Сервозадвижвания
Начало > Електроапаратурa > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 5, 2008
Сервозадвижвания
Част I. Характеристики, област на приложение, използвани серводвигатели.
Терминът сервозадвижване смислово включва следяща система за автоматично управление на положението, скоростта и евентуално нейните производни на физически обект с помощта на обратна връзка с цел корекция. Обратната връзка отличава сервосистемите от останалите видове задвижвания. При сервомеханизмите заданието (координати, скорост и др.) се подава на входа на сервосистемата, тя определя текущата величина, сравнява я със зададената и изработва управляващо въздействие, намаляващо разликата им. С основание сервозадвижванията се приемат като най-високотехнологичните електрозадвижвания. Сервозадвижването включва сервоусилвател, серводвигател и датчик. (фиг. 1а, б).
Изпълняват ролята на основни задвижвания
Както вече сме споменавали в сп. Инженеринг ревю, терминът „серво” произлиза от латинската дума servus, което се превежда като слуга или помощник. В миналото тези задвижвания са изпълнявали ролята на спомагателни задвижвания с малка мощност. Първите електродвигатели (ЕД) са разработени за сервоусилватели (фиг. 2). В момента класовете ЕД, които могат да се използват със сервоусилвател или инвертор, са конструирани така, че да имат универсално приложение. През последните десетилетия сервосистемите получиха сериозно развитие, благодарение на роботизацията. Планарният двигател (фиг. 3, 4) на въздушна възглавница (двукоординатната синхронна машина) се използва в автоматите за монтаж на полупроводникови компоненти, тестерите на силициеви пластини, в скрубери и др. Със създаването на нови технологии на управление, на базата на мощни контролери, сервозадвижванията се превърнаха в основни задвижвания в различни отрасли в промишлеността. Изпълняват различни задачи, като прецизно преместване, бързо и точно позициониране, поддържане на зададен момент, както и на скорост на въртене.
Въртящ момент 30 000 Nm при точност на преместване 10 nm
Областта на използването им е много широка, но приложението им в роботиката, в космическата техника, самолетостроенето, производство на полупроводници, медицината и други е без конкуренция. Обобщено, би могло да се каже, че няма приложение, в което сервозадвижванията да не се използват. Сред най-важните инженерни задачи, които изпълняват, са в областта на целулозно-хартиената промишленост, стоманодобивното производство, дървообработващата промишленост и др. Друга област на приложение са високоскоростни устройства за специализирани обработващи машини. Използват се за работни честоти в диапазона от 18 000 до 250 000 min-1 в прецизни фрезови обработващи центрове, за разпробиване на отвори с малък диаметър, вътрешно шлифоване и др. Практически са постигнати резултати от порядъка на въртящ момент 30 000 Nm; точност на преместване 3 ъглови секунди; товароподемност 50 t, точност на преместване 10 nm.
Свидетелство за огромния пазар на сервосистеми по света са темповете, с които нараства производството им. Според информацията от направени анализи, през 1999 г. са произведени 40 000 системи на приблизителна стойност от над 46 млн. USD, докато през 2006 г. броят се е увеличил до 219 000 на стойност от порядъка на 195 млн. USD. Очакванията са през настоящата година производствените обеми да надминат 500 000 броя.
Изисквания към съвременните модели
Основните изисквания към съвременните сервозадвижващи системи могат да се систематизират в групите:
l Точност на позициониране;
l Широк обхват на регулиране на скоростта;
l Стабилност на въртящия момент;
l Възможност за форсиране или устойчива работа в режим на претоварване;
l Прецизно поддържане на желаната скорост;
l Оптимална динамична характеристика.
Възелът серводвигател и инвертор
Известно е, че електродвигателите се движат под действие на Лоренцовата сила (линейно пропорционална на тока на магнитното поле). От своя страна, инверторите обезпечават електронна защита на преобразувателя и двигателя от претоварване по ток, прегряване, утечка към земя и прекъсване на фаза. Съвременните инвертори предлагат възможности за визуализиране на основни параметри на системата, като зададена скорост, изходна честота, ток и напрежение на двигателя, изходна мощност и момент, състояние на дискретните входове, общо време на работа на преобразувателя и т.н. В зависимост от характера на товара е възможно избраният инвертор да е с подходяща V/f характеристика (в съответствие със Закона на Костенко) или изработи собствена.
Предотвратяване на механичен резонанс. Понякога при работа на определени честоти в механичната система възниква резонанс. Инверторът би могъл да се настрои така, че двигателят да “пробяга” много бързо през оборотите на критичните честоти на въртене. По този начин се избягва влизането в механичен резонанс.
Предотвратяване „прекатурване” на ротора. Инверторите обикновено поддържат функция, предотвратяваща т.нар. преобръщане на ротора в три режима – при увеличаване на оборотите, в режим на спиране и по време на работа. При нарастване на оборотите, ако е зададено много високо ускорение и не достига мощност, инверторът автоматично продължава времето на ускорение. Функцията е аналогична при работа на двигателя в режим на спиране. В случай на претоварване, вместо аварийно спиране инверторът има за задача работата да продължи на по-малка скорост. Независимо от режима на работа, инверторите предотвратяват повреда в двигателя.
Определяне на скоростта на товара. Възможно е възникването на ситуация, в която инверторът се включва при въртящ се товар. За предотвратяване на споменатото преобръщане на ротора се използва т.нар. функция „потърси скорост”. При нея инверторът се използва в процеса на пуск с цел определяне на оптималната скорост на въртене на товара, като регулирането започва не от нула, а от скоростта, с която се върти той.
Управление чрез широчинно-импулсна модулация (ШИМ). Инверторът би могъл да бъде конфигуриран с помощта на входна логика и да работи като контролер, реализиращ както двуквадрантно, така и четириквадрантно управление на ШИМ сигнала. При двуквадрантно управление се осъществява захващане на едната фаза на двигателя, като ШИМ сигналът захранва с положителна полярност едната му фазова намотка. При четириквадрантно управление ШИМ комутира две фази на двигателя. Това управление на ШИМ сигналите намира много по-широко приложение в сравнение с двуквадрантното, особено в случаи като позиционно управление, фазова синхронизация, скоростно управление, управление по сложен алгоритъм и др.
Автоматично разпознаване на серводвигателя. С цел опростяване на процедурите за настройки на сервозадвижването и сервоусилвателите, в дадени серии е реализирана функция за автоматично разпознаване на серводвигателя. За прочитане на идентификационните данни е достатъчно просто да се включи датчикът за положение на серводвигателя към сервоусилвателя и захранването.
Изисквания към сервоелектродвигателите
Сред основните изисквания към серводвигателите е да имат добри ходови качества (чувствителност и точност), т.е. да работят с устойчива скорост при изменение на натоварването. Друго изискване е механичната им характеристика да се отличава с голяма стръмност, както и да имат малък инерционен момент. Предимство е да се характеризират с голям пусков и номинален момент, както и с малък самоход. Други изисквания към серводвигателите са устойчивост в различни работни точки (линейна механична характеристика), както и елементарен пуск – известно е, че при всички специални синхронни ЕД се прилага пряко асинхронно пускане. Добре би било захранването да се осъществява сравнително лесно. Това е наложило конструкции без възбудителна намотка и еднофазна котва (при малки мощности). Изисквания към двигателите са и елементарна и надеждна конструкция, нисък шум при работа, малки размери и тегло, както и оптимални енергийни показатели, голяма динамика на двигателя, равномерност на движението и енергийна ефективност.
Постояннотокови серводвигатели
Класическите DC серводвигатели (фиг. 5) първоначално са предпочитани в областта на автоматизацията поради по-малкото си тегло и голям въртящ момент. Известно е, че постояннотоковите серводвигателите се отличават с голяма за габаритите си мощност и сравнително лесно управление. Изискванията към тях са постоянен въртящ момент или постоянна мощност.
Класическият DC двигател има две намотки - на статора (индуктора) и на ротора (котвата). Използват се, съответно, котвено управление и полюсно управление. При котвено управление индукторът винаги е включен и машината е възбудена с константен ток Фв. По този начин той е в готовност във всеки момент. Механичната и регулиращата характеристики на DC двигателите са линейни. От своя страна, полюсното управление вече не се използва, поради нелинейност и нееднозначност на характеристиката при номинален момент, по-малък 1/2 от номиналния. За двигателите с възбудителна намотка на полюсите е възможно да се осъществи двузонно регулиране на оборотите, при което диапазонът на регулиране е 1:1000 (фиг. 6). В първата зона регулирането се осъществява при постоянен момент, а във втората зона при постоянна мощност (P = wM).
DC серводвигателите години наред са единствените ЕД, при които съществуват технически решения за лесно регулиране на оборотите. Възможно е постояннотоковата възбудителна намотка да се замени с постоянни магнити, поставени на индуктора. Напоследък се произвеждат изключително силни постоянни магнити, а значителното намаление на цените на произвежданите от редкоземни елементи доведе до увеличаване на приложенията им основно в машиностроенето.
Предимства и недостатъци на тиристорна система
Използването на DC електродвигатели в AC сервосистеми е свързано с реализация на закона за управление по напрежение на котвата. Използваните управляващи устройства са магнитни усилватели - тиристорни и транзисторни регулатори. Във функцията на датчици за обратна връзка по скорост намират приложение аналогови тахогенератори.
Тиристорната сервосистема представлява управляем тиристорен преобразувател, захранващ постояннотоков електродвигател с независимо възбуждане. Схемата обхваща съгласуващ трансформатор, управляем изправител, състоящ се от две групи по 6 тиристора, включени по шестфазна насрещно паралелна схема, токоогрничаващи дросели и двигател с независимо възбуждане.
Преимущества и недостатъци на решението са:
l При котвено управление, механичните и регулиращи характеристики са линейни.
l Водещият вал се позиционира точно, чрез изпращане на кодов сигнал към двигателя.
l Сравнително висок КПД - около 40% при малките и над 98% при големите ЕД.
l Реализацията на котвено управление изисква големи токове, а при големи мощности възникват проблеми.
l Сложна схема на регулиране.
l Наличие на четки и токоприемник.
l Невисока надеждност, както и
l Висока цена.
Променливотокови серводвигатели
Напоследък се използват преимуществено безколекторни ЕД – AC асинхронни и синхронни с мощни постоянни магнити, и DC ЕД, но безколекторни или синхронни ЕД със синусоидална комутация. Променливият ток в серводвигателите се изменя съгласно скоростта на вала, при непрекъснат ток, въртящ момент и отдавана мощност. При обратимите асинхронни серводвигатели е възможно изпълнението на непрекъснат контрол на скоростта, както асинхронна, така и при компенсиране на хлъзгането (честотата на захранване по-голяма от 50 Hz), и коригирането й в съответствие с работния диапазон. ЕД са конструирани така, че да поддържат еднакви експлоатационни показатели в двете посоки на въртене.
АС серводвигателите могат да използват шифратори, аритметично-логически устройства и тахометри за сигналите от обратната връзка.
Асинхронният двигател
е най-масово използваният електродвигател в промишлеността, благодарение на простата си и надеждна конструкция и невисока цена. Характерно за този тип двигател е сравнително сложното управление на момента и честотата на въртене. Използването на високопроизводителни контролери и инвертори, реализиращи векторен алгоритъм на управление, и цифрови датчици за скорост с висока разделителна способност позволяват да се реализира диапазон на регулиране на скоростта и точност на характеристиките, не по-лоши от характерните за синхронното електрозадвижване.
Асинхронните сервозадвижвания работят с променлив ток 50 Hz, който се изправя, преобразува се в други напрежение и честота, като по този начин се регулират оборотите и моментът на двигателя. Новото напрежение също е трифазно, но с друга честота в диапазона 0,2 до 400 Hz.
Асинхронните сервозадвижвания дават възможност за решаването на разнообразни задачи, свързани с автоматизация на производството и икономия на електроенергия (безстъпково регулиране на въртенето и скоростта).
Синхронен електродвигател
Представляват трифазни синхронни ЕД (фиг. 7, 8) с възбуждане от постоянни магнити и фотоелектрически датчик за положението на ротора. Използват се кафезни ротори, както и такива с постоянни магнити. Роторът на синхронните ЕД ротора е с ниска инерция и висок номинален момент, които са сред основните му предимства. Двигателите работят в съчетание със сервоусилвател, включващ изправител с мощни диоди, блок кондензатори и инвертор, базиран на силови транзисторни ключове. За изглаждане на пулсациите на изправеното напрежение, сервоусилвателят разполага с блок кондензатори, а за преобразуване на натрупаната енергия в кондензаторите в момента на спиране – разряден транзистор с баластно съпротивление, обезпечаващо ефективно динамично спиране.
Честотно регулируемите сервозадвижвания със синхронни двигатели се отличават с високо бързодействие, добра съвместна работа с импулсните системи за програмно управление и широка приложна област в различни отрасли на промишлеността.
Цифровите АС задвижвания изместват DC системите
В областта на регулируемите сервозадвижвания днес се наблюдава тенденция към замяна на постояннотоковите сервозадвижвания с цифрови AC системи на регулиране.
Регулируемите асинхронни сервозадвижвания, базирани на съвременни малогабаритни инвертори, позволяват решаването на различни задачи от автоматизацията на производството с висока степен на надеждност и ефективност. Счита се, че работата им е целесъобразна във всички приложения, изискващи безстепенно регулиране на скоростта на подаване, например в металорежещи и дървообработващи машини. Сред предимствата им са:
l Позициониране на работните органи с висока точност,
l Поддържане на въртящ момент с висока точност,
l Поддържане на скорост на преместване или подаване с висока точност.
Линейни серводвигатели
Представляват електрически машини с непосредствено преобразуване на електромагнитната енергия в линейно преместване. Управлявайки силата и фазата на вектора на магнитното поле и взаимодействието на пространственото поле на подвижния елемент на полето с неподвижния, се реализира преместване на подвижния елемент по траектория - дори с висока степен на сложност, в първа или втора координатна система.
Линейните ЕД се разделят в няколко групи - линейни (фиг. 4), ротационни (фиг. 9) (платформи) и специални многокоординатни системи (двукоординатен планарен двигател). Съществуват и други видове ЛД, но те имат крайно ограничено приложение. В класическия вариант котвата на двигателя е захранена от променливо напрежение и се движи над статора, състоящ се от стоманени пластини и постоянни магнити (магнитен път), резултат на взаимодействието на променливото поле на котвата със статичното поле на статора.
Въртящите платформи
са електромагнитни системи (фиг. 10), които в зависимост от изпълнението на подвижната част са с котва или индуктор. Частен случай представляват пръстеновидните и сегментни двигатели. Сегментният синхронен двигател е изграден от няколкосегментен статор с трифазна намотка и ротор със запресован постоянен магнит от редкоземни елементи, изработен от сплав на неодим, желязо и бор (Nd2Fe14B или самарий-кобалт (Sm-Co). Равномерното въртене в сегментния двигател се постига, благодарение на синусоидална комутация на токовете във фазите на намотката. Въртящият момент се предава непосредствено през въздушната междина, което повишава надеждността на работа. Основно преимущество е кухият вал и ниската себестойност при големи диаметри на ротора. Първият сегментен двигател е патентован от американския инженер Брюс Сойер през 1969 г.
Вижте още от Електроапаратурa
Ключови думи: ЛД
Новият брой 5/2024
