Принцип работы сервоприводов

Сервопривод

 

Принцип работы

Вентильные электродвигатели

Вентильные двигатели – это синхронные бесколлекторные (бесщёточные) машины. На роторе находятся постоянные магниты из редкоземельных металлов, на статоре - якорная обмотка. Коммутация обмоток статора осуществляется полупроводниковыми силовыми ключами (транзисторами) так, чтобы вектор магнитного поля статора был всегда перпендикулярен вектору магнитного поля ротора - для этого используется датчик положения ротора (датчик Холла или энкодер). Фазный ток регулируется с помощью ШИМ-модуляции и может иметь трапецеидальную или синусоидальную форму.

Линейные серводвигатели

Плоский ротор линейного двигателя сделан из редкоземельных постоянных магнитов. По принципу действия он похож на вентильный двигатель.

Шаговые электродвигатели

В отличие от синхронных машин непрерывного вращения шаговые двигатели имеют на статоре явно выраженные полюса, на которых расположены катушки обмоток управления – их коммутация выполняется внешним приводом.

Рассмотрим принцип работы реактивного шагового двигателя, у которого на полюсах статора расположены зубцы, а ротор выполнен из магнитомягкой стали и тоже имеет зубцы. Зубцы на статоре расположены так, что на одном шаге магнитное сопротивление меньше по продольной оси двигателя, а на другом – по поперечной. Если дискретно возбуждать в определённой последовательности обмотки статора постоянным током, то ротор при каждой коммутации будет поворачиваться на один шаг, равный шагу зубцов на роторе.




Сервопривод

Некоторые модели преобразователей частоты могут работать как со стандартными асинхронными двигателями, так и с серводвигателями. То есть основное отличие сервоприводов не в силовой части, а в алгоритме управления и скорости вычислений. Поскольку в программе используется информация о положении ротора, то у сервопривода есть интерфейс для подключения энкодера, установленного на валу двигателя.

Сервоконтроллер

В сервосистемах используется принцип подчинённого управления: контур тока подчинён контуру скорости, который в свою очередь подчинён контуру положения (см. теорию автоматического управления). Сначала настраивается самый внутренний контур – контур тока, потом – контур скорости и самым последним настраивается контур положения.

Контур тока всегда реализован в сервоприводе.

Контур скорости (как и датчик скорости) также всегда присутствует в сервосистеме, он может быть реализован как на базе встроенного в привод сервоконтроллера, так и внешнего.

Контур положения используется для точного позиционирования (например, осей подач в станках с ЧПУ). Если в кинематических связях между исполнительным органом (координатным столом) и валом двигателя нет люфтов, то координата косвенно пересчитывается по значению кругового датчика. Если люфты есть, то на исполнительный орган устанавливается дополнительный датчик положения (который подключается к сервоконтроллеру) для прямого измерения координаты. Те есть, в зависимости от конфигурации контуров скорости и положения подбирается соответствующий сервоконтроллер и сервопривод (не в любом сервоконтроллере можно реализовать контур положения!).




Как выбрать сервопривод

Основные функции сервосистем

  • Позиционирование (Positioning)
  • Интерполяция (Interpolation)
  • Синхронизация, электронный редуктор (Gear)
  • Точное поддержание скорости вращения (шпиндель станка)
  • Электронный кулачок (Cam)
  • Программируемый логический контроллер.

Компоненты сервосистемы

В общем случае сервосистема (Motion Control System) может состоять из следующих устройств:

  • Серводвигатель (Servo Motor) с круговым датчиком обратной связи по скорости (он же может выполнять функцию датчика положения ротора)
  • Серворедуктор (Servo Gear)
  • Датчик положения исполнительного механизма (например, линейный датчик координаты оси подач)
  • Сервопривод (Servo Drive)
  • Сервоконтроллер (Motion Controller)
  • Операторский интерфейс (HMI).

Варианты аппаратно-программной реализации сервосистемы

  • Сервосистема на базе ПЛК (PLC-based Motion Control)
    • Функциональный модуль управления перемещением добавляется в корзину расширения ПЛК
    • Автономный сервоконтроллер
  • Сервосистема на базе ПК (PC-based Motion Control)
    • Специальный софт Motion Control для планшетного ПК с пользовательским интерфейсом (HMI)
    • Programmable Automation controller (PAC) с функцией управления перемещением
  • Сервосистема на базе привода (Drive-based Motion Control)
    • Преобразователь частоты со встроенным сервоконтроллером
    • Опциональное программное обеспечение, которое загружается в привод и дополняет его функциями управления движением
    • Опциональные платы с функциями управления движением, которые встраиваются в привод.

Типы серводвигателей

  • Синхронные

    Компактные бесщёточные серводвигатели с возбуждением от постоянных магнитов (вентильные), обеспечивающие высокую динамику и точность.

  • Асинхронные

    Приводы главного движения и шпинделей инструментальных станков.

  • Прямой привод (Direct Drive)
  • Прямой привод не содержит промежуточных передаточных механизмов (шарико-винтовых пар, ремней, редукторов):

    • Линейные двигатели (Linear Motors) могут поставляться вместе с профильными рельсовыми направляющими
    • Моментные двигатели (Torque Motors) - синхронные многополюсные машины с возбуждением от постоянных магнитов, с жидкостным охлаждением, ротор с полым валом. Обеспечивают высокую точность и мощность на низких оборотах.

Преимущества серводвигателей

  • Высокое быстродействие, динамика и точность позиционирования
  • Высокомоментные
  • Малоинерционные
  • Большая перегрузочная способность по моменту
  • Широкий диапазон регулирования
  • Бесщёточные.

Преимущества линейных приводов

Отсутствие кинематических цепей для преобразования вращательного движения в линейное:

  • Меньше инерционность
  • Нет зазоров
  • Меньше температурные и упругие деформации
  • Меньше износ и снижение точности при эксплуатации
  • Меньше потери на трение – выше КПД.

Точность

Микронная точность требуется в металлообрабатывающих станках с ЧПУ, а в штабелёрах достаточно и сантиметра. От точности зависит выбор серводвигателя и сервопривода.

  • Точность позиционирования
  • Точность поддержания скорости
  • Точность поддержания момента.