Po lit e c h n ik a L u b e ls k a , Wy d z ia ł M e c h a n ic z n y
Katedra Automatyzacji
ul . Nadbystrzycka 36 , 2 0 -61 8 L ub l i n
tel ./fax.:[phone] e -ma i l :au toma t@po l l u b .p l ; wm.ka@p ol l u b .pl
LABORATORIUM
PODSTAW ROBOTYKI
Instrukcja do ćwiczenia nr
R2
BADANIE WA
AŚCIWOŚCI SERWONAP
DU
POA
OŻENIA LINIOWEGO Z SILNIKIEM
PR
DU STAA
EGO
Wydział Mechaniczny
Sala 406
I. Cel ćwiczenia
" Celem dydaktycznym jest zapoznanie z budową oraz zasadą działania serwonapędów
położenia a także metodą strojenia algorytmu serwosterowników.
" Celem praktycznym jest prawidłowe skonfigurowanie parametrów serwosterownika o
następnie uruchomienie i przetestowanie serwonapędu położenia liniowego z
silnikiem komutatorowym prądu stałego.
II. Wiadomości podstawowe
Pojęcie serwonapędu
Serwonapęd (lub równoważnie serwomechanizm) to automatyczny układ regulacji
określonej wielkości fizycznej, najczęściej: położenia liniowego lub kątowego, prędkości, siły
lub ciśnienia. Pojęcie  układ regulacji oznacza, że sterowanie wielkością fizyczną (np.
prędkością) realizowane jest w torze zamkniętym. Schemat blokowy typowego
serwomechanizmu położenia liniowego przedstawia rys. 1.
Rys. 1. Schemat blokowy typowego serwomechanizmu położenia:
Xrz - położenie rzeczywiste, X*rz - sygnał z czujnika położenia,
Xzad - zadane położenie, � - uchyb położenia (� = Xzad - X*rz),
Us - zadana prędkość posuwu, ns - prędkość silnika posuwu [1]
Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium Podstaw Robotyki Katedry Automatyzacji PL
1
Opracował dr Paweł Stączek (wer.21.02.13)
Charakterystyczną cechą serwomechanizmów jest to, że działają w układach gdzie
sygnał wartości zadanej Xzad(t) zmienia się w czasie. Zadaniem serwonapędu jest zatem
 odtworzenie trajektorii określonej przez Xzad(t) na swoim wyjściu, czyli w sygnale Xrz(t).
Stąd serwomechanizmy zalicza się do kategorii układów regulacji nadążnej. Klasycznym
przykładem serwomechanizmów są układy napędowe posuwów osi obrabiarek sterowanych
komputerowo (numerycznie) oraz układy napędowe osi manipulatorów (robotów)
naśladujących ludzkie ramię.
Element wykonawczy (silnik)
Najczęściej elementem wykonawczym serwomechanizmów jest silnik elektryczny, ale
buduje się także serwonapędy z napędem hydraulicznym (siłownik lub silnik hydrauliczny)
bądz
pneumatycznym (najrzadziej).
W serwonepędach elektrycznych stosuje się następujące rodzaje silników:
" synchroniczne trójfazowe z magnesami stałymi - ang. PMSM (napędy o średniej i dużej
mocy),
" indukcyjne prądu przemiennego - ang. AC motor (napędy o średniej i dużej mocy),
" komutatorowe prądu stałego - ang. DC motor (małe moce),
" liniowe.
Budowane są także układy pozycjonujące z elektrycznymi silnikami krokowymi
(inaczej skokowymi) lecz z reguły są w nich stosowane układy sterowania w torze otwartym i
dlatego nie powinny być nazywane serwomechanizmami.
W serwomechanizmach pozycjonujących od elementu wykonawczego (silnika)
wymaga się zdolności do osiągania wysokich przyspieszeń (kątowych lub liniowych), co
uzyskuje się przez zwiększanie stosunku generowanego momentu obrotowego do momentu
bezwładności wirnika. Dzięki temu serwonapęd może odtwarzać z mniejszym błędem
gwałtowne zmiany wartości zadanej położenia (np. gwałtowną zmianę kierunku ruchu).
Element pomiarowy
W serwomechanizmach położenia, tj. w układach pozycjonujących, w roli elementu
pomiarowego EP (rys. 1.) w torze sprzężenia zwrotnego stosuje się najczęściej enkodery
inkrementalne (przyrostowe). Są to przetworniki pomiarowe drogi kątowej (rzadziej w ruchu
postępowym) dostarczające informacji jedynie o zmianie położenia (przyroście drogi) a nie o
bezwzględnej pozycji (kątowej albo liniowej). Innymi słowy, przetworniki te dostarczają
Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium Podstaw Robotyki Katedry Automatyzacji PL
2
Opracował dr Paweł Stączek (wer.21.02.13)
informacji o drodze przebytej względem punktu odniesienia (zerowego) z tym, że informacja
o położeniu serwomechanizmu odpowiadającemu pozycji zerowej musi być pozyskana z
innego sensora (przetwornika) położenia bezwzględnego.
Potencjalnie najmniejszy błąd pomiaru zapewnia sprzężenie mechaniczne enkodera z
końcowym elementem w układzie kinematycznym przeniesienia napędu  np. z saniami
suportowymi tokarki sterowanej numerycznie. Jednak takie rozwiązanie wymaga stosowania
enkoderów liniowych o bardzo dużej rozdzielczości pomiarowej (mikrometr lub mniej). O
wiele łatwiej i taniej jest zastosować enkoder obrotowy napędzany od śruby pociągowej
suportu albo bezpośrednio od wału silnika serwonapędu. Niestety, rozwiązania te cechuje
większy błąd pomiaru położenia wynikający głównie z istnienia luzów w elementach
przeniesienia napędu, tj. w zespole śruba-nakrętka, łożysku oporowym śruby oraz w
przekładni redukcyjnej (jeśli występuje).
Stosowane współcześnie enkodery inkrementalne, zarówno położenia kątowego jak i
liniowego, dostarczają informacji o przemieszczeniu względnym zakodowanej pod postacią
dwóch sygnałów dyskretnych (zerojedynkowych) ozn. A oraz B. Jest to tzw. wyjście
dwufazowe lub kwadraturowe. Umieszczona na wale enkodera tarcza sygnałowa z
naniesionymi znakami obracając się przecina promienie dwóch fotokomórek generując dwa
sygnały prostokątne A oraz B przesunięte w fazie o ź okresu (rys.2.). Częstość zmian obu
sygnałów jest proporcjonalna do prędkości obrotowej, a kolejność pojawiania się w czasie
zboczy sygnałów A i B koduje kierunek wirowania enkodera. Specjalny układ dekodera
sumuje kolejne zbocza sygnałów A oraz B z uwzględnieniem znaku (+/-) w zależności od
kierunku obrotów. Wynikiem pomiaru jest ilość (suma) elementarnych przemieszczeń
wynikających z rozdzielczości znaków na tarczy sygnałowej  tzw. kroków, jakie przebył wał
enkodera od położenia początkowego.
Rys. 2. Przykład przebiegów sygnałów wyjściowych A i B z inkrementalnego enkodera położenia
kątowego w trakcie obrotów w kierunku dodatnim oraz przeciwnym.
Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium Podstaw Robotyki Katedry Automatyzacji PL
3
Opracował dr Paweł Stączek (wer.21.02.13)
Regulator. Serwosterownik
O jakości pracy serwonapędu decyduje blok regulatora R (rys.1.) a mówiąc ściślej
algorytm sterowania przez niego realizowany. W najprostszych serwomechanizmach stosuje
się klasyczny algorytm PID (proporcjonalno-całkująco-różniczkujący). Zbudowanie
serwomechanizmu cechującego się dobrą jakością regulacji (tj. zdolnością do odtwarzania
zadanej trajektorii z możliwie małym błędem) wymaga precyzyjnego dostrojenia parametrów
algorytmu do właściwości dynamicznych silnika, układu przeniesienia napędu oraz obiektu z
którym serwonapęd wchodzi w interakcje (np. masa przemieszczanego elementu). Zadanie
bardzo komplikuje się w przypadku, gdy właściwości obiektu zmieniają się w czasie (np.
manipulowanie elementami o różnej masie).
Obecnie znakomita większość regulatorów serwonapędów realizowana jest przez
układy mikroprocesorowe. W budowie serwonapędów elektrycznych stosuje się tzw.
serwosterowniki, tj. specjalizowane układy elektroniczne integrujące w sobie kilka elementów
składowych serwomechanizmu:
" blok regulatora wraz z węzłem sumacyjnym,
" dekoder sygnałów z enkodera inkrementalnego,
" stopień wyjściowy mocy (wzmacniacz),
" układy pomocnicze  np. zasilacz enkodera, układy monitorujące obciążenie (prąd) silnika
i zabezpieczające go przez uszkodzeniem, algorytmy samodostrajania algorytmu
regulatora.
Do cyfrowych serwosterowników położenia informację o wartości zadanej dostarcza
się pod postacią dwóch sygnałów dyskretnych (zerojedynkowych) STEP oraz DIR (z ang.
KROK oraz KIERUNEK) - rys. 3. Każde narastające (albo opadające  w zależności od
konwencji) zbocze sygnału STEP wymusza zmianę pozycji o elementarną jednostkę  tzw.
krok. Kierunek żądanej zmiany pozycji (w kierunku dodatnim albo ujemnym) koduje sygnał
kierunku DIR.
Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium Podstaw Robotyki Katedry Automatyzacji PL
4
Opracował dr Paweł Stączek (wer.21.02.13)
Rys. 3. Uproszczony schemat blokowy serwonapędu:
STEP - sygnał zadany przemieszczenia (liczba kroków elementarnych),
DIR - sygnał zadany kierunku (zwrotu) przemieszczenia,
u(t) - sygnał sterujący (napięcie w zakresie -24V � +24V),
EW - element wykonawczy (silnik prądu stałego),
�(t) - prędkość kątowa silnika,
PP - przetwornik pomiarowy - enkoder inkrementalny,
A, B - sygnały wyjściowe z enkodera (sygnały prostokątne przesunięte w fazie o 90�).
Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium Podstaw Robotyki Katedry Automatyzacji PL
5
Opracował dr Paweł Stączek (wer.21.02.13)
III. Stanowisko ćwiczeniowe
Widok stanowiska ćwiczeniowego przedstawiono na rys. A1. Jego głównym
elementem jest modelowy serwonapęd położenia liniowego z serwosilnikiem prądu stałego
oraz z układem przeniesienia napędu złożonego z przekładni pasowej synchronicznej oraz
śruby pociągowej z gwintem trapezowym wraz z nakrętką. Pracą serwosilnika steruje
mikroprocesorowy serwosterownik Whale2. Schemat blokowy serwomechanizmu
przedstawiono na rys. A2.
Rozwiązania konstrukcyjne zastosowane w serwonapędzie są typowe dla układów
napędowych osi obrabiarek sterowanych numerycznie (frezarek, tokarek, wycinarek
plazmowych, ploterów).
Zadane trajektorie ruchów dla serwonapędu generuje komputer PC wyposażony w
oprogramowanie Mach2 posiadające m.in. interpreter G-kodów (języka programowania
obrabiarek sterowanych numerycznie).
Rys. A1. Schemat budowy oraz wygląd modelowego serwonapędu położenia: 1-rama, 2-prowadnice, 3-
wózek z rolkami, 4-śruba pociągowa, 5-serwosilnik, 6-przekładnia pasowa synchroniczna, 7-
wyłączniki krańcowe, 8-wyłącznik zerowania położenia (bazowania), 9-łożyska
Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium Podstaw Robotyki Katedry Automatyzacji PL
6
Opracował dr Paweł Stączek (wer.21.02.13)
Rys. A2. Schemat blokowy serwomechanizmu na stanowisku ćwiczeniowym:
x0(t) - wartość zadana położenia liniowego [mm],
np - przełożenie zespołu przekładni [krok/mm],
ą0(t) - wartość zadana położenia kątowego wału silnika [krok],
e(t) - sygnał uchybu [krok],
R - regulator (podprogram serwosterownika Whale2),
u(t) - sygnał sterujący (napięcie -24V � +24V będące wartością średnią sygnału
prostokątnego o zmiennym współczyniku wypełnieniu),
EW - element wykonawczy - silnik prądu stałego,
�(t) - prędkość kątowa silnika,
PP - przetwornik pomiarowy - enkoder inkrementalny,
�1(t) - sygnał prędkości (sygnał kwadraturowy),
Ł - integrator (sumator impulsów przemieszczenia),
ą1(t) - zmierzone położenie kątowe wału silnika [krok],
x(t) - rzeczywiste położenie serwomechanizmu (wózka) [mm].
Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium Podstaw Robotyki Katedry Automatyzacji PL
7
Opracował dr Paweł Stączek (wer.21.02.13)
IV. Przebieg ćwiczenia
UWAGA!!! POMIMO ZASTOSOWANIA SILNIKA MAA
EJ MOCY
(OK. 60W) SIA
A POCI
GOWA NAPEDZAJ
CA WÓZEK OSI
GA
KILKASET NIUTONÓW. ISTNIEJE ZAGROŻENIE USZKODZENIA
CIAA
A! NIE ZBLIŻAJ DA
ONI DO PORUSZAJ
CEGO SI

SERWOMECHANIZMU!
1. Przygotowanie stanowiska, zapoznanie z jego budową i identyfikacja głównych
elementów napędu.
1.1. Zidentyfikuj i wskaż na stanowisku ćwiczeniowym jego podstawowe części składowe:
" serwosilnik prądu stałego,
" enkoder położenia wału silnika (jego obudowę),
" przekładnię pasową synchroniczną,
" śrubę pociągową oraz nakrętki,
" wózek na prowadnicach (model stołu lub suportu obrabiarki),
" wyłączniki krańcowe osi oraz wyłącznik bazujący (zerujący położenie osi),
" serwosterownik,
" przycisk RESET serwosterownika.
1.2. Włącz komputer i z katologu SERWONAP
D DC na pulpicie uruchom program
Mach2Mill.
2. Bazowanie serwonapędu. Podstawowy test działania.
2.1. W oknie programu Mach2 u dołu ekranu kilknij przycisk Manual (z ang.
ręczne sterowanie).
2.2. Jeżeli miga kontrolka nad przyciskiem RESET  zresetuj błąd pracy
serwonapędu klikając przycisk RESET.
2.3. Po każdym włączeniu zasilania serwonapędu lub po wystąpieniu zakłócenia
wymagającego użycia przycisku RESET w oknie programu Mach2 NALEŻY
BEZWZGL
DNIE WYKONAĆ PROCEDUR
BAZOWANIA OSI  czyli
Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium Podstaw Robotyki Katedry Automatyzacji PL
8
Opracował dr Paweł Stączek (wer.21.02.13)
dojazdu do czujnika określającego położenie zera bezwzględnego: x = 0. W celu
rozpoczęcia bazowania kliknij Ref All  Home (z ang. wszystkie osie do pozycji
bazowej). Obserwuj działanie napędu w trakcie bazowania (możesz powtórzyć
procedurę kilkukrotnie).
2.4. Kliknij przycisk Program Run (z ang. wykonanie programu). Z menu File
wybierz Load G-Code, a następnie plik:
Pulpit\SERWONAP
D DC\CNC Śruba  DEMO.
Plik zawiera zestaw komend języka G - przykład demonstrujący możliwości pracy
serwonapędu (w jednej osi X).
2.5. Uruchom wykonywanie załadowanego  programu obróbki klikając przycisk
Cycle Start. Obserwuj działanie napędu oraz ekran komputera. Powtórz
demonstrację.
3. Sterowanie manualne napędem
Zadaną pozycję dla serwomechanizmu można określać za pomocą klawiatury
komputera (tryb posuwu manualnego).
3.1. Kilknij przycisk Manual. W prawym górnym rogu ekranu nastaw prędkość
napędu podczas manewrowania ręcznego Slow Jog Rate  nastaw na 30%
prędkości maksymalnej.
3.2. Przyciskiem Jog Mode wybierz tryb posuwu Cont. (z ang. Continous 
ciągły). Włącz tryb posuwu manualnego Jog ON/OFF. Przyciski kursorów
klawiatury komputera �! oraz umożliwiają manualne sterowanie położeniem
osi X. Przetestuj pracę napędu, obserwuj ekran komputera. W polu Units/Min
wyświetlana jest aktualna prędkość napędu w [mm/min].
UWAGA! Dojazd wózka do wyłącznika krańcowego osi X (lewego lub prawego)
skutkuje wstrzymaniem pracy napędu i zasygnalizowaniem błędu. W takim
przypadku kliknij RESET po czym wykonaj procedurę bazowania (przycisk
Ref All  Home ).
3.3. Zmieniaj zadaną prędkość posuwu manualnego w granicach 1�100% prędkości
maksymalnej. Przetestuj pracę napędu.
3.4. Przyciskiem Jog Mode wybierz tryb posuwu Step (z ang. Step  krokowy,
skokowy). Liczba powyżej określa długość pojedynczego kroku (przemieszczenia)
w [mm]. Przetestuj pracę napędu w trybie pracy skokowej.
Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium Podstaw Robotyki Katedry Automatyzacji PL
9
Opracował dr Paweł Stączek (wer.21.02.13)
4. Rozdzielczość pozycjonowania
4.1. Na podstawie poniższych parametrów serwonapędu oblicz maksymalną do
uzyskania rozdzielczość pomiaru pozycji wózka dx[mm] (pomiar pośredni  na
podstawie położenia kątowego wału silnika).
" Ilość znaczników tarczy sygnałowej enkodera na wale serwosilnika: 200
" Liczba zębów na kole napędzającym: 10
" Liczba zębów koła napędzanego: 24
" Skok śruby: 4mm (średnica 18mm)
Wskazówka: W trakcie obrotu wału enkodera o kąt odpowiadający odległości
pomiędzy sąsiednimi znacznikami tarczy sygnałowej generowane są w sumie 4
zbocza sygnałów wyjściowych A i B enkodera czyli 4 rozróżnialne pozycje.
5. Siła pociągowa serwomechanizmu
5.1. Znając nominalny moment obrotowy na wale serwosilnika MS = 0.15Nm
oszacuj nominalną siłę pociągową działającą na wózek.
Wskazówka: Przyjmij następujące wartości sprawności energetycznej
mechanizmów:
" Przekładnia pasowa synchroniczna: �P H" 0.93
" Zespół śruba nakrętka (gwint Tr. 18x4, stal brąz na sucho): �S H" 0.50
" A
ożysko oporowe śruby pociągowej: �L H" 0.95
6. Monitorowanie sygnałów wyjściowych enkodera dwufazowego
6.1. Używając dwukanałowego oscyloskopu cyfrowego zarejestruj przebiegi
czasowe sygnałów wyjściowych A oraz B z enkodera na wale silnika. Podłącz
sondy do złącza na przewodzie enkodera (przewody w kolorze żółtym oraz
szarym, przewód niebieski  masa obu sygnałów). Pomiary wykonaj niezależnie
dla obrotów w prawo oraz w lewo. Zmieniaj także prędkość obrotową
serwosilnika (wykorzystaj tryb posuwu manualnego w programie Mach2).
Wskazówka: Sygnały wyjściowe A, B enkodera są zgodne ze standardem
elektrycznym TTL (mają amplitudę ok. 5V).
6.2. Przerysuj wybrane przebiegi  jeden dla obrotów w prawo, drugi dla obrotów
w lewo.
Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium Podstaw Robotyki Katedry Automatyzacji PL
10
Opracował dr Paweł Stączek (wer.21.02.13)
7. Monitorowane pracy serwosterownika
7.1. Uruchom program narzędziowy do serwosterownika Whale2:
Pulpit\SERWONAP
D DC\Servoconfigurator
7.2. Z okna programu wybierz ustawienia portu: COM3 oraz języka: polski.
Przejdz
do zakładki Podgląd błędów serva.
7.3. Zaznacz pole Okno zawsze na wierzchu oraz ustaw zakres osi pionowej
Skaluj wykres na 100 jednostek  kroków elementarnych enkodera.
7.4. Wykres w oknie Podgląd błędów serva przedstawia na bieżąco przebieg
wartości błędu pozycjonowania serwomechanizmu (uchybu e). Używając pokrętła
na lewym końcu śruby spróbuj ją obracać. Obserwuj reakcję serwomechanizmu
oraz wykres błędu pozycjonowania.
7.5. Kliknij w okno programu Mach2 a następnie zmieniaj pozycję wózka w trybie
posuwu manualnego. Obserwuj przebieg błędu pozycjonowania dla różnych
prędkości. Możesz spróbować zatrzymać wózek działając na niego siłą UWAGA!
podczas prób hamowania nie przekraczaj prędkości 30%. Zanotuj
maksymalną wartość uchybu jaką zaobserwowałeś i przelicz ją na błąd
pozycjonowania wózka (w milimetrach).
8. Odpowiedz
skokowa serwomechanizmu
8.1. W oknie programu Servoconfigurator przejdz
na zakładkę PID tuning
umożliwiającą nastawę podstawowych parametrów pracy serwomechanizmu.
Zmiana wartości parametrów na tej zakładce pozwala na dopasowanie sposobu
działania sterownika (algorytmu regulacji pozycji) do właściwości dynamicznych
konkretnego napędu.
8.2. Wpisz w polu obok przycisku Analiza liczbę 400 określającą żądaną
amplitudę (w krokach elementarnych enkodera) skokowej zmiany pozycji:
x0(t) = 400*1(t), gdzie 1(t) jest skokiem jednostkowym. Przemieszczenie o 400
kroków elementarnych odpowiada � obrotu wału silnika.
8.3. Kliknij przycisk Analiza. Na wykresie powyżej zobaczysz odpowiedz

serwomechanizmu na skokową zmianę wartości zadanej a konkretnie wykres
uchybu położenia e(t).
8.4. Odpowiedz na pytanie: czy możliwe jest w praktyce zbudowanie
serwomechanizmu, którego odpowiedz
e(t) byłaby funkcją skokową równą
Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium Podstaw Robotyki Katedry Automatyzacji PL
11
Opracował dr Paweł Stączek (wer.21.02.13)
skokowej zmianie wartości zadanej x0(t)  czyli odtworzenie  kształtu wartości
zadanej z zerowym błędem?
9. Strojenie algorytmu regulatora serwosterownika
9.1. W zakładce PID tuning wpisz wartości 0 dla wszystkich czterech parametrów
algorytmu regulatora Ap, Ad, Ai, Li (Ai może zostać = 1).
9.2. Korzystając z Instrukcji obsługi serwosterownika Whale2 (w załączniku 1)
dobierz nastawy algorytmu regulatora (wartości parametrów: Ap, Ad, Ai, Li) tak
aby serwomechanizm osiągał wartość zadaną w możliwie krótkim czasie i z
minimalnym przeregulowaniem. Jednocześnie układ regulacji położenia powinien
być stabilny - tzn. nie może wpadać w niegasnące oscylacje położenia (ciągłe
 drżenie wału silnika).
Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium Podstaw Robotyki Katedry Automatyzacji PL
12
Opracował dr Paweł Stączek (wer.21.02.13)