Wbrew potocznej opinii serwonapędy to nie tylko motor i ewentualny komputer, który nim steruje. Serwonapędy są znacznie bardziej skomplikowanymi architekturami i by 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. Zanim każda z tych sekcji zostanie omówiona, trzeba sobie jednak odpowiedzieć na pytanie: czym 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 fakt, iż dany układ może pozycjonować oś w oparciu o jeden z powyższych parametrów, jak też – coraz częściej – w oparciu o kilka z nich.

Serwonapędy to nie tylko silniki

Analizując działanie serwonapędów należy zacząć od sekcji sterowników ruchu, która jest swoistym „mózgiem” układu. Na tą sekcję składają się specjalne urządzenia, które umożliwiają regulację prędkości, położenia czy momentu obrotowego serwomotoru, niezależnie od tego, czy są to serwosterowniki 1-osiowe, czy też wieloosiowe. Zadaniem sterowników pracujących w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego jest sterowanie motorem - w oparciu o zwrotne dane napływające z enkodera – tak, by uzyskać oczekiwany efekt, czyli zmianę prędkości obrotowej o określoną wartość, czy 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 obydwoma sygnałami, uzyskując wynik zerowy (motor pracuje zgodnie z sygnałem) lub dodatni (jest rozbieżność).

Ostatnia sekcja to motor oraz enkoder, co oznacza, że realizowane są tu dwa zadania: napęd i wykrywanie stanu motoru. Jak już zostało to wspomniane nieco wcześniej, 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 i sygnałem z enkodera. Warto pamiętać, że stosuje się różne rodzaje enkoderów, stosujące magnetyczną lub optyczną technikę pomiaru pozycji osi.

Rodzaje stosowanych serwonapędów

Serwonapędy często klasyfikuje się ze względu na rodzaj serwomotoru zastosowanego w układzie i najogólniej wyróżnia się tu trzy grupy:
• układy z motorem synchronicznym, zasilanym prądem zmiennym (AC), który cechuje się wysokim momentem obrotowym i kompaktową konstrukcją przy niskiej masie,
• 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,
• układy z motorem prądu stałego (DC), którego wydajność nie jest tak duża jak w przypadku poprzedników, ale za to 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 wcześniej techniki optyczne i magnetyczne. Dziś wiodącą metodą jest zdecydowanie metoda absolutna, której przewaga polega w głównej mierze na ogromnej dokładności i umiejętności określania bezwzględnego położenia bez konieczności bazowania, co przydaje się na przykład 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 to ta, która opiera się na metodzie sterowania układem przez sterowniki. Można tu wskazać na serwonapędy ze sterowaniem analogowym bądź cyfrowym, zaś w obrębie tego drugiego można rozpatrywać rodzaje interfejsów komunikacyjnych (protokoły typu RS, CANopen, czy bardzo powszechny PLC).

Rola serwonapędów w automatyce przemysłowej

Automatyka przemysłowa stosuje serwonapędy na wielu polach, gdyż są one rozwiązaniem praktycznie wszelkich sytuacji 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 przy zachowaniu błyskawicznej reakcji na zmiany prędkości bądź obciążenia. Te niezbędne już dla całych gałęzi przemysłu systemy pozwalają się aplikować we wszelkich 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 w procesach przenoszenia produktów i pakowania ich – 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.

Istotne przy tym wszystkim jest to, że obecna oferta czołowych producentów serwonapędów jest bardzo szeroka. Można dobrać mechanizm do praktycznie każdych warunków pracy, włączając w to warunki o dużym zapyleniu czy o wysokiej temperaturze.

Przyszłość

Serwonapędy przechodzą dziś proces „ukompaktowienia”, który zapewne będzie dalej trwał przez najbliższe lata. Dzięki temu wchodzą na coraz to nowe pola, na których jeszcze dekadę temu nikt ich się nie spodziewał. Jednak znacznie ważniejszym trendem wydaje się dążenie wytwórców serwonapędów do tworzenia produktów szybko wdrażanych do pracy, opartych na zasadzie plug & play, a więc nie wymagających dostrajania, a w najbliższej przyszłości sprawnie komunikujących się ze swym maszynowym i softwarowym otoczeniem (Internet of Things). Dodawszy do tego szybko rosnącą dokładność enkoderów (24-bitowość, ponad 15 milionów impulsów na jeden obrót, a wkrótce więcej), można śmiało oczekiwać, iż automatyka przemysłowa nadchodzących dekad będzie w jeszcze większym stopniu oparta na technologiach „serwo”.