκινες ράβδους βραχυκυκλωμένες μεταξύ τους. Η ταχύτητα και η φορά περιστροφής καθορίζονται από το πλάτος και τη φάση της τάσης ελέγχου. Οι σερβοκινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος παρουσιάζουν υψηλή ροπή στρέψης σε μικρές γωνιακές ταχύτητες. Η σχέση μεταξύ ροπής και γωνιακής ταχύτητας είναι παρόμοια με εκείνη των σερβοκινητήρων συνεχούς ρεύματος με έλεγχο δρομέα, καθώς η ροπή στρέψης μειώνεται γραμμικά με την αύξηση της γωνιακής ταχύτητας.
Εφαρμογές
Η δυνατότητα των σερβοκινητήρων να παρέχουν στα συστήματα ελέγχου κίνησης ακριβή έλεγχο ταχύτητας και θέσης, σε συνδυασμό με την ικανότητά τους να καλύπτουν υψηλές απαιτήσεις ροπής, τους καθιστά κατάλληλους για ευρύ φάσμα βιομηχανικών εφαρμογών. Οι περισσότερες από αυτές σχετίζονται με την αυτοματοποίηση παραγωγικών διαδικασιών, καθώς και με τη μεταφορά και συσκευασία υλικών και προϊόντων.
Ειδικότερα, οι σερβοκινητήρες χρησιμοποιούνται ευρέως σε ρομποτικά συστήματα, τα οποία περιλαμβάνουν προηγμένες εργαλειομηχανές κατεργασίας υλικών, μηχανές συγκόλλησης και βαφής μετάλλων, καθώς και συστήματα συναρμολόγησης στη βιομηχανική παραγωγή.
Στον τομέα της κατεργασίας υλικών διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη των συμβατικών εργαλειομηχανών σε εργαλειομηχανές αριθμητικού ελέγχου (CNC). Εφαρμόζονται επίσης σε μηχανές κοπής μετάλλων, σε τριαξονικά συστήματα κοπής και σε συστήματα κοπής εν κινήσει πολλαπλών σταθμών, όπου είναι δυνατός ο συγχρονισμός πολλών αξόνων. Σημαντική είναι επίσης η χρήση τους σε μηχανές συρματουργίας.
Παράλληλα, οι σερβοκινητήρες βρίσκουν εφαρμογή σε μηχανές επεξεργασίας χαρτιού, ξύλου και μαρμάρου, καθώς και σε μηχανές παραγωγής πλαστικών προϊόντων, όπως είναι εξωθητήρες (extruders) και μηχανές εμφύσησης (blow molding machines). Επιπλέον, χρησιμοποιούνται σε ειδικές εφαρμογές άλλων βιομηχανικών κλάδων, όπως είναι η καπνοβιομηχανία και η τυπογραφία.
Στον τομέα της μεταφοράς και συσκευασίας υλικών και προϊόντων, οι σερβοκινητήρες έχουν επίσης εκτεταμένη χρήση. Ενδεικτικά, αξιοποιούνται σε εγκιβωτιστικά και παλετοποιητικά συστήματα, σε συστήματα παραλαβής και τοποθέτησης (pick-and-place), καθώς και σε μηχανές συσκευασίας, καρτονοποίησης και επικόλλησης ετικετών. Τέλος, χρησιμοποιούνται σε γεμιστικά μηχανήματα για χύδην στερεά και υγρά προϊόντα.
Τύποι μόνιμων μαγνητών
Βασικοί τύποι μόνιμων μαγνητών που χρησιμοποιούνται στους σερβοκινητήρες είναι οι εξής:
- Κεραμικοί ή φερριτικοί μαγνήτες (ferrite magnets): Αποτελούνται κυρίως από οξείδιο του σιδήρου σε συνδυασμό με ενώσεις βαρίου ή στροντίου. Χρησιμοποιούνται συνήθως σε κινητήρες σχετικά μικρής ισχύος και σε εφαρμογές ελέγχου με περιορισμένες ενεργειακές απαιτήσεις, λόγω του χαμηλού κόστους και της ικανοποιητικής απόδοσής τους.
- Μαγνήτες αλουμινίου – νικελίου – κοβαλτίου (AlNiCo): Αποτελούνται κυρίως από αλουμίνιο, νικέλιο και κοβάλτιο, ενώ ενδέχεται να περιέχουν και μικρές ποσότητες σιδήρου, χαλκού ή τιτανίου. Παρότι παρουσιάζουν καλές μαγνητικές ιδιότητες, σήμερα χρησιμοποιούνται περιορισμένα στο σχεδιασμό νέων κινητήρων, εξαιτίας του υψηλού κόστους τους και της σχετικά εύκολης απομαγνήτισής τους υπό ορισμένες συνθήκες λειτουργίας.
- Μαγνήτες σαμαρίου – κοβαλτίου (SmCo): Χαρακτηρίζονται από υψηλή θερμική αντοχή και μεγάλη ανθεκτικότητα στη διάβρωση. Ωστόσο, λόγω του αυξημένου κόστους τους, προτιμώνται κυρίως σε εξειδικευμένες εφαρμογές όπου η λειτουργία σε υψηλές θερμοκρασίες και η αξιοπιστία αποτελούν κρίσιμες απαιτήσεις.
- Μαγνήτες νεοδυμίου – σιδήρου – βορίου (NdFeB): Αποτελούν τη σύγχρονη και πλέον διαδεδομένη κατηγορία μόνιμων μαγνητών. Οι εξαιρετικές μαγνητικές τους ιδιότητες επιτρέπουν την κατασκευή συμπαγών και αποδοτικών κινητήρων, συμβάλλοντας παράλληλα στη μείωση του μεγέθους και του κόστους κατασκευής. Βασικό τους μειονέκτημα αποτελεί η αυξημένη ευαισθησία τους στη διάβρωση, γεγονός που απαιτεί κατάλληλη προστασία.
Σχήμα 4: Διφασικός σερβοκινητήρας εναλλασσόμενου ρεύματος: Σχηματικό διάγραμμα (α) και Χαρακτηριστικές ροπής – ταχύτητας (β).
Πηγές
- Kimerius Aircraft, https://www.kimerius.com/
- E-MOTION https://www.ecet.us/category-s/4522.htm
- HyVISION SYSTEM, https://en.hyvision.co.kr/108/?idx=40
- IntelLiDrives, https://www.intellidrives.com/AppNotes_linear_actuators.htm
- Β. Γούσιας και Α. Δούσης, «Τεχνική Ατζέντα Ηλεκτρικών Κινητήρων», Πτυχιακή Εργασία, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών Τ.Ε., ΤΕΙ Δυτικής Ελλάδας, Πάτρα, 2016.
- SEW-EURODRIVE, “Οδηγίες Λειτουργίας: Τριφασικοί Ηλεκτροκινητήρες με Αντιεκρηκτική Προστασία EDR..71 – 315, Ασύγχρονοι Σερβοκινητήρες EDR..71 – 225,” SEW-EURODRIVE GmbH & Co KG, Bruchsal, Germany, Τεύχος 16715403 / EL, 2011.
- P. C. Sen, Principles of Electric Machines and Power Electronics, 3rd ed. Hoboken, NJ, USA: Wiley, 2013.
*0 κ. Νικόλαος Κορακιανίτης είναι εκπαιδευτικός, ηλεκτρολόγος μηχανικός & τεχνολογίας υπολογιστών, κάτοχος MSc in Microelectronics και υποψήφιος διδάκτορας του Πανεπιστημίου Δυτικής Αττικής.
