Особености при избора на сервосистеми

ЕлектроапаратурaСп. Инженеринг ревю - брой 5/2017 • 24.07.2017

Особености при избора на сервосистеми
Особености при избора на сервосистеми

Cервосистемите с електродвигатели предоставят невероятни скорости, нива на точност и гъвкавост в автоматизираното оборудване. За съжаление, изборът на грешната сервосистема може да доведе до трудности в настройката, недостатъчна точност или занижена производителност.

Има много фактори, които трябва да бъдат взети предвид при избора на правилното сервозадвижване. На първо място трябва да бъде отчетено конкретното приложение - например за CNC машини, манипулатори или пакетиращи машини, което ще определи необходимата функционалност на системата.

Правилното оразмеряване на двигателите в система за кинематично и динамично управление е по-сложно от оразмеряването на АС асинхронни двигатели. Това е така, защото под внимание се вземат не само ускорението, отрицателното ускорение и работният въртящ момент, но също така и възможността на серводвигателя да контролира стриктно скоростта на товара, позицията му или въртящия момент.

Това означава, че измерванията на пиковите стойности на въртящия момент трябва да бъдат изчислени, обикновено по време на ускорението или отрицателното ускорение, заедно с работния/нормалния въртящ момент. Също така трябва да се изчисли инерцията на системата (съпротивлението на товара при промяна на скоростта), за да може двигателят/задвижването да управлява товара.

Постоянният въртящ момент на двигателя представлява възможността му да достига номиналния въртящ момент и скорост, без да прегрее. Импулсният въртящ момент дава информация за мощността на двигателя за кратък период от време въз основа на настоящия капацитет на задвижването и на двигателя. Импулсният (или пиков) въртящ момент на двигателя може да бъде доста по-висок от номиналния му, като затова сервосистемите се проектират така, че да могат да работят в рамките на този пиков въртящ момент при ускорение или отрицателно ускорение на товара.

Други важни характеристики на електродвигателя, на които трябва да се обърне внимание, са електрическата времеконстанта, която е отношението на индуктивността към активното му съпротивление, и електромеханичната времеконстанта, която е мярка за бързодействието на серводвигателите. Тя отчита времето, за което двигателят се развърта до скорост, равна на скоростта на празен ход при нулев съпротивителен момент, като развива въртящ момент, равен на пусковия.

Оразмеряване
Правилното оразмеряване на серводвигателя изисква товарът да е известен. Това е от значение и за изчисляване на инерцията. Най-общо казано, важната цифра е инерционният коефициент, който е съотношение между инерцията на товара и инерцията на двигателя.

Инерцията на двигателя може да се вземе от спецификациите на производителя, но изчисляването на инерционния момент на товара е малко по-трудно. Реално всеки компонент, който се движи от двигателя, допринася за общата инерция на товара. Това включва не само самия товар, а и всякакви други механични компоненти на предавателната система, като съединителни елементи, ходови винтове, направляващи и др.

Друг важен фактор е скоростта. Тук трябва да се знае на какво разстояние и с каква скорост трябва да се придвижи товарът. Познаването на инерционния коефициент, както и на профила на ускорение и спиране на самата система, може да бъде от помощ на този етап. Определянето на профила на движение и на коефициента на инерция помага да се изчислят необходимата скорост, ускорение и въртящ момент.

Когато товарът и скоростта са вече известни, следва да бъдат изчислени стойностите на необходимия въртящ момент. Това може да се осъществи по кривата въртящ момент-скорост на двигателя. Трябва да се направят изчисления за определяне на необходимия непрекъснат въртящ момент, пиковия въртящ момент и максималната скорост на двигателя.

Изискваният непрекъснат въртящ момент трябва да се намира в определените за това граници в кривата въртящ момент-скорост на системата. Необходимият пиков въртящ момент също трябва да е в определените граници за прекъсната работа на сервосистемата, отбелязани на кривата въртящ момент-скорост на двигателя.

Изчисленията за правилното оразмеряване на серводвигателя са сложни, но съществуват много софтуерни програми, които правят процеса на избор по-лесен. Оразмеряващият софтуер може да помогне и при изчисляването на несъответствието между инерциите на товара и двигателя.

Основно правило от практиката е това несъответствие да бъде по-малко от 10:1 (инерция на товара:инерция на двигателя). Много сервосистеми могат да се справят с несъответствие, което е много по-голямо от 10:1, но обикновено подобреното управление и реакция на системата водят до намаляване на несъответствието между инерциите до 10:1 или по-малко.

Предавки
Типоразмерът на серводвигателя оказва пряко влияние върху останалите компоненти на сервосистемата, и затова правилното му оразмеряване е от критично значение. Ако серводвигателят е прекалено голям, ще има нужда от по-голям усилвател, отколкото е необходим за по-малък двигател. Това води до значително завишени разходи за оборудване, както и до потребление на по-големи количества енергия.

Обикновено серводвигателите развиват скорости от порядъка на 3000 до 5000 об./мин., като в много приложения двигателят е комбиниран с предавателен механизъм, за да се увеличи изходящият въртящ момент.

Предавателният механизъм повишава въртящия момент с предавателното си отношение, което означава, че една система от трансмисионни колела с отношение 3:1 ще увеличи въртящия момент три пъти (пренебрегвайки енергийните загуби). Предавателната система също така ще понижи коефициента на инерционно несъответствие с корен квадратен от предавателното отношение, т. е. една предавателна система с отношение 10:1 ще намали инерцията на товара 100 пъти.

Обикновено предавателните системи позволяват успешната експлоатация на двигателите, което компенсира в голяма степен разходите за закупуването им. В много приложения добавянето на предавателна кутия (или някакъв вид предавка) може да осигури възможност за ползване не само на по-малък двигател, но и на по-малко задвижване. Смаляването на двигателя и задвижването понякога може да компенсира повишените разходи за допълнителната предавателна система, особено по отношение на оперативните разходи.

Свързване на товара
Трябва да се прецени дали двигателят да бъде директно куплиран или не. Има клас сервосистеми, които позволяват товарът да бъде директно свързан към ротора на двигателя. По този начин и при ниски стойности на ускорение и отрицателно ускорение могат да се постигнат инерционни коефициенти от 100:1 и по-високи. Оразмеряващият софтуер, предоставен от производителя, е най-добрият избор за симулиране на проектните критерии, за да бъде сигурно, че инерциите в системата са в необходимите граници.

Оползотворяване на рекуперативната енергия
Друг важен момент в много приложения е възможността на сервосистемата да оползотворява рекуперативната енергия, създавана от двигателя и от товара. Тази функция се поема от усилвателя на сервосистемата. Когато въртящият момент на двигателя се прилага в една посока, а роторът се движи в противоположната посока, двигателят ще произведе рекуперативна енергия, която ще се подаде обратно към усилвателя.

Подаването на енергия към намотката на двигателя ще създаде магнитно поле, което ще накара ротора с постоянни магнити да се върти. По подобен начин, когато роторът на двигателя се върти, постоянните магнити ще индуцират енергия в намотките.

Тази рекуперативна енергия се оползотворява от задвижването по много начини. Някои по-малки задвижвания използват шинните кондензатори за абсорбиране на тази енергия, докато по-големите задвижвания разполагат с вътрешни резистори, чрез които енергията се разсейва като топлина. Обикновено оразмеряващият софтуер от производителя дава отчет за нуждата от оползотворяване на рекуперативната енергия.

Рекуперативна енергия в активното захранване
По-големите системи разполагат с преобразуватели, които позволяват връщането на енергията към захранващата линия. Количеството рекуперативна енергия, която задвижването може да поеме, е друг момент, който да се вземе предвид при проектиране на допустимото несъответствие между инерциите на двигателя и товара при избор на сервосистема.

Често срещана практика е външното свързване на силови резистори към усилвателя при работа със системи, произвеждащи големи количества рекуперативна енергия. Тези системи обикновено са вертикални в случаи, когато гравитацията играе роля и при бързо отрицателно ускорение на големи инерционни натоварвания.

Освен рекуперативния капацитет, усилвателят трябва да може да подава правилното напрежение и ток към двигателя, за да може да се постигнат необходимата скорост и въртящ момент. Определянето на енергийните потребности на двигателя и усилвателя е само началният етап.

Изисквания за системата за управление
Изискванията за управление също трябва да бъдат взети под внимание. По дефиниция сервосистемата винаги има устройство за обратна връзка. В днешни дни това обикновено е енкодер с висока резолюция или датчик за позиция. Енкодерите, от своя страна, се класифицират като абсолютни и инкрементални.

Важно е устройството за обратна връзка да има необходимата резолюция за повторяемост и точност, съответстващи на изискваните толеранси в позиционирането. Освен това усилвателят трябва да бъде и съвместим с вида на сигнала, подаван от устройството за обратна връзка.

Точност на позициониране
Енкодерите обикновено използват серия от импулси на два канала, за да подадат към усилвателя информация за позицията, скоростта и посоката. Поради увеличаване резолюцията на тези енкодери някои производители ползват серийни устройства, които изпращат пакетите информация по различен начин.

Серийните енкодери могат да предадат сигнали с по-голяма резолюция, които съдържат значително по-малко шум, както и допълнителна информация. Тази допълнителна информация може да включва температура на двигателя, както и информация за типа му (например продуктов номер).

В сервосистеми, където двигателят и усилвателят (мощното стъпало) са от един и същи производител, възможността на устройствата за обратна връзка да идентифицират двигателя спрямо усилвателя (чрез продуктовия му номер), позволява настройката на вътрешни параметри с цел оптимална работа на системата и автоматична защита на двигателя.

Комуникационна свързаност
При наличието на съвместимост между двигател и усилвател, както и устройство за обратна връзка с необходимата за съответното приложение резолюция, е време да се избере управляващият сигнал между усилвателя и контролера на движението. За едноосни приложения е обичайно контролерът да е вграден в усилвателя или да е прикачен на неговата странична повърхност.

Някои от тези приложения са интегрирани в големи системи за управление. Така един програмируем контролер (PLC, PAC) може да се използва за управление на цялата линия и за комуникация със задвижванията по отделните оси посредством цифрови входове/изходи (I/O) или комуникационен протокол като EtherNet/IP или ModbusTCP/IP.

Избор на интерфейс на системата за управление
В многоосни системи контролерът обикновено е отделен. Традиционно управляващият сигнал от контролера е бил +/-10 V, с който се е управлявал или въртящият момент, или скоростта. Днес повечето производители предоставят мрежови решения.

За тези мрежови варианти се изисква по-малко опроводяване, като те могат да се справят с обратна връзка с по-голяма разделителна способност и събират повече информация за диагностициране от усилвателя. Предлагат се много варианти, като всеки един от тях има своите предимства и недостатъци.

Избор на мрежа за управление на задвижванията
Много от по-новите мрежи са основани на Ethernet хардуер и се възползват от все по-нарастващата скорост и все по-ниските цени. Във всеки случай, самото наличие на конектор RJ-45 на усилвателя не означава, че той е съвместим с дадения контролер или с останалата част от мрежата.

Протоколите в тези мрежи определят съвместимостта. EtherCat, Mechatrolink III и Powerlink са едни от най-бързите Ethernet-базирани мрежи, подходящи за управление на движение. Сервосистемите с мрежово управление обикновено предоставят на други Ethernet портове обикновени индустриални протоколи като Modbus TCP/IP и EtherNet/IP за изпращане на диагностична и производствена информация към мрежите за управление.

Новият брой 8/2017

брой 8-2017

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top