Princípio de funcionamento do mecanismo de direção elétrico: como obter controle de posicionamento preciso

Ao se envolver na inovação de produtos, o maior medo é que “as ideias sejam ricas e a realidade seja tênue”. Especialmente quando o equipamento que você projeta precisa se mover com precisão, como permitir que um drone ajuste seu leme, um robô gire suas articulações com flexibilidade ou um dispositivo inteligente para controlar uma válvula com precisão, você pode descobrir que os motores no mercado continuam girando ou são potentes, mas se movem no lugar errado. O que está acontecendo? Na verdade, o que pode estar faltando é um elemento-chave que pode transformar a "rotação" em "posicionamento preciso" - a direção elétrica. Hoje vamos desmontá-lo e dar uma olhada, entender como funciona e ajudá-lo a se livrar do problema de seleção.

Como o mecanismo de direção consegue um controle preciso?

Imagine que você faz algo girar em um ângulo preciso, digamos 30 graus. Se for um motor comum, se você energizá-lo, ele girará, mas é difícil fazê-lo parar exatamente a 30 graus porque a inércia fará com que ele ultrapasse. O segredo pelo qual o mecanismo de direção pode “apontar onde acertar” é que ele é um sistema de controle de circuito fechado. Você pode pensar nele como um pequeno trem de força com seus próprios “olhos” e “cérebro”.

Quando você dá o comando “girar 30 graus”, a placa de circuito dentro dele (ou seja, o cérebro) começará a funcionar imediatamente. Ele continuará a ler o ângulo real atual do eixo de saída através de seus "olhos" (ou seja, o sensor de posição) e, em seguida, compará-lo-á constantemente com o ângulo alvo (30 graus) em sua mente. Assim que um desvio for encontrado, ajuste imediatamente a direção de rotação e a velocidade do motor até que o ângulo real seja exatamente igual ao ângulo alvo e, em seguida, pare. Todo o processo é rápido e preciso, assim como girar o volante olhando pelo retrovisor ao estacionar um carro.

Como é a direção elétrica por dentro?

Vamos desmontar o mecanismo de direção e dar uma olhada nele. Na verdade, é um mundinho delicado por dentro. Existem quatro componentes principais principais: motor DC, conjunto de engrenagens de redução, sensor de posição e placa de circuito de controle. O motor DC é uma fonte de energia. É poderoso, mas gira rapidamente. Se você usá-lo para controlar o ângulo diretamente, a precisão definitivamente não será boa. Portanto, será seguido por um conjunto de engrenagens de redução.

O conjunto de redutores tem duas funções: uma é reduzir a alta velocidade do motor para a baixa velocidade do eixo de saída; a outra é amplificar o torque do motor para que a caixa de direção tenha potência suficiente para empurrar a carga. Assim como quando você anda de bicicleta para subir uma colina, você precisa mudar para uma marcha baixa. É difícil andar, mas você pode subir. Esta é a mesma verdade. Através da transmissão do conjunto de engrenagens, a rotação em alta velocidade do motor torna-se a rotação poderosa e controlável do eixo de saída da caixa de direção, estabelecendo as bases para um posicionamento preciso.

Por que pode oservosabe quantos graus ele girou?

Isso nos leva aos “olhos” mencionados anteriormente – o sensor de posição. O mais comum é um potenciômetro, que você pode considerar um reostato giratório. Quando o eixo de saída doservogira, fará com que o potenciômetro gire junto, e a mudança na resistência do potenciômetro será convertida em uma mudança no sinal de tensão. Ao detectar este valor de tensão, a placa de circuito de controle pode calcular o ângulo de rotação específico da corrente.

Além dos potenciômetros, os encoders magnéticos são utilizados como sensores de posição em situações que exigem maior precisão e confiabilidade, como robôs industriais ou modelos de última geração. Determina o ângulo detectando alterações no campo magnético sem contato físico, por isso é mais resistente ao desgaste e mais preciso. De qualquer forma, seu papel é dizer ao cérebro de controle em tempo real e com precisão: "Relate! Mudei para esta posição agora!", tornando possível o controle em circuito fechado.

Como enviar um comando de rotação para oservo

Como nos comunicamos com o mecanismo de direção e informamos quantos graus girar? Isso se baseia em um sinal chamado "modulação por largura de pulso", que normalmente chamamos de sinal PWM. Você pode pensar neste sinal como um tipo especial de “código Morse” que usa pulsos de diferentes larguras para transmitir instruções através de uma linha de sinal.

Para ser mais específico, o servo recebe um pulso a cada 20 milissegundos. A duração desse pulso (ou seja, a largura do pulso) geralmente está entre 0,5 milissegundos e 2,5 milissegundos. Diferentes larguras de pulso correspondem a diferentes ângulos de rotação. Por exemplo, uma largura de pulso de 1,5 milissegundos geralmente representa a posição intermediária (90 graus), 0,5 milissegundos corresponde a 0 graus e 2,5 milissegundos corresponde a 180 graus. Seu controlador (como um microcontrolador, receptor de controle remoto) só precisa enviar com precisão essa série de pulsos, e a placa de circuito dentro do servo pode "entender" e direcionar o motor para executar as ações correspondentes.

Quais parâmetros você deve procurar ao escolher um servo?

Quando você deseja escolher um servo adequado para o seu produto, pode ficar um pouco confuso ao se deparar com vários parâmetros. Na verdade, basta compreender alguns pontos-chave. O primeiro é o torque, que determina a potência da caixa de direção. A unidade geralmente é quilogramas centímetros. Imagine que você deseja usá-lo para empurrar um braço robótico. Se o torque não for suficiente, ele não será capaz de levantá-lo, então você precisa estimá-lo com base no peso do objeto que você realmente precisa empurrar e no comprimento do braço.

Em segundo lugar está a velocidade, a unidade é segundos/60 graus, que é quantos segundos leva para o servo girar 60 graus. Este parâmetro determina a rapidez com que o seu dispositivo responde. Por exemplo, para robôs de corrida que exigem resposta rápida, a velocidade é crucial. Além disso, preste atenção à tensão operacional e à faixa de ângulo para garantir que seu sistema de fonte de alimentação possa suportá-la e que sua faixa de rotação possa atender aos requisitos de projeto de estrutura mecânica. Não opte apenas pelo barato, escolha o que for melhor.

Em quais cenários deve ser utilizado um aparelho de direção?

A gama de aplicações do aparelho de direção é muito mais ampla do que pensamos. A primeira coisa que você pode pensar são modelos de aviões e modelos de carros. Sim, os servos são a principal força no controle do elevador e do leme de uma aeronave, ou na direção de um modelo de carro. Sua precisão e resposta rápida são as chaves para tornar o modelo obediente.

Mas nos campos mais amplos da indústria e da casa inteligente, os servos também desempenham um papel importante. Por exemplo, câmeras inteligentes precisam controlar remotamente a rotação da lente, e nelas são usados ​​​​micro-servos; as válvulas de distribuição das máquinas de venda automática e o acionamento da lingueta das fechaduras inteligentes são inseparáveis ​​dele. Mesmo em linhas de produção de equipamentos médicos e de automação industrial, você pode ver várias formas de servos completando tarefas repetitivas com precisão. Pode-se dizer que pode ser visto quase onde quer que seja necessário um controle preciso do ângulo.

Depois de saber tanto, você tem um novo entendimento sobre direção elétrica? Dos princípios de implementação à estrutura interna, passando pela forma de seleção e sua ampla gama de aplicações, é na verdade um pequeno ajudante inteligente e obediente que pode ajudá-lo a transformar muitas ideias inovadoras em realidade. Se acontecer de você ter um projeto em mãos que requer o uso de uma caixa de direção, você também pode ir aos sites oficiais de algumas empresas profissionais (comoE-Dinâmica,especializada nisso). Os cases de produtos e documentos técnicos podem lhe dar mais inspiração.

Gostaria de perguntar a você que está lendo isso, que tarefa interessante você mais gostaria de usar um servo para realizar no produto ou projeto que você imagina? Bem-vindo a deixar uma mensagem e compartilhar na área de comentários, vamos nos comunicar e discutir juntos! Se você achar o artigo útil, não esqueça de curtir e compartilhar com mais amigos que precisam dele.