מנוע סרוו – מה שכדאי לדעת

תנועה היא חלק חיוני במכונות רבות. הטכנולוגיה המודרנית מאפשרת ליצור תנועה כזו ולפקח עליה בדרכים רבות ואחת המוצלחות והמעניינות יותר שבהן הוא מנוע הסרוו. במה מדובר? איך מנוע סרוו עובד ומהם היתרונות שלו? הינה כל מה שצריך לדעת על מנוע סרוו.

מהו מנוע סרוו ואיך הוא עובד?

מנוע סרוו (servo או סרבו) הוא סוג של מנוע חשמלי אשר מספק תנועה מבוקרת מאוד. כדוגמה למנוע רגיל שאינו סרוו, אפשר לקחת מנוע של מאוורר. עם הפעלתו, מנוע זה מסתובב ברצף ללא הפסקה. מיקום ציר המאוורר בכל רגע נתון לא משתנה. יש שליטה על ההפעלה והכיבוי, אולי גם על המהירות ועל סיבוב ראש המאוורר מצד לצד, אך זה הכול. להבי המאוורר יסתובבו ברצף עד הלחיצה על הכפתור שמפסיק את הזרם להפעלת המנוע. מנוע סרוו, לעומת זאת, זז למרחק קטן בכל פעם והוא עושה זאת בצורה מבוקרת מאוד. מנועים אלה מופעלים באמצעות שיטה המכונה “בקרה בחוג סגור”. פירוש הדבר הוא שהמערכת יודעת מה מיקום המנוע בכל רגע ובהתאם לכך מחליטה על המשך פעולתה. אם המנוע ממוקם באופן שונה מהמיקום שבו הוא אמור להיות, הבקר ימשיך לשלוח לו אותות הפעלה. כעת השלכות השינוי בפועל יזוהו גם הן והמערכת תגיב בהתאם לכך (המשך תנועה או עצירה או אולי האטה). כלומר בהפשטה מסוימת – הבקרה היא מעין לופ (“חוג”) קבוע (“סגור”) של רצף הפעולות הבא: זיהוי מצב, קבלת החלטה, פעולה, זיהוי מצב וכן הלאה.

למה מנוע סרוו משמש?

אם ניקח דוגמה אחת בולטת, אפשר לציין שליטה מרחוק על התקנים שונים כגון טיסנים. יש צורך במקרה זה לקבוע מצב של חלקים מסוימים בטיסן כגון הגה, הכיוון וזו היא קביעה שחייבת להיות מדויקת מאוד. במבט רחב יותר על שימושי מנוע הסרוו, נציין שהיום נעשה שימוש רב במכונות אשר משלבות טכנולוגיות רבות, רובוטיקה ואוטומציה. למשל במסגרת פס ייצור, ייתכן שנרצה לסובב מקדח לכמה זוויות מסביב לחלק שמייצרים, כדי לקדוח בו קידוחים מדויקים. לכן, במסגרת תכנון מכונות ובתהליכי פיתוח מערכות מולטי דיסציפלינאריות, עולה לא פעם הצורך להשתמש במערכות סרוו.

מהם יתרונותיו של מנוע סרוו?

למנועי סרוו יש לא מעט יתרונות, כאשר הבולטים מתוכם הם אלה:

· דיוק – אם מנוע רגיל מיועד בעיקר להנעה רציפה, אפשר לומר שמנוע סרוו מיועד בעיקר לקביעת מיקום. כך שהיתרון העיקרי והראשי, הוא ביכולת לדייק במיקום המנוע ולכן גם במיקום כל דבר אשר מחובר אליו. גם אם לאחר קביעת המיקום החדש דבר מה יזיז אותו ממקומו, המערכת תקבל על כך אינדיקציה ותתקן את המצב.

· יתרונות אנרגטיים – למנועי סרוו יש צריכת אנרגייה נמוכה למדי, לצד יכולת להפעיל כוח רב יחסית. צריכת האנרגייה הנמוכה נובעת מכך שמנועי סרוו לא נדרשים להסתובב ברצף ולא להניע דבר מה בסיבוב. הכוח מופק ומבוקר בעזרת מערכת גלגלי שיניים.

· יתרונות פיזיים – מנועים אלה יכולים להיות מאוד קומפקטיים ובעלי משקל נמוך.

· בטיחות – עקרון הסרוו מאפשר לקיים בקרה מדויקת על מצבן של מכונות שונות ויש לכך לעיתים גם משמעות בטיחותית. למשל ברובוטים מסוג קובוט, אשר נועדו לעבוד בקרבת בני אדם.

מה מייחד את מנוע הסרוו?

אם לעשות סיכום ביניים – ממה שהסברנו עד כאן, אפשר להבין שמנועים אלה שונים מהותית ממנועים רגילים. זאת בכך שהם אינם מיועדים להסתובב ברצף, אלא להסתובב רק עד לזווית מבוקשת בכל פעם. להשלמת התמונה, נוסיף כי מנועי סרוו יכולים להיות גם לינאריים ולא רק סיבוביים. גם אז העיקרון נשאר אותו עקרון – תנועה קצרה ומבוקרת במקום תנועה קבועה ופשוטה קדימה ואחורה. מנועי הסרוו הם כלי שימושי ביותר במסגרת מנגנוני בקרה ויישום מעשי בולט של התחום (התאורטי בעיקרו) שמכונה בשם “תורת הבקרה”. ככל שהטכנולוגיה המודרנית מתקדמת, כך אנו רואים מערכות מורכבות יותר שבהן הדרישות לבקרה ודיוק עולות. דברים מסוג זה לא מתאפשרים ללא פתרונות טכניים שעומדים בכך –

במקרה זה מנוע הסרוו. הדבר דומה במידה מסוימת לעולם השענות שהתפתח במאות הקודמות ואיפשר בניית מכונות שונות בעלות דיוק גבוה. חישבו למשל על “שעון קוקייה” וכל הפעולות האוטומטיות שהוא יודע לעשות במדויק. כל זאת, ללא חשמל או אלקטרוניקה. אלה למעשה מנגנונים מכניים מבוססי קפיצים, בעלי מנגנוני גלגלי שיניים לשם שליטה מדויקת עליהם. היום מנועים חשמליים מחקים את אותו העיקרון.

מה ההבדל בין מנוע צעד למנוע סרוו?

“מנוע צעד” (stepper motor) הוא מנוע שמתקדם “צעד” אחד בכל פעם שמעבירים לו הוראה לנוע. אין בו מנגנון שמספק פידבק על המיקום החדש שלו בעקבות זאת. כלומר, זה לא מנגנון בקרה בחוג סגור כפי שהזכרנו קודם, בהקשר מנועי סרוו, אלא מנגנון “בחוג פתוח”. שני אלה – מנוע צעד ומנועי סרוו – שונים זה מזה גם בהיבטים רבים נוספים. כך גם לגבי יתרונותיהם וחסרונותיהם. ביחד, הם מספקים יותר אפשרויות לכל מי שמעוניין לתכנן ולבנות מכונות שונות. אגב, מנועים חשמליים בכלל מהווים היום נושא רחב מאוד ומתוחכם. אף שהם מבוססים על עקרון פשוט למדי ולא חדש, יש בהם דקויות ושכלולים רבים מאוד והתחום אף מוסיף להתפתח. מעל לכך יש התחום ההנדסי של מנועים בכלל (שאינם בהכרח חשמליים) ושל התכנון היעיל שלהם.

כיצד נבחר את מנוע הסרוו?

יש היום היצע אדיר של מנועי סרוו שאפשר להזמין למגוון רחב של מטרות. בבחירת מנוע כזה מביאים בחשבון בין השאר את הנקודות האלה:

· גודל וממדים – לשם שילוב במערכת שמתכננים ובהתאם למגבלות שהיא מציבה מבחינה זו. בטיסן קטן למשל, סביר שיהיו הגבלות משמעותיות של גודל ומשקל.

· כוח דרוש – בסופו של דבר, סרוו הוא מנגנון שמיועד להניע דבר מה. לכן הוא חייב להיות מסוגל לספק את כוח ההנעה (ה”מומנט”) שדרוש לשם כך. הכוח משליך גם על העומסים שבהם המנגנון יידרש לעמוד. להיבט זה יש השלכות שונות גם באשר לחוזק החומרים שמהם הסרוו עשוי.

· מהירות – אף על פי שמנוע סרוו זז למרחקים קצרים בדרך כלל, מהירותו בכל זאת חשובה. אם מדובר למשל במנוע אשר משולב בפס ייצור, כל שנייה וחלקיק שנייה עשויים להיות חשובים במצטבר.

· היבטים טכניים נוספים – יש למעשה היבטים טכניים רבים נוספים שעשויים להיות מובאים בחשבון. למשל מערכת גלגלי השיניים שהיא חלק אופייני במנועי סרוו, אשר נועדה לצמצם מהירות ולהגביר כוח, או אופן חיבור החלקים לשאר המערכת שמתכננים. ברמה החשמלית והאלקטרונית יש כמובן גם כן פרמטרים רבים שעשויים לקבל ביטוי, למשל מאפייני המנוע החשמלי. הכול תלוי בפרויקט הספציפי שעליו עובדים.

· יצרן ודגם – כמובן, היצרן והמוצר יכולים להיות ברמות גבוהות יותר או פחות. מנועי סרוו משולבים לא פעם במכונות שבהן האמינות חשובה מאוד, ולכן במקרים כאלה תינתן עדיפות לאיכות. גם אם זה אומר צורך להשקיע יותר מבחינה כספית.

לסיכום

מנועי הסרוו הם רעיון פשוט יחסית, וכפי שהבנתם גם רעיון מאוד שימושי. לכן, סביר מאוד שהם ימשיכו להיות רעיון טכנולוגי נפוץ מאוד, אשר מקבל ביטוי בתכנון ובבניית מגוון רחב של מכונות ומכשירים.