Як вы кіруеце серводвигателем пераменнага току?

Асноўныя прынцыпы стсерводвигатель пераменнага токукантроль

Склад і механізм працы сервасістэм пераменнага току

Сервасістэма пераменнага току - гэта замкнёная сістэма кіравання рухам, якая складаецца галоўным чынам з серводвигателя пераменнага току, сервопривода (узмацняльніка), прылады зваротнай сувязі і кантролера руху або ПЛК. Сервапрывад атрымлівае маламагутныя камандныя сігналы і пераўтворыць іх у трохфазныя напружання ШІМ (шыротна-імпульснай мадуляцыі) для кіравання рухавіком. Звычайная частата пераключэння прывада знаходзіцца ў дыяпазоне ад 10 кГц да 20 кГц, што дазваляе дакладна кіраваць токам з мінімальнай пульсацыяй крутоўнага моманту. Ротар рухавіка, абсталяваны энкодэрам або рэзолверам, вяртае зваротную сувязь па становішчы і хуткасці да прывада, каб унутраны контур кіравання мог рэгуляваць крутоўны момант, хуткасць і становішча ў рэжыме рэальнага часу, звычайна з цыклам кіравання ад 62,5 мкс да 250 мкс.

Узаемасувязь крутоўнага моманту, хуткасці і становішча

У серварухавіку пераменнага току крутоўны момант амаль прапарцыянальны току ў намінальным дыяпазоне: T ≈ Kt × I, дзе Kt ​​— канстанта крутоўнага моманту (напрыклад, 0,7 Н·м/А), а I — фазны ток. Хуткасць вызначаецца частатой прыкладзенага напружання і колькасцю пар полюсаў. Напрыклад, з 4-полюсным рухавіком і намінальнай хуткасцю 3000 абаротаў у хвіліну электрычная частата пры намінальнай хуткасці складае 100 Гц. Становішча - гэта інтэграл хуткасці ў часе. Такім чынам, дакладнае кіраванне абапіраецца на дакладны кантроль току (для крутоўнага моманту) і дакладнае рэгуляванне хуткасці і становішча ў залежнасці ад часу. Гэтыя шматслойныя адносіны з'яўляюцца прычынай таго, што сервапрывады звычайна рэалізуюць тры ўкладзеныя цыклы: ток (крутоўны момант), хуткасць і становішча.

Ключавыя кампаненты сервосистемы пераменнага току

Структура і параметры серводвигателя пераменнага току

Сам серварухавік пераменнага току ўяўляе сабой сінхронны рухавік з пастаяннымі магнітамі (PMSM), аптымізаваны для дынамічных характарыстык. Асноўныя параметры ўключаюць намінальную магутнасць (звычайна ад 0,1 кВт да 7,5 кВт у многіх прамысловых восях), намінальны крутоўны момант, пікавы крутоўны момант (часта ў 2,5–3,0 раза перавышае намінальны), намінальную хуткасць (1500–3000 абаротаў у хвіліну) і максімальную хуткасць (звычайна 4500–6000 абаротаў у хвіліну). Інэрцыя ротара, выражаная ў кг·м², павінна адпавядаць каэфіцыенту інэрцыі нагрузкі; стаўленне інэрцыі прывада да нагрузкі ад 1:1 да 1:5 часта рэкамендуецца для стабільнага кіравання высокім узмацненнем. Абмоткі статара распрацаваны для эфектыўнага вектарнага кіравання, падтрымліваючы арыентаванае на поле рэгуляванне току.

Функцыі і інтэрфейсы сервапрывада

Сервапрывад з'яўляецца ядром кіравання. Ён уключае каскад выпрамніка, шыну пастаяннага току (звычайна 300–600 В пастаяннага току для ўваходу 220–400 В пераменнага току) і каскад інвертара з модулямі IGBT або MOSFET. Функцыянальныя блокі ўключаюць кантроль току, кантролеры хуткасці і пазіцыі, інтэрфейс кадавальніка, лічбавы і аналагавы ўвод-вывад, парты сувязі fieldbus і схемы бяспекі (напрыклад, бяспечнае адключэнне крутоўнага моманту). Інтэрфейсы могуць уключаць у сябе ўваходы імпульсаў/напрамкаў, аналагавыя +/-10 В для каманд хуткасці або крутоўнага моманту і прамысловыя шыны, такія як EtherCAT, PROFINET або CANopen. У аптовых і фабрычных праектах аўтаматызацыі выбар пратаколу сувязі прывада павінен адпавядаць існуючаму ПЛК або платформе кантролера руху, таму каардынацыя пастаўшчыкоў мае вырашальнае значэнне.

Рэжымы кіравання: становішча, хуткасць і крутоўны момант

Характарыстыкі рэжыму кіравання становішчам

Рэжым кіравання пазіцыяй выкарыстоўваецца, калі галоўнай задачай з'яўляецца дакладнае пазіцыянаванне, напрыклад, у восях з ЧПУ або робатах-падборшчыках. Кантролер звычайна пасылае камандныя імпульсы, дзе адзін імпульс роўны аднаму падліку кодэра або вызначанаму электроннаму перадаткаваму каэфіцыенту. Напрыклад, з 20-бітным кодэрам (1 048 576 адлікаў на абарот) і электронным механізмам з 1000 імпульсаў на абарот 1 імпульс адпавядае 0,36 градусам кручэння вала. Серварапрывад замыкае цыкл пазіцыі, мінімізуючы памылку пазіцыі паміж зададзеным і фактычным становішчам. Тыповая дакладнасць пазіцыянавання можа дасягаць ±1 лічыльніка кодэра, што адпавядае вуглавой дакладнасці лепш за 0,0004 абароту.

Прыкладання для кантролю хуткасці і крутоўнага моманту

Рэжым кантролю хуткасці рэгулюе хуткасць рухавіка пасля аналагавай або лічбавай каманды. Гэта часта сустракаецца пры намотванні, транспарціроўцы або перапампоўванні, дзе пастаянная хуткасць мае вырашальнае значэнне. Шырыня прапускной здольнасці контуру хуткасці 80–200 Гц дазваляе хутка рэагаваць на змены нагрузкі, утрымліваючы хуткасць у межах ±0,1% нават пры крокавых зменах нагрузкі на 20–30%. Рэжым кіравання крутоўным момантам рэгулюе выхадны крутоўны момант на аснове зваротнай сувязі па току і з'яўляецца перавагай для кантролю нацяжэння, прэсавання і зацягвання. Зададзены крутоўны момант звычайна можна рэгуляваць ад 0% да 150% ад намінальнага крутоўнага моманту з часам водгуку крутоўнага моманту ў дыяпазоне 1–5 мс. У многіх прывадах рэжымы становішча, хуткасці і крутоўнага моманту можна камбінаваць або дынамічна пераключаць, каб прыстасаваць складаныя профілі руху.

Прылады зваротнай сувязі і логіка кіравання з замкнёным контурам

Кадавальнікі, рэзолверы і дазвол зваротнай сувязі

Прылады зваротнай сувязі даюць важную інфармацыю для кіравання па замкнёным контуры. Інкрэментальныя энкодэры выводзяць імпульсы A/B/Z, у той час як абсалютныя энкодэры даюць шматабаротную інфармацыю аб становішчы без неабходнасці навядзення. Сучасныя абсалютныя кадавальнікі часта маюць 17–23 біты раздзялення, што складае ад 131 072 да больш чым 8 мільёнаў адлікаў на абарот. Рэзальверы забяспечваюць выдатную ўстойлівасць да тэмпературы і вібрацыі, але маюць больш нізкае эфектыўнае раздзяленне і патрабуюць спецыяльнага пераўтварэння рэзолвера ў лічбавы ў прывадзе. Выбар зваротнай сувязі - гэта баланс паміж дакладнасцю, экалагічнай устойлівасцю і коштам, што становіцца важным у буйных аптовых праектах, якія ўключаюць сотні сервавосяў, дзе стандартызацыя кампанентаў скарачае запасы.

Укладзеныя цыклы кіравання і час цыклаў кіравання

Серварапрывад звычайна працуе з трыма ўкладзенымі контурамі рэгулятара. Самая ўнутраная пятля току кампенсуе фазныя токі з вельмі кароткім часам цыклу, часта 10–50 мкс, выкарыстоўваючы арыентаванае на поле кіраванне (FOC) для незалежнага рэгулявання токаў па восі d‑ і q. Петля хуткасці, якая працуе з частатой 0,5–2 кГц, стварае бягучыя каманды на аснове памылкі хуткасці, у той час як пятля пазіцыі, якая працуе з частатой 0,5–1 кГц, стварае каманды хуткасці на аснове памылкі пазіцыі. Стабільнасць і прадукцыйнасць залежаць ад адпаведных каэфіцыентаў узмацнення контуру і фазавых запасаў; агульная задача праектавання - фазавы запас 30–60 градусаў і запас узмацнення вышэй за 6 дБ. Гэтыя лікавыя мэты гарантуюць, што сістэма хутка рэагуе, падтрымліваючы нізкае перанастройванне і пазбягаючы працяглых ваганняў.

Ўстаноўка і настройка параметраў сервопривода

Даныя рухавіка, ліміты і параметры абароны

Перад тым, як вось сервопривода зможа бяспечна працаваць, неабходна ўсталяваць ключавыя параметры рухавіка і прывада. Яны ўключаюць у сябе намінальны ток рухавіка, намінальную хуткасць, пары полюсаў, раздзяляльнасць энкодэра і даныя аб інэрцыі. Абмежаванні крутоўнага моманту звычайна ўсталёўваюцца ў межах ад 120% да 200% ад намінальнага крутоўнага моманту, пры гэтым абмежаванні току адпавядаюць гэтым значэнням, каб прадухіліць размагнічванне або перагрэў. Абмежаванні хуткасці павінны адпавядаць механічным паказчыкам; для рухавіка з намінальнай хуткасцю 3000 абаротаў у хвіліну з максімальнай хуткасцю 5000 абаротаў у хвіліну бяспечны мяжа 4500 абаротаў у хвіліну забяспечвае маржу. Парогі перанапружання, паніжанага напружання, перагрэву і перавышэння хуткасці павінны быць настроены для прадухілення пашкоджанняў, асабліва на фабрычных лініях, дзе часта адбываюцца нечаканыя аварыйныя прыпынкі і ваганні магутнасці.

Базавая ўстаноўка ўзмацнення і мэты рэагавання

Першапачатковая параметрізацыя звычайна пачынаецца з аўтанастройкі, калі прывад падае тэставыя сігналы для вызначэння інэрцыі нагрузкі і трэння, а затым разлічвае рэкамендаваныя каэфіцыенты ўзмацнення кіравання. Для многіх восяў дастаткова паласы прапускання контуру пазіцыі 20–60 Гц, а паласы паласы контуру хуткасці каля 100–200 Гц. Гэтыя значэнні забяспечваюць час усталёўкі пазіцыянавання 50–150 мс з перавышэннямі ніжэй за 10%. Для высокадакладных прыкладанняў, такіх як паўправадніковая апаратура, прапускная здольнасць можа быць пашырана, але за кошт меншай устойлівасці да механічнага рэзанансу і зрушэння. Надзейны пастаўшчык не толькі прадаставіць кіраўніцтва па прывадам, але і рэкамендацыі па наладзе і ўзоры набораў параметраў, якія асабліва каштоўныя падчас уводу ў эксплуатацыю некалькіх восяў у вялікай сістэме.

ПІД-кантроль і метады налады ўзмацнення

Структура сервоприводных ПІД-рэгулятараў

Асноўныя контуры кіравання ў сервапрывадзе звычайна рэалізаваны ў выглядзе ПІД- або ПІ-кантролераў. Токавы контур звычайна з'яўляецца PI (прапарцыйна-інтэгральным), каб гарантаваць нулявую памылку ўстойлівага стану, у той час як контуры хуткасці і палажэння могуць уключаць вытворныя члены або фільтры. У цыкле хуткасці прапарцыйнае ўзмацненне вызначае, наколькі агрэсіўна выпраўляецца памылка хуткасці, інтэгральны член ліквідуе доўгатэрміновую памылку, а любое вытворнае дзеянне дапамагае аслабіць раптоўныя змены. Тыповыя прапарцыйныя каэфіцыенты карэкціруюцца для дасягнення перавышэння прыкладна на 5–15 % па крокавай камандзе, у той час як інтэгральныя канстанты часу ўсталёўваюцца так, што памылка ўстойлівага стану апускаецца ніжэй за 1 % на працягу некалькіх сотняў мілісекунд.

Практычныя этапы наладкі і лікавыя праверкі

Практычная працэдура налады пачынаецца з нізкіх узмацненняў. Па-першае, токавы контур правяраецца шляхам праверкі таго, што зададзены крутоўны момант стварае плаўнае паскарэнне без ваганняў. Затым каэфіцыент хуткасці павялічваецца да таго часу, пакуль крок хуткасці 0–100% (напрыклад, ад 0 да 1500 абаротаў у хвіліну) не дасць часу нарастання каля 50–100 мс з мінімальным перавышэннем. Нарэшце, каэфіцыент узмацнення контуру пазіцыі павялічваецца падчас маніторынгу перамяшчэння "кропка-кропка", напрыклад, павароту на 360 градусаў або лінейнага перамяшчэння на 100 мм, і праверкі таго, што час усталёўкі застаецца меншым за неабходнае мэтавае значэнне, напрыклад 100 мс, з памылкай размяшчэння менш за 0,01 мм або 0,01 градуса. Калі назіраецца механічны рэзананс, могуць быць ужытыя рэжэктарныя фільтры з цэнтрам на вымераных рэзанансных частотах (часта паміж 100–1000 Гц) з прапускной здольнасцю 10–20% ад рэзананснай частоты.

Кіраванне рухам з дапамогай ПЛК або кантролера руху

Камандныя інтэрфейсы і пратаколы сувязі

Каманды руху паходзяць з ПЛК, кантролера руху або прамысловага ПК. Састарэлыя сістэмы часта выкарыстоўваюць выхады імпульсаў/кірункаў для кіравання пазіцыяй з частатой імпульсаў да 500 кГц, што забяспечвае высокую раздзяляльнасць нават пры ўмеранай электроннай перадачы. Сучасныя сістэмы ўсё больш залежаць ад лічбавых палявых шын, такіх як EtherCAT, якія могуць сінхранізаваць некалькі восяў з працягласцю цыкла 250 мкс або менш. Гэта дазваляе каардынаваць профілі руху, напрыклад, электронныя кулачкі і інтэрпаляцыю па некалькіх сервовосях. Выбар сумяшчальнага пратаколу вельмі важны падчас аптовых закупак дыскаў і кантролераў, таму што несупадзенне стандартаў сувязі можа значна павялічыць кошт інтэграцыі на заводскім узроўні.

Профілі пазіцыянавання і планаванне руху

Кантролер вызначае профілі руху з пункту гледжання паскарэння, пастаяннай хуткасці і запаволення. Просты трапецападобны профіль хуткасці можа вызначаць паскарэнне 500 мм/с², максімальную хуткасць 300 мм/с і запаволенне 500 мм/с² для 200 мм ходу. Больш дасканалыя профілі S-крывой абмяжоўваюць рыўкі (хуткасць змены паскарэння), што памяншае вібрацыю, асабліва пры нагрузках з высокай інэрцыяй. Цыклы пазіцыянавання павінны ўлічваць як крутоўны момант рухавіка, так і механічную трываласць; калі паскарэнне перавышае тое, што рухавік можа дасягнуць пры сваім намінальным круцячым моманце, трэба альбо павялічыць час у шляху, альбо выкарыстоўваць рухавік з большым крутоўным момантам. Лікавае мадэляванне цыклаў пазіцыянавання дапамагае выбраць адпаведныя памеры сервопривода перад устаноўкай.

Дакладнасць пазіцыянавання, час водгуку і стабільнасць

Фактары, якія ўплываюць на дакладнасць і паўтаральнасць

Дакладнасць пазіцыянавання не вызначаецца адным энкодэрам. У той час як кадавальнік можа мець тэарэтычную раздзяляльнасць 1 000 000 адлікаў на абарот, рэальная дакладнасць залежыць ад механічнага люфта, калянасці вала, цвёрдасці злучэння і цеплавога пашырэння. Для шарыка-вінтавой сістэмы з 5-міліметровым адводам і 20-бітным энкодэрам адзін адлік адпавядае прыкладна 4,77 нм, што значна ніжэй практычнай механічнай дакладнасці. На практыцы агульная дакладнасць пазіцыянавання ±0,01–0,02 мм і паўтаральнасць у межах ±0,005 мм з'яўляюцца рэалістычнымі мэтавымі паказчыкамі для добра спраектаваных прамысловых восяў. Працэдуры каліброўкі, такія як кампенсацыйныя табліцы, могуць выправіць сістэматычныя памылкі пазіцыянавання, выкліканыя варыяцыямі кроку шруб і допускаў на мантаж.

Дынамічны водгук і кантроль вібрацыі

Дынамічныя характарыстыкі звычайна характарызуюцца крокавай характарыстыкай, частотнай характарыстыкай і памылкай прытрымлівання ў профілях руху. Добра наладжаная вось можа адсочваць каманду сінусоіднага становішча з частатой 5–10 Гц з наступнай памылкай ніжэй за 1% амплітуды. Каб дасягнуць гэтага, частоты механічнага рэзанансу павінны быць як мінімум у 3–5 разоў вышэй, чым неабходная паласа прапускання. Структурнае ўзмацненне, больш кароткія навісі і больш жорсткія муфты - усё гэта спрыяе больш высокім рэзанансным частотам. У прывадзе для падаўлення рэзанансных пікаў пры захаванні прапускной здольнасці кіравання выкарыстоўваюцца режекторные фільтры і фільтры нізкіх частот. Пры рэалізацыі высокахуткасных цыклаў у завадскіх умовах вымярэнне вібрацыі з дапамогай простых акселерометраў і рэгуляванне частот фільтра з крокам 10–20 Гц можа значна палепшыць стабільнасць.

Тыповыя няспраўнасці, сігналы трывогі і ідэі па іх ліквідацыі

Тыповыя тыпы сігналізацыі і асноўныя прычыны

Стандартныя сігналы трывогі сервапрывада ўключаюць перагрузку па току, перанапружанне, паніжанае напружанне, памылкі кадавальніка, перавышэнне хуткасці і памылку сачэння. Сігналы перагрузкі па току ўзнікаюць, калі імгненны ток перавышае, напрыклад, 300% намінальнага току, часта з-за механічнага закліноўвання або рэзкіх ударных нагрузак. Перанапружанне звычайна з'яўляецца, калі энергія рэгенератыўнага тармажэння павышае шыну пастаяннага току вышэй парогавага значэння, звычайна каля 410 В пастаяннага току для сістэм 220 В пераменнага току або 820 В пастаяннага току для сістэм 400 В пераменнага току. Наступныя сігналы аб памылцы ўзнікаюць, калі адхіленне пазіцыі перавышае зададзенае парогавае значэнне, напрыклад, 1000 адлікаў кодэра, і можа быць выклікана недастатковым крутоўным момантам, занадта агрэсіўным паскарэннем або няправільна настроеным узмацненнем кіравання. Эфектыўныя заводы вядуць журналы гісторыі трывог, каб выяўляць паўтаральныя заканамернасці на вытворчых лініях.

Пакрокавыя метады дыягностыкі і карэкцыі

Ліквідацыю непаладак пачынаецца з ізаляцыі, ці з'яўляецца праблема электрычнай, механічнай ці звязанай з параметрамі. Вымеранае супраціўленне фазы рухавіка павінна адпавядаць значэнням, пазначаным на таблічцы, у межах некалькіх працэнтаў; вялікія адхіленні паказваюць на пашкоджанне абмоткі. Механічна сякеры павінны свабодна рухацца ўручную або на нізкай хуткасці без старонняга шуму. Праверкі параметраў ўключаюць праверку таго, што раздзяляльнасць кадавальніка, электронная перадача, канстанты рухавіка і ліміты адпавядаюць фактычнаму апаратнаму забеспячэнню. Інструменты асцылографа або трасіроўкі прывада могуць запісваць памылку току, хуткасці і становішча падчас збояў. Напрыклад, калі хібнасць становішча паступова нарастае пры пастаяннай нагрузцы, абмежаванні крутоўнага моманту або магутнасць току могуць быць недастатковымі; калі ваганні з'яўляюцца з фіксаванай частатой, патрабуецца рэгуляванне рэзанансу і фільтра. Тэхнічна здольны пастаўшчык часта забяспечвае дыстанцыйную дыягнастычную падтрымку і агляд параметраў, што асабліва каштоўна ў буйных праектах аўтаматызацыі.

Практыкі ўстаноўкі, праводкі і штодзённага абслугоўвання

Стандарты электраправодкі і меркаванні па ЭМС

Правільнае падключэнне з'яўляецца фундаментальным для стабільнага кіравання сервоприводом. Сілавыя кабелі і кабелі энкодэра або сувязі павінны быць пракладзены асобна з мінімальным інтэрвалам 100–150 мм, а экранаваныя кабелі павінны быць зазямлены на адным канцы або ў адпаведнасці з рэкамендацыямі прывада для зніжэння шуму. Злучэнні ахоўнага зазямлення павінны мець нізкі імпеданс, з супрацівам зазямлення звычайна ніжэй за 10 Ом у прамысловых устаноўках. Для доўгіх кабеляў даўжынёй больш за 30–50 м падзенне напружання і адчувальнасць да шуму павялічваюцца, таму могуць спатрэбіцца большыя папярочныя перасекі праваднікоў і ферытавыя стрыжні. У аптовых заказах на фабрычныя камплекты праводкі стандартызаваныя наборы кабеляў з папярэдне замацаванымі раздымамі значна скарачаюць памылкі ўстаноўкі і час уводу ў эксплуатацыю.

Механічны мантаж і перыядычныя праверкі

З механічнага боку варта ўважліва праверыць кааксіяльнае выраўноўванне вала рухавіка і нагрузкі. Зрушэнне больш чым на 0,05 мм па радыяльным або вуглавым нахіле на 0,2 градуса можа выклікаць дадатковыя нагрузкі на падшыпнік, павялічваючы вібрацыю і памяншаючы тэрмін службы. Гнуткія муфты могуць кампенсаваць невялікія перакосы, але іх трэба выбіраць з улікам крутоўнага моманту і моманту інэрцыі. Перыядычнае тэхнічнае абслугоўванне прадугледжвае ачыстку астуджальных паверхняў, праверку аслабленых нітаў, праверку абалонкі кабеля на прадмет зносу і прагляд гісторыі сігналаў трывогі. Цеплавыя вымярэнні павінны пацвердзіць, што тэмпература паверхні рухавіка застаецца ў намінальных межах, звычайна ніжэй за 80–90°C пры бесперапыннай працы. Гэтыя практыкі падаўжаюць тэрмін службы абсталявання і зводзяць да мінімуму незапланаваныя прастоі на прадпрыемствах з бесперапыннай працай.

Maxtech прапануе рашэнні

Maxtech факусуюць на поўных рашэннях сістэмы сервопривода пераменнага току для прамысловых карыстальнікаў, ад выбару кампанентаў да падтрымкі ўводу ў эксплуатацыю. Грунтуючыся на патрабаваннях да крутоўнага моманту, хуткасці, інэрцыі і пазіцыянавання, інжынеры Maxtech рэкамендуюць адпаведныя рухавікі, прывады і прылады зваротнай сувязі, уключаючы інтэграцыю з ПЛК або кантролеры руху з выкарыстаннем адпаведных сетак fieldbus. Для аптовых і фабрычных праектаў, якія ўключаюць шмат восяў, Maxtech стандартызуе мадэлі і аксэсуары, каб паменшыць запасы і спрасціць абслугоўванне. Шаблоны параметраў, паслугі па наладзе і дыягнастычныя рэкамендацыі прадастаўляюцца так, што кожная сервоось дасягае стабільнай працы з аптымальнай прапускной здольнасцю і мінімальнай вібрацыяй. Дзякуючы сістэматычнаму планаванню і бесперапыннай тэхнічнай падтрымцы Maxtech дапамагае кліентам дасягнуць больш высокай прадукцыйнасці і стабільнай працы на сваіх вытворчых лініях.