กลไก servo เป็นระบบควบคุมอัตโนมัติที่ช่วยให้จำนวนการควบคุมเอาท์พุทของวัตถุที่จะติดตามการเปลี่ยนแปลงโดยพลการของเป้าหมายอินพุต (หรือค่าที่กำหนด)
จากนั้นวิธีการทำให้ได้ตำแหน่งที่แม่นยำของเซอร์โวมอเตอร์วิธีทำความเข้าใจลักษณะวงปิดของมัน อันดับแรกให้ดูที่องค์ประกอบของระบบ AC servo ซึ่งประกอบด้วยไดรเวอร์เซอร์โวและเซอร์โวมอเตอร์ ที่นี่เราส่วนใหญ่พูดคุยเกี่ยวกับหลักการทำงานของไดรฟ์เซอร์โวมอเตอร์เป็นเพียงตัวกระตุ้น ไดอะแกรมแผนผังของไดรเวอร์มีดังนี้ คล้ายกับวงจรหลักของอินเวอร์เตอร์แหล่งจ่ายไฟจะได้รับการแก้ไขและกลับด้านเพื่อให้เกิดการแปลงจาก AC → DC → AC
แผนภาพโครงสร้างไดรฟ์ของเซอร์โว
สัญญาณอินพุต / คำสั่งสามารถเป็นสัญญาณควบคุมเช่นตำแหน่งความเร็วและแรงบิดซึ่งสอดคล้องกับโหมดควบคุมสามโหมดของเซอร์โวมอเตอร์ โหมดควบคุมแต่ละโหมดสอดคล้องกับการควบคุมของวงแหวน การควบคุมแรงบิดคือการควบคุมวงปิดปัจจุบันและโหมดความเร็วคือการควบคุมวงปิดความเร็ว โหมดนี้เป็นโหมดควบคุมวงปิดสามโหมด (แรงบิด, ความเร็ว, ตำแหน่ง) ด้านล่างเราวิเคราะห์ลูปปิดทั้งสามของโหมดตำแหน่ง:
การควบคุมวงปิดสามโหมดโหมดตำแหน่ง
ในรูปด้านบน M หมายถึงเซอร์โวมอเตอร์, PG หมายถึงเอนโค้ดเดอร์และสีน้ำเงินด้านนอกสุดแทนลูปตำแหน่ง เพราะในที่สุดเราก็ควบคุมตำแหน่ง (การวางตำแหน่ง) วงแหวนภายในคือลูปความเร็วและลูปปัจจุบัน (ลูปแรงบิด) ตามลำดับ การวนรอบความเร็วต่ำและการวนรอบปัจจุบันทำหน้าที่เป็นวงแหวนป้องกันเพื่อป้องกันการควบคุมแผงลอยและการโอเวอร์โหลดเพื่อให้มั่นใจความเร็วมอเตอร์คงที่และกระแสมอเตอร์คงที่ เรามุ่งเน้นไปที่วิธีการวนลูปตำแหน่งทำให้มั่นใจว่ามอเตอร์สามารถหมุนได้อย่างแม่นยำในมุมที่กำหนด
ถ้าเราให้พัลส์, พัลส์ความคิดเห็นคือ 0, ส่วนเบี่ยงเบนของพัลส์Δp = 1, อินพุตไปยังคอนโทรลเลอร์, ในเวลานี้วงจรไดรฟ์ควบคุมอินเวอร์เตอร์ IPM เพื่อสร้างคลื่น SPWM เพื่อขับเซอร์โวมอเตอร์ คลื่น SPWM นี้ มันแตกต่างจากคลื่นสี่เหลี่ยมของพัลส์ plc ของเรา เมื่อมอเตอร์ขับเคลื่อนตัวเข้ารหัสเพื่อหมุนมันจะส่งพัลส์ป้อนกลับ ในเวลานี้△ p = 0, มอเตอร์หยุดส่งออกและตำแหน่งชีพจรหนึ่งตำแหน่ง กระบวนการทั้งหมดตั้งแต่พัลส์ไปจนถึงการยอมรับพัลส์ป้อนกลับเป็นกระบวนการลูปปิดเพื่อให้แน่ใจว่ามอเตอร์สามารถจัดตำแหน่งได้อย่างถูกต้อง จำนวนพัลส์จะกำหนดระยะทางของการวางตำแหน่ง ความถี่ของพัลส์จะเป็นตัวกำหนดความเร็วของมอเตอร์
เซอร์โวมอเตอร์ (servo motor) เป็นอุปกรณ์ แม่เหล็กไฟฟ้าแบบหนึ่งที่ใช้ในการหมุนตัวขับ (actuator) ไปยังตำแหน่งต่างๆ ด้วยความแม่นยำ โดยใช้สัญญาณพัลส์เพื่อกำหนดตำแหน่งในการหมุน มักนิยมใช้ในรถบังคับวิทยุ เครื่องบินบังคับวิทยุ หรือใช้ควบคุมแขนขาของหุ่นยนต์ ส่วนใหญ่จะรู้จักกันภายใต้ชื่อว่า RC เซอร์โวมอเตอร์ โดยคำว่า RC มาจาก Radio Control หรือการบังคับด้วยวิทยุ เนื่องจากในยุคแรกๆ ของการพัฒนาเซอร์โวมอเตอร์ จะถูกนำมาใช้ในงานวิทยุบังคับเป็นหลัก
ปกติแล้วเซอร์โวมอเตอร์ที่ยังไม่ได้รับการปรับแต่งใดๆ นั้นจะใช้ในการควบคุมตำแหน่งของอุปกรณ์ เช่น การบังคับเลี้ยวของรถบังคับวิทยุ หรือใช้สำหรับปรับหางเสือของเรือหรือ เครื่องบิน ซึ่งงานเหล่านี้ต้องการแรงบิด
ของมอเตอร์ที่สูงพอสมควร ดังนั้นเซอร์โวมอเตอร์จึงต้องมีอัตราทดที่มากพอ เพื่อให้สามารถรองรับงานดังกล่าวได้ เซอร์โวมอเตอร์มาตรฐานจะมีมุมในการหมุนอยู่ระหว่าง 90 ถึง 180 องศา แล้วแต่ ผู้ผลิต แต่ที่นิยมมากที่สุดคือ 0 ถึง 180 องศา และในบางรุ่นของบางผู้ผลิตจะสามารถดัดแปลง ให้หมุนได้ครบ 360 องศาด้วย
ปัจจุบันเซอร์โวมอเตอร์มีด้วยกัน 2 ชนิดหลักๆ คือ ชนิดอะนาลอกและดิจิตอลรูปร่างภายนอกของเซอร์โวมอเตอร์ทั้งสองชนิดจะคล้ายกันมาก ความแตกต่างจะอยู่ที่วงจรควบคุมที่อยู่ภายใน โดยในชนิดอะนาลอกจะใช้วงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ประกอบด้วยอุปกรณ์ สารกึ่งตัวนำจำพวก ทรานซิสเตอร์ มอสเฟต หรือไอซีออปแอมป์เป็นหลัก ในขณะที่ชนิดดิจิตอลจะใช้ ไมโครโปรเซสเซอร์หรือไมโครคอนโทรลเลอร์เป็นตัวควบคุมหลัก
โครงสร้างของเซอร์โวมอเตอร์
ภายในเซอร์โวมอเตอร์ประกอบด้วย มอเตอร์ไฟตรงขนาดเล็ก,ชุดเฟืองทด, แผงวงจรควบคุม และตัวต้านทานปรับค่าได้ (POT : Potentiometer) โดยแผงวงจรควบคุมจะมีวงจรป้อนกลับ เพื่อให้เซอร์โวมอเตอร์รับรู้ตำแหน่งของตัวเองได้ โดยผู้ใช้งานเพียงส่งสัญญาณพัลส์ออกไปควบคุมเท่านั้น ดังแสดงไดอะแกรมการทำงานของเซอร์โวมอเตอร์ในรูปที่ 1 แกนของมอเตอร์ไฟตรงจะต่อเข้ากับ ชุดเฟืองเพื่อลดความเร็วรอบลงส่งผลให้แรงบิดที่แกนหมุนมากขึ้น ทั้งหมดทำงานร่วมกันภายใต้ ความสัมพันธ์
รูปที่ 1 แสดงไดอะแกรมการทำงานของเซอร์โวมอเตอร์
P = kwg
โดยที่ P คือ พลังงานที่ป้อนให้แก่มอเตอร์
k คือ ค่าคงที่
w คือ ความเร็วรอบ ในหน่วย รอบต่อนาที (rpm : round per minute)
g คือ แรงบิดหรือทอร์ค (torque)
ถ้าหากพลังงานที่จ่ายให้คงที่ เมื่อลดความเร็วรอบลงนั่นย่อมทำให้แรงบิดของมอเตอร์เพิ่มขึ้น การหมุนของมอเตอร์ได้รับการควบคุมจากวงจรควบคุม โดยมีตัวต้านทานปรับค่าได้เป็นตัวกำหนดขอบเขตของแกนหมุน ซึ่งหากไม่มีการปรับแต่งใดๆ แกนหมุนของมอเตอร์จะสามารถหมุนได้ในขอบเขต 0 ถึง 180 องศา (หรือน้อยกว่าขึ้นกับผู้ผลิต) ดังนั้นในการปรับแต่งให้เซอร์โวมอเตอร์สามารถขับแกนหมุนได้รอบตัวจึงมักจะใช้วิธีการถอดตัวต้านทานปรับค่าได้ออก แล้วแทนที่ด้วยตัวต้านทานค่าคงที่ 2 ตัว หรือดัดแปลงให้แกนหมุนของตัวต้านทานปรับค่าได้สามารถหมุนได้รอบตัว แกนหมุนของเซอร์โวมอเตอร์จะมีส่วนปลายเป็นร่องเฟือง (spline) เพื่อให้สามารถติดตั้งอุปกรณ์ที่ใช้ในการเชื่อมโยงไปยังตัวขับหรือกลไกอื่นๆ อุปกรณ์ที่ใช้เชื่อมโยงนั้นเรียกว่า ฮอร์น (horn) ซึ่งมีด้วยกันหลายรูปแบบทั้งแบบเป็นแขน, เป็นแท่ง, กากบาท, แผ่นกลม เป็นต้น สำหรับร่องเฟืองของเซอร์โวมอเตอร์แต่ละยี่ห้อก็มีจำนวนไม่เท่ากัน โดยของ Hitec จะมี 24 ร่องเฟือง ส่วนของ Futaba มี 25 ร่องเฟือง ทำให้ฮอร์นของทั้งสองยี่ห้อไม่สามารถใช้ร่วมกันได้
รูปที่ 2 แสดงการจัดสายสัญญาณของเซอร์โวมอเตอร์
รูปที่ 3 ลักษณะคอนเน็กเตอร์ของเซอร์โวมอเตอร์
คุณสมบัติทางเทคนิคที่สำคัญของ เซอร์โวมอเตอร์
มี 2 ค่าคือ ความเร็ว (speed) และแรงบิดหรือทอร์ค (torque) ความเร็วหมายถึง ระยะเวลาที่ทำให้แกนหมุนของมอเตอร์เคลื่อนที่สู่ตำแหน่งมุมที่กำหนด อาทิ เซอร์โวมอเตอร ตัวหนึ่งมีความเร็ว 0.15 วินาทีสำหรับ 60 องศา หมายถึงเซอร์โวมอเตอร์ตัวนี้สามารถขับให้แกนหมุนเคลื่อนที่ไปยังตำแหน่งมุม 60 องศาภายในเวลา 0.15 วินาที ส่วนแรงบิดมักจะปรากฏในหน่วยของออนซ์-นิ้ว (ounce-inches : oz-in) หรือ กิโลกรัม-เซนติเมตร (kg-cm) เป็นคุณสมบัติที่จะบอกต่อผู้ใช้งาน ว่าเซอร์โวมอเตอร์ตัวนี้มีแรงในการขับโหลดที่มีน้ำหนักในหน่วยออนซ์ให้สามารถเคลื่อนที่ไปได้ 1 นิ้ว หรือน้ำหนักในหน่วยกิโลกรัมให้เคลื่อนที่ ไปได้ 1 เซนติเมตร (น้ำหนัก 1 ออนซ์เท่ากับ 0.028 กิโลกรัมโดยประมาณ หรือ 1 กิโลกรัม เท่ากับ 35.274 ออนซ์)
อย่างไรก็ตาม ค่าของความเร็วและแรงบิด ต้องสัมพันธ์กับแรงดันไฟเลี้ยงที่จ่ายให้แก่เซอร์โวมอเตอร์ด้วย ซึ่งมักจะแรงดัน 4.8 หรือ 6V นอกจากนั้นยังมีปัจจัยเกี่ยวกับแรง เสียดทานในระบบเฟืองภายในเซอร์โวมอเตอร์ การหล่อลื่นการเชื่อมโยงระหว่างเฟืองต่อเฟืองในชุดเฟืองทด ที่ส่งผลให้ความเร็วและแรงบิดของ เซอร์โวมอเตอร์เปลี่ยนแปลงไปได้
การทำงานของแผงวงจรควบคุมใน เซอร์โวมอเตอร์ชนิดอะนาลอก
การหมุนของเซอร์โวมอเตอร์นั้นจะไม่ได้หมุนเป็นอิสระเหมือนมอเตอร์ทั่วๆ ไปโดยช่วงระยะการหมุนปกติจะอยู่ระหว่าง 90 ถึง 180 องศา ตำแหน่งการหมุนของแกนมอเตอร์ใน เซอร์โวมอเตอร์นี้สามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำ เนื่องจากภายในเซอร์โวมอเตอร์มีวงจรอิเล็กทรอนิกส์ทำหน้าที่ตรวจสอบตำแหน่งของเซอร์โวมอเตอร์อยู่ตลอดเวลา ลักษณะการตรวจสอบจะใช้การป้อนกลับค่าตำแหน่งจากตัวต้านทานปรับค่าได้ แล้วนำค่านี้ไป เปรียบเทียบกับค่าพัลส์ที่ป้อนเข้าทางขาควบคุม ค่าของผลต่างที่ได้จะไปปรับตำแหน่งของมอเตอร์ ค่าผลต่างก็จะได้ตำแหน่งของมอเตอร์ที่แม่นยำ
รูปที่ 4 ไดอะแกรมการทำงานของแผงวงจรควบคุมในเซอร์โวมอเตอร์ชนิดอะนาลอก
ในรูปที่ 4 แสดงไดอะแกรมการทำงานของแผงวงจรควบคุมในเซอร์โวมอเตอร์ชนิดอะนาลอก สัญญาณพัลส์ควบคุมที่ส่งเข้ามาทางอินพุต จะถูกส่งไปยังวงจรกำเนิดสัญญาณพัลส์ภายในด้วย โดยมีความกว้างที่เป็น สัดส่วนกับตำแหน่งของแกนหมุนในปัจจุบัน ทั้งสัญญาณพัลส์ที่กำเนิดขึ้นภายในกับสัญญาณพัลส์ควบคุมจะถูกส่งไปยังวงจรเปรียบเทียบเพื่อทำการหักล้างสัญญาณ โดยทิศทางของสัญญาณจะขึ้นอยู่กับว่า ระหว่างสัญญาณพัลส์ควบคุมทางอินพุตกับสัญญาณพัลส์ภายใน สัญญาณพัลส์ใดมีความกว้างมากกว่า โดยเอาต์พุตที่ได้เป็นสัญญาณลอจิก “0” หรือ “1” แล้วส่งไปยังวงจรขับมอเตอร์แบบ H-บริดจ์ เพื่อกำหนดทิศทางการหมุน ทางด้านค่าความแตกต่างที่เกิดขึ้นระหว่างพัลส์ทั้งสองสัญญาณจะถูกส่งไปยังวงจรเพิ่มความกว้างพัลส์ เพื่อสร้างสัญญาณพัลส์สำหรับส่งไปขับมอเตอร์ ผ่านวงจรขับมอเตอร์แบบ H-บริดจ์ โดยความแตกต่างของความกว้างพัลส์ 1% ทำให้เกิดสัญญาณพัลส์สำหรับขับมอเตอร์ในระดับ 50% และความเร็วนี้จะลดลงเมื่อแกนหมุนของมอเตอร์เคลื่อนที่เข้าสู่ตำแหน่งที่กำหนด อันเป็นผลมาจากความแตกต่างของความกว้างสัญญาณพัลส์เริ่มลดลง และหยุดลงเมื่อสัญญาณพัลส์ที่นำมาเปรียบเทียบมีค่าความกว้างเท่ากัน
รูปที่ 5 แสดงลักษณะของสัญญาณพัลส์ที่ใช้ในการควบคุมเซอร์โวมอเตอร์
วัสดุของเฟืองในเซอร์โวมอเตอร์
ชุดเฟืองในเซอร์โวมอเตอร์โดยส่วนใหญ่ผลิตมาจากวัสดุ 3 ชนิด คือ
(1) ไนล่อน : เป็นวัสดุที่นิยมนำมาใช้ผลิตเฟืองมากที่สุด เนื่องจากมีน้ำหนักเบาและมีเสียงรบกวนน้อยเมื่อทำงาน ความทนทานพอสมควรมักพบในเซอร์โวมอเตอร์ขนาดเล็กและราคาถูก
(2) โลหะ : เฟืองที่ผลิตด้วยโลหะจะมีความทน ทานสูง แข็งแรง สามารถทนแรงเสียดทานเมื่อเฟืองขบกันได้สูงมาก ทำให้สามารถนำมาสร้าง เซอร์โวมอเตอร์ที่มีแรงบิดสูงมากได้ โลหะที่พบมากที่สุดในการนำมาผลิตเฟืองคือ ทองเหลือง และถ้าหากมีงบประมาณมากเพียงพอ ควรเลือกใช้เซอร์โวมอเตอร์ที่ใช้เฟืองที่ผลิตจากไทเทเนียม
(3) คาร์บอไนต์ (Karbonite) : เป็นวัสดุพิเศษที่ทำมาจากคาร์บอน แล้วแปรรูปมาเป็นวัสดุที่คล้ายพลาสติก Hitec เป็นผู้ที่นำเทคโนโลยีนี้มาใช้เป็นวัตถุดิบในการผลิตเฟือง โดยคาร์บอไนต์จะมีความแข็งแรงและทนทานมากกว่าเฟืองไนลอน ในขณะที่มีน้ำหนักเบา ดังในเซอร์โวมอเตอร์สมัยใหม่จึงนิยมใช้เฟืองที่ผลิตจากวัสดุชนิดนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเซอร์โวมอเตอร์ชนิดดิจิตอลที่ใช้หุ่นยนต์ Humanoid