Сервозадвижвания
Начало > Електроапаратурa > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 6, 2008
Част II. Серводвигатели, сервоусилватели, датчици за серводвигатели, методи за ограничаване на шумовете
зползването на сервозадвижващи системи (фиг. 1.) бележи възходящ тренд последните години. През 70 и 80-те години на миналия век преобладаваха системи, захранвани с постоянен ток. Днес, пазарният им дял все повече се стеснява. Измествани са от асинхронни електродвигатели с накъсо съединен ротор, работещи съвместно с честотен инвертор и контролер със съответното програмно обезпечаване. Голяма част от двигателите вече разполагат с интегриран честотен преобразувател. Направени проучвания показват, че АС сервозадвижвания имат пазарен дял от над 60% през 1998 г., докато през 2005 г. тази стойност достига 75%. Увеличава се делът на синхронните сервосистеми, обединяващи синхронен двигател с постоянни магнити и преобразувател матричен тип. Подобни системи (фиг. 2.) са много ценени в авиационната и космическата промишленост за управление на летателни или космически апарати.
Критерии за избор на серводвигател
Преди да се избере серводвигател, е необходимо много прецизно да се конкретизират изискванията към него и привеждания в движение механизъм. Както е добре известно на специалистите, основен параметър за избор на електрически двигател (ЕД) е номиналната му мощност. Тя е полезната мощност на неговия вал. Избира се в зависимост от очаквания товар и режима на работа на двигателя. В редица случаи се прави емпирично. Определянето на мощността на двигателя се базира на две условия - допустимо нагряване и допустимо краткотрайно натоварване. Освен основни данни, спецификацията на двигателите включва и редица допълнителни технически параметри, като кратност на пусковия ток, пусков и максимален момент, претоварваща способност, както и инерционен момент.
Изборът на електрически двигател би могъл да се базира и на пусковия му момент. Необходимо е да се отчете, че той се характеризира с кратността му спрямо номиналния момент. Добре известно е, че за да се развърти определен механизъм от състояние на покой до номинална скорост, пусковият момент на двигателя трябва да бъде по-голям от този на механизма.
Сервозадвижването се подбира и по максимален ток. Той се характеризира с кратността на максималния възможен ток за моментно натоварване спрямо номиналния. Параметърът максимален ток е базов за избор преди всичко на постояннотоковите двигатели. Пусковият ток зависи от конструкцията на ЕД.
Избор на електродвигател по инерционен момент е необходим, когато ЕД работи с променливи момент, време на преходните процеси и отношение на продължителността на работа и нагряването му. Твърдението се отнася и при чести и резки промени на скоростта на въртене. Режимите на работа на ЕД са стандартизирани по БДС.
В случаите, при които двигателят се избира по вид на тока, следва да се има предвид, че машините за променлив ток като правило са по-евтини от постояннотоковите, с по-малки експлоатационни разходи и сравнително лесно обслужване.
Критерии за сервозадвижващи системи
Серводвигателите понякога се продават без енкодер. В подобни случаи, той би могъл да бъде доставен към двигателя или друга част от драйверния механизъм. Работата на дистанционно управляемите системи зависи от скоростта и прецизността на обратната връзка. Серводвигател без енкодер не се препоръчва за точни сервосистеми. Съвременните сервоусилватели винаги измерват и коригират параметрите на сервосистемата в реално време.
Базови критерии при избор на определен модел сервозадвижваща система са:
l добра устойчивост на въздействия от околната среда;
l запазване надеждността на работа и устойчивостта на експлоатационните си характеристики, дори в много тежки условия като обхват на възможните скорости или обороти;
l лесно и точно регулиране;
l габарити и тегло.
Препоръчителен избор на ЕД за серводвигател
По пиково и продължително натоварване - пиковото натоварване не зависи от начина на охлаждане. При еднакво продължително натоварване двигателят с водно охлаждане е съществено по-евтин и с по-малки габарити от моделите с въздушно охлаждане. Препоръчва се използването на двигатели с водно охлаждане при интензивен работен цикъл (високо ускорение, често спиране, работа с големи натоварване и момент, както и при висока точност на сервозадвижването).
По зададено натоварване (момент) и минимална цена. Цената на ротационните двигатели с еднакъв момент и различни диаметри на ротора е приблизително еднаква. Типоразмерът се избира от конструктивни съображения. Цената на линеен двигател с равен момент е по-малка за модели, имащи котви с малка дължина и голяма ширина.
При преместване на товар на разстояния, по-малки от 1 m, се препоръчва избор на котва с малка дължина и голяма ширина, при един и същ въртящ момент. При преместване на товара на разстояния, по-големи от 1 m, е добре да се избере линеен двигател с по-голяма дължина и по-малка ширина на котвата.
За осигуряване на най-малък ток на двигателя при зададена скорост и напрежение на захранване се препоръчва свързване тип "звезда". За прецизни сервозадвижвания и при контурно управление, ако индуктивността на фазите е над 50 mH, за по-добро управление се избира двигател с по-голям ток или свързване в "триъгълник".
При честота на захранващото напрежение, повече от 200 Hz, е рационално да се избере двигател с по-голямо полюсно деление или модел с малък диаметър за понижаване на честотата и с цел намаляване загубите от вихрови токове.
Добре и да се има предвид, че асинхронните сервозадвижвания имат неоспорими преимущества пред синхронните за големи мощности и въртящи моменти над 30 Nm.
При необходимост от високо бързодействие (цикли от порядъка на няколко секунди) и въртящи моменти в диапазона от 15 до 20 Nm следва да се избере регулируемо сервозадвижване на база синхронен двигател. Необходимо е да се осигури регулиране на честотата на въртене до 6000 min-1 без понижаване на въртящия момент.
ЧИ със сервосистеми, базирани на синхронен двигател, създават бързодействащи системи с много точно позициониране.
Видове управления на сервозадвижванията
Теорията на управлението е един от основните методи за описване поведението на една динамична система. Тази теория е много сложна и математическото й приложение е свързано с употребата на системи от диференциални уравнения. Управлението на регулаторите, независимо от вида им, се описва физически с един от описаните по-долу типове или чрез комбинация от тях (фиг. 3).
Класическо управление - ПИД (фиг. 4 и 4а). Най-използваният метод за управление с обратна връзка, базирано на три параметъра на сигнала на грешката, чрез които се генерира управляващ сигнал за корекция. Желаната динамика и устойчивост на затворената система често се гарантира от канала на пропорционалния сигнал. Основно в него се реализира формиране и демпфиране на корекционния сигнал. В някои много сложни приложения този метод не дава задоволителни резултати.
Нелинейно управление - Процесите в роботизацията и космическата промишленост обикновено се характеризират с нелинейна динамика. Понякога е възможно приложението на линейни методи. Често, обаче, такива методи се използват единствено за разработване на нови теории и намиране на решения на нелинейни системи уравнения. Например, пълзящ режим на управление и линейност на обратната връзка. Диференциалната геометрия е широко използван метод за нелинейно управление. Редица експерти го определят като много перспективен метод.
Оптимално управление – представлява управляващ метод, при който управляващият сигнал се оптимизира с определен „стоящ индекс”. Типичен пример за приложението му е спътник, за който се търси реактивната сила, нужна да го изведе на зададена траектория с изразходване на най-малко количество гориво. Два от оптималните методи могат да гарантират устойчивост при затворена система на управление. Приема се като нов перспективен метод.
Предсказващо управление – Предсказващото управление също е съвременен метод за управление, който намира все по-широко приложение с увеличаване на бързодействието на сервозадвижванията. Както личи от наименованието, този управляващ метод се основава на “предсказване” бъдещото поведение на управляваната система. “Предсказаните стойности” се изчисляват на базата на специализирани модели. Подробна информация за същността на методите за управление с предсказване трудно би могла да се намери, тъй като са фирмено ноу-хау.
Адаптивно управление – В основата му е заложено интегриране на познанието за процеса, представено като база данни, с адаптивно управление в реално време в зависимост от натрупаната предварителна информация. Системите с адаптивно управление обикновено са самообучаващи се. Методът се характеризира с голяма стабилност на управлявания процес и постоянство на натрупаните грешки. Първоначалното приложение на адаптивното управление е в авиационната и космическа промишленост. Днес, този метод за управление осигурява автоматично разпознаване на ЕД, директно управление на големината на въртящия момент и др. Адаптивното управление се използва успешно в сервозадвижванията на полиграфски машини, системи за точно рязане, дозиращи и маркировъчни машини, многокоординатни обработващи машини и др.
Интелектуално управление – базирано е на обработващ метод, подобен на „невронна мрежа”, „бейсикова вероятност”, „размита логика”, „динамична система”, „генетически алгоритъм” и др.
Йерархична система на управление – метод, при който включването на устройствата в системата се основава на т.нар. „йерархическо дърво”.
Корекционни серводвигатели
Представляват специални ЕД. В системите с корекционни серводвигатели отсъства необходимостта от използването на допълнителна предавка между двигателя и управлявания механизъм. Характеризират се с много висок въртящ момент, което позволява използването на динамичен, прецизен, без мъртъв ход, както и с високо статично и динамично натоварване и по-нисък шум изпълнителен механизъм.
Обикновено тези двигатели са с диаметър над 1 метър и въртящ момент, по-голям от 20 000 Nm. При замяна на класически двигател с корекционен се реализира по-голяма производителност с 50% и по-голяма точност с 30%, уверяват специалисти от компании, производители на корекционни серводвигатели. Роторът на тези двигатели често е от Nd-Fe-B постоянен магнит. Друга тяхна конструктивна специфика е броят на полюсите. Известно е, че с повече полюси се реализира по-голям въртящ момент, но все пак границата от 46 полюса се приема за оптимална, въпреки че на пазара има и ЕД със 100 чифта полюси. Превключването на намотките на котвата не е елементарна процедура за корекционните двигатели, в случай че не разполагат със система за обратна връзка за положението и скоростта на ротора и сервоусилвател. Корекционните ЕД се характеризират с пусковата характеристика на други двигатели с постоянни магнити. Друга тяхна специфика е отделянето на много топлина поради големия им въртящ момент. Ако конструктивно не е осигурено отделяне на топлината в двигателя, това би могло да доведе до повишаване на температурата вътре в него. Следствията са повредена изолация, размагнитване на силните постоянните магнити и, разбира се, авария. Нерядко корекционните двигатели са с водно охлаждане.
Новости при сервоусилвателите
Използват се операционни или диференциални усилватели, поради по-високата им шумоустойчивост. Съвременните сервозадвижвания (фиг. 5) работят с голяма точност, която би следвало да е гарантирана и устойчива във всички диапазони на работните скорости. Едно от най-големите им предимства е компенсацията на натрупаната грешка. Сервоусилвателят „нулира” данните от датчиците или по сигнал, през определено число работни цикли.
Сервоусилвателите реализират управлението на серводвигателите по:
l Позициониране – в зависимост от максимална честота на входните импулси, максимална честота на импулсите за обратна връзка, коефициент на умножение, допуск при достигане на позицията, допустима грешка при позициониране, ограничение на въртящият момент на ЕД.
l Скорост – посредством диапазон на управление, по аналогово задание за скорост, както и според диапазон на колебание на скоростта.
l Управление по въртящ момент на ЕД – чрез ограничение на момента, задание за момент и ограничение на скоростта.
Изборът на сервоусилвател с обратна връзка, особено при корекционните двигатели, е от определящо значение за работата на цялата система. Синусоидална обратна връзка се препоръчва. Не е добре да се използва правоъгълен сигнал и последователна обратна връзка.
Друга функция на сервоусилвателя е потискането на вибрациите. Посредством специално разработена адаптивна система автоматично се разпознава появата им, вероятността от настъпването на механичен резонанс. Те предотвратява прогресирането на вибрациите чрез активиране на адаптивните алгоритми за филтрацията им. Коефициентът на демпфиране се пресмята и коригира автоматично по време на работа. Приложението на традиционните алгоритми на управление свежда до минимум вероятността от грешки.
Последователните сервоусилватели се приемат за добър избор при използване в приложения, сред които медицинска техника, опаковъчни линии, роботизация и много други заводски системи. Съвременните сервоусилватели могат да се използват в много тежка обкръжаваща среда. Чрез високопроизводителен процесор съществено се подобрява бързодействието им. Честотата на контура за скорост, в сравнение с по-стари модели, е увеличена до 550 Hz и повече. Входни управляващи импулси от порядъка на 500 000 в секунда вече са типични стойности. Те обезпечават висока динамична реакция и свръхбързо позициониране. Лесната им експлоатация позволява бързо достигане до оптимални резултати и максимална производителност, дори и при не особено неопитен и без задълбочени познания персонал.
Новите технологии не само позволяват да се съкрати периодът на работния цикъл, но и да се увеличи точността на позициониране. Много от помощните средства дават възможност да се настрои сервозадвижването с инструменти, реализирани в сервоусилвателя или програмното му обезпечение. Отсъства необходимостта от използването на други програмни или апаратни средства. Реализираните алгоритми имат способността да адаптират автоматично работата на задвижването в зависимост от конкретните условия. Някои от функциите са реализирани в самия сервоусилвател, други настройки са заложени в програмното обезпечаване, изпълнявани в процеса на пуск.
Датчици за серводвигатели
Съществуват достатъчно основания да се твърди, че отмина времето на постояннотоковите и променливотоковите тахогенератори, използвани във функцията на датчици в серводвигателите. Днес широко се използват два вида датчици за ъглово преместване, които принципно се различават един от друг - инкрементални датчици и датчици за абсолютно положение. Инкременталните датчици изработват сигнал при изменение на ъгловото положение на вала по пътя на сложни пресмятания. Изходният сигнал представлява последователност от импулси с правоъгълна, рядко със синусоидална форма. Количеството импулси е пропорционално на изменението на ъгловото положение на вала и може да стигне 5000 bit за един оборот. Сигналите със синусоидална форма позволяват интерполация и осигуряват висока разделителна способност - до 36 000 имп./об. Водещи компании в областта предлагат енкодери с разделителна способност, по-висока от 150 000 имп/об. Инкременталните датчици са дву- или три канални. На изхода им се формира последователност от импулси A и B, изместени фазово на 900. По този начин се определя посоката на въртене. На трети изход се генерира нулев импулс на всеки оборот. По пътя на обработката на сигналите от инкременталния датчик се получава информация за текущия ъгъл.
Преимущество на датчиците за абсолютно положение е, че измерват текущия ъгъл дирекно - без пресмятане. Изходният им сигнал е числов еквивалент на текущия ъгъл. Би могъл да е двоичен или в код на Грей. Разрядността му е 14 или 17 бита. В много точни задвижвания се използват 20-битови. Съществуват два вида датчици за абсолютен ъгъл - едно и многооборотни. Вторите осигуряват информация не само за текущия ъгъл, но и за оборотите на въртене. Разделителната им способност достига 13-битово число, оборотите - до над 4000 (12 бит). Също така, имат способността да синхронизират едновременно 96 позиции. За обезпечаване на висока точност, някои качествени енкодери използват оптически метод за измерване на ъгъла на завъртате. Подобен енкодер, надеждно монтиран към вала на стандартнен серводвигател, го превръща във високоточно регулируемо сервозадвижване. Използването на цифрови импулси не води до температурен дрейф, характерен за аналоговите сервоусилватели. Дисковете на енкодера са от метал, като отворите в тях поради много малките си размери се изработват чрез химическа обработка.
Най-съвременните сервоусилватели
Възможностите на съвременните сервоусилватели ще илюстрираме с модел, разработен от водеща фирма. Той е цифров сервоусилвател с изключително висока динамика, широка честотна лента и висока точност. Постига се, благодарение на два 16-битови контролера, работещи с честота 50 MНz. Всички позиции имат съответен цифров код и корекции, обезпечаващи висока шумоустойчивост и отсъствие на пререгулиране. Превключването на отделните фазни намотки на серводвигателя се извършва непосредствено от шифратора. За да се интерполира синусовата и косинусовата вълна, се използва 12-битов аналогово-цифров преобразувател. По този начин се постигат с 20% по-голям въртящ момент на серводвигателя за целия скоростен диапазон при даденото захранващо напрежение. Нагряването на серводвигателя е намалено, а надеждността е увеличена. Следователно, мощността на двигателя би могла да бъде намалена. Използват се нови програмно обезпечаване, датчици на Хол и шифратори. Вградената токова верига осигурява стабилност на параметрите на двигателя.
Ограничаване на шумовите сигнали
Известно е, че токове с честота 1 MHz, имащи големина над 1,5 А, могат да предизвикат силни смущения в чувствителните вериги на сервоусилвателите. Затова при монтаж на сервосистемата трябва да се избягват дългите разстояния между датчиците и сервоусилвателя. Следва да има стремеж заземяващите контури да са близо до сервоусилвателя и да имат минимално съпротивление. Екраните трябва да са надеждно свързани със заземителния контур. Понякога при неблагоприятни обстоятелства е възможно да се наложи използването на специални филтри за входните сигнали. В такива случаи, за намаляване на смущаващите сигнали се препоръчва използването на коаксиален кабел от датчиците до сервоусилвателя. Също така, заземяването на екрана на коаксиалния кабел е необходимо да е в точка, близо до входа на сервоусилвателя.
Сервоусилвателите също са генератори на шум, но той би могъл да бъде минимизиран, като се използва екраниран кабел, както за силовия кабел, така и за сигналния. Задължително условие за осигуряване на оптимална работа на сервоусилвателя е правилния и прецизен монтаж. При особено чувствителни системи е важно да се използва филтър, монтиран близо до сервоусилвателя, който да пропуска само полезния сигнал. При монтажа на силовия кабел е необходимо да се избягва извиването му във вид на навивка, което добавя реактивно съпротивление в контура, имащо значителни стойности за честотния диапазон на шумовите сигнали.
“Борбата” с шумовите сигнали е първостепенна задача на монтажници и проектанти. Причината е добре известна - при големи стойности на шумови паразитни сигнали сервосистемата би могла да се окаже негодна за работа.
Новости в методите на работа на сервозадвижванията
Сред новостите е да се вземе от датчиците в статора напрежение, което е еквивалентно на статорното. Този сигнал се използва за комплексна оценка на векторния поток, съдържащ разликите между напрежението на статора и съпротивителния момент, който пък е част от машините криви. Главният източник на напрежение (VSI) се използва да захрани статора на двигателя. Тогава преминаващите импулсни напрежения на статора са с време на нарастване 2 – 10 kV/ms. Стойностите, обаче, ограничават честотата на квантуване. Ограничената ширина на честотната лентата на подобен процес на преобразуване невинаги дава точни стойности. За да се избегне това усложнение, някои автори използват инвертор на текущия източник (CSI) или линеен усилвател на мощност. Много ефективни са и методите на работа с много ниска скорост.
При метода, наречен извадка от потоците в статора, съответните величини US и UI са толкова малки, че дори грешките могат да превишават действителните сигнали. Потоците на статора обикновено се измерват от два датчика на Хол. Сигналите се получават като аналогови, които впоследствие се подават на аналогово-цифров преобразувател. Източници на грешки в процеса са постоянния офсет и увеличението на дисбаланса в аналоговите канали за сигналите. В този случай смущението представлява сигнал с два пъти по-висока честота от основната.
Моделите за работа с много ниска скорост са инверторни. При много ниска скорост, част от напрежението би могло да бъде увеличено спрямо индуцираното напрежение. Характеристиките на обратна връзка на захранващото устройство могат да бъдат моделирани и усреднени в характеристична крива, в която се използва диференциално съпротивление. Инверторният модел е резултат на внимателно обмисляне на топологията на кривите, получени от измерване.
Ток тече през силовия полупроводник или възстановяващия диод, в зависимост от превключващото състояние на инвертора в момента. Посоките на потоците на фаза не се променят във времевия интервал от около една шеста на основния цикъл. Те зависят единствено от вектора на статорния ток.
Вижте още от Електроапаратурa
Новият брой 9/2024
