Com es controla un servomotor de CA?

Principis bàsics deservomotor de corrent alterncontrol

Composició i mecanisme de funcionament dels servosistemes de CA

Un servosistema de CA és un sistema de control de moviment de bucle tancat format principalment per un servomotor de CA, un servoaccionament (amplificador), un dispositiu de retroalimentació i un controlador de moviment o PLC. El servomotor rep senyals de comandament de baixa potència i els converteix en voltatges trifàsics PWM (modulació d'amplada de pols) per impulsar el motor. Les freqüències típiques de commutació de la unitat oscil·len entre 10 kHz i 20 kHz, la qual cosa permet un control de corrent fi amb una ondulació mínima del parell. El rotor del motor, equipat amb un codificador o resolutor, retorna la retroalimentació de posició i velocitat al variador de manera que el bucle de control intern pugui regular el parell, la velocitat i la posició en temps real, normalment amb un cicle de control de 62,5 μs a 250 μs.

Relacions de parell, velocitat i posició

En un servomotor de CA, el parell és gairebé proporcional al corrent dins del rang nominal: T ≈ Kt × I, on Kt és la constant de parell (per exemple, 0,7 N·m/A) i I és el corrent de fase. La velocitat ve determinada per la freqüència de la tensió aplicada i el nombre de parells de pols. Per exemple, amb un motor de 4 pols i una velocitat nominal de 3.000 rpm, la freqüència elèctrica a la velocitat nominal és de 100 Hz. La posició és la integral de la velocitat al llarg del temps. Per tant, el control precís es basa en un control precís del corrent (per al parell) i una regulació precisa de la velocitat i la posició basada en el temps. Aquesta relació en capes és la raó per la qual els servoaccionaments solen implementar tres bucles imbricats: corrent (parell), velocitat i posició.

Components clau en un servosistema de CA

Estructura i paràmetres del servomotor de CA

El propi servomotor de CA és un motor síncron d'imant permanent (PMSM) optimitzat per a un rendiment dinàmic. Els paràmetres clau inclouen la potència nominal (normalment de 0,1 kW a 7,5 kW en molts eixos industrials), el parell nominal, el parell màxim (sovint 2,5-3,0 vegades el valor nominal), la velocitat nominal (1.500-3.000 rpm) i la velocitat màxima (normalment 4.500-6.000 rpm). La inèrcia del rotor, expressada en kg·m², s'ha de fer coincidir amb la relació d'inèrcia de càrrega; Sovint es recomana una relació d'inèrcia entre 1:1 i 1:5 per a un control estable d'alt guany. Els bobinatges de l'estator estan dissenyats per a un control vectorial eficient, donant suport a la regulació de corrent orientada al camp.

Funcions i interfícies de servoaccionament

El servoaccionament és el nucli del control. Inclou una etapa rectificadora, un bus de CC (normalment 300–600 VCC per a una entrada de 220–400 VCA) i una etapa inversora amb mòduls IGBT o MOSFET. Els blocs funcionals inclouen control de corrent, controladors de velocitat i posició, interfície de codificador, E/S digital i analògica, ports de comunicació de bus de camp i circuits de seguretat (com ara Safe Torque Off). Les interfícies poden incloure entrades de pols/direcció, +/-10 V analògics per a ordres de velocitat o parell, i busos industrials com EtherCAT, PROFINET o CANopen. En els projectes d'automatització a l'engròs i de fàbrica, la selecció del protocol de comunicació de la unitat s'ha d'alinear amb el PLC o la plataforma de controlador de moviment existent, de manera que la coordinació dels proveïdors és fonamental.

Modes de control: posició, velocitat i parell

Característiques del mode de control de posició

El mode de control de posició s'utilitza quan l'objectiu principal és el posicionament precís, com ara en els eixos CNC o en els robots pick-and-place. El controlador sol enviar polsos d'ordre, on un pols és igual a un recompte de codificadors o una relació d'engranatges electrònica definida. Per exemple, amb un codificador de 20 bits (1.048.576 recomptes per revolució) i un engranatge electrònic de 1.000 polsos per revolució, 1 pols correspon a 0,36 graus de rotació de l'eix. El servoaccionament tanca el bucle de posició, minimitzant l'error de posició entre la posició comandada i la real. La precisió de posicionament típica pot arribar a ± 1 recompte de codificadors, que correspon a una precisió angular millor que 0,0004 revolucions.

Aplicacions de control de parell i velocitat

El mode de control de velocitat regula la velocitat del motor seguint una comanda analògica o digital. És comú en bobinar, transportar o bombejar on la velocitat constant és crítica. Les amplades de banda del bucle de velocitat de 80 a 200 Hz permeten una resposta ràpida a les variacions de càrrega, mantenint la velocitat dins del ±0,1% fins i tot amb canvis de pas de càrrega del 20 al 30%. El mode de control de parell regula el parell de sortida en funció de la retroalimentació actual i es veu afavorit en les operacions de control de tensió, premsat i tensió. El parell establert normalment es pot ajustar del 0% al 150% del parell nominal, amb temps de resposta del parell en el rang d'1 a 5 ms. En moltes unitats, els modes de posició, velocitat i parell es poden combinar o canviar dinàmicament per adaptar-se a perfils de moviment complexos.

Dispositius de retroalimentació i lògica de control de llaç tancat

Codificadors, resolutors i resolució de retroalimentació

Els dispositius de retroalimentació proporcionen la informació essencial per al control de llaç tancat. Els codificadors incrementals emeten polsos A/B/Z, mentre que els codificadors absoluts proporcionen informació de la posició de diverses voltes sense necessitat d'homing. Els codificadors absoluts moderns solen tenir entre 17 i 23 bits de resolució, que equivalen a 131.072 a més de 8 milions de recomptes per revolució. Els resolutors ofereixen una excel·lent robustesa contra la temperatura i la vibració, però tenen una resolució efectiva més baixa i requereixen una conversió dedicada de resolutor a digital a la unitat. L'elecció de la retroalimentació és un equilibri entre precisió, robustesa ambiental i cost, que esdevé important en grans projectes a l'engròs que impliquen centenars d'eixos servo on l'estandardització dels components redueix l'inventari.

Bucles de control imbricats i temps de cicle de control

El servoaccionament sol executar tres bucles reguladors imbricats. El bucle de corrent més interior compensa els corrents de fase amb un temps de cicle molt ràpid, sovint de 10 a 50 μs, utilitzant un control orientat al camp (FOC) per regular de manera independent els corrents dels eixos d i q. El bucle de velocitat, que funciona a 0,5–2 kHz, genera ordres actuals basades en l'error de velocitat, mentre que el bucle de posició, que funciona a 0,5–1 kHz, genera ordres de velocitat a partir d'un error de posició. L'estabilitat i el rendiment depenen dels guanys de bucle i dels marges de fase adequats; un objectiu de disseny comú és un marge de fase de 30-60 graus i un marge de guany superior a 6 dB. Aquests objectius numèrics asseguren que el sistema respongui ràpidament mantenint un rebasament baix i evitant oscil·lacions sostingudes.

Configuració i ajustament dels paràmetres del servoaccionament

Dades del motor, límits i configuració de protecció

Abans que el servoeix pugui funcionar amb seguretat, s'han d'establir els paràmetres clau del motor i de la unitat. Aquests inclouen el corrent nominal del motor, la velocitat nominal, els parells de pols, la resolució del codificador i les dades d'inèrcia. Els límits de parell s'estableixen normalment entre el 120% i el 200% del parell nominal, amb els límits actuals que coincideixen amb aquests valors per evitar la desmagnetització o el sobreescalfament. Els límits de velocitat han de respectar les qualificacions mecàniques; per a un motor de 3.000 rpm amb una velocitat màxima de 5.000 rpm, un límit segur de 4.500 rpm proporciona marge. Els llindars de sobretensió, subtensió, sobretemperatura i sobrevelocitat s'han de configurar per evitar danys, especialment a les línies de fàbrica on les parades d'emergència inesperades i les fluctuacions de potència són freqüents.

Configuració bàsica de guany i objectius de resposta

La parametrització inicial normalment comença amb l'ajust automàtic, on el variador injecta senyals de prova per identificar la inèrcia i la fricció de càrrega, i després calcula els guanys de control recomanats. Per a molts eixos, una amplada de banda de bucle de posició de 20–60 Hz és suficient, amb una amplada de banda de bucle de velocitat al voltant de 100–200 Hz. Aquests valors proporcionen un temps d'assentament de posicionament de 50 a 150 ms amb un rebasament inferior al 10%. Per a aplicacions d'alta precisió, com ara equips de semiconductors, l'amplada de banda es pot augmentar, però a costa d'una menor tolerància a la ressonància mecànica i la desalineació. Un proveïdor fiable no només proporcionarà manuals d'accionament, sinó també directrius d'ajustament i conjunts de paràmetres de mostra, que són especialment valuosos durant la posada en marxa de diversos eixos en un sistema gran.

Mètodes de control PID i d'ajust de guany

Estructura dels servocontroladors PID

Els llaços de control principals d'un servoaccionament s'implementen generalment com a controladors PID o PI. El bucle de corrent sol ser PI (integral proporcional) per garantir un error d'estat estacionari zero, mentre que els bucles de velocitat i posició poden incloure termes o filtres derivats. En el bucle de velocitat, el guany proporcional determina amb quina agressivitat es corregeix l'error de velocitat, el terme integral elimina l'error a llarg termini i qualsevol acció derivada ajuda a amortir els canvis sobtats. Els guanys proporcionals típics s'ajusten per aconseguir un rebasament d'un 5-15% en una comanda de pas, mentre que les constants de temps integrals s'estableixen de manera que l'error en estat estacionari caigui per sota de l'1% en pocs centenars de mil·lisegons.

Passos pràctics d'afinació i comprovacions numèriques

Un procediment d'ajustament pràctic comença amb guanys baixos. En primer lloc, el bucle de corrent es valida comprovant que el parell comandat produeix una acceleració suau sense oscil·lació. A continuació, s'augmenta el guany del bucle de velocitat fins que un pas de velocitat del 0 al 100% (per exemple, de 0 a 1.500 rpm) produeix un temps de pujada d'uns 50 a 100 ms amb un sobrepassament mínim. Finalment, el guany del bucle de posició s'incrementa mentre es controla un moviment punt a punt, per exemple, una rotació de 360 ​​graus o un moviment lineal de 100 mm, i es comprova que el temps d'assentament roman per sota de l'objectiu requerit, com ara 100 ms, amb un error de posició inferior a 0,01 mm o 0,01 graus. Si s'observa ressonància mecànica, es poden aplicar filtres de notch centrats a freqüències de ressonància mesurades (sovint entre 100 i 1.000 Hz), amb amplades de banda del 10 al 20% de la freqüència de ressonància.

Control de moviment mitjançant PLC o controlador de moviment

Interfícies de comandament i protocols de comunicació

Les ordres de moviment provenen d'un PLC, controlador de moviment o PC industrial. Els sistemes heretats sovint utilitzen sortides de pols/direcció per al control de posició, amb freqüències de pols de fins a 500 kHz que proporcionen una alta resolució fins i tot amb un engranatge electrònic moderat. Els sistemes moderns depenen cada cop més dels busos de camp digitals com EtherCAT, que poden sincronitzar diversos eixos amb temps de cicle de 250 μs o inferiors. Això permet perfils de moviment coordinats, com ara lleves electròniques i la interpolació a través de diversos eixos servo. L'elecció d'un protocol compatible és essencial durant l'adquisició a l'engròs de unitats i controladors, perquè els estàndards de comunicació no coincidents poden augmentar significativament el cost d'integració a nivell de fàbrica.

Perfils de posicionament i planificació del moviment

El controlador defineix perfils de moviment en termes d'acceleració, velocitat constant i desacceleració. Un perfil de velocitat trapezoïdal simple podria especificar una acceleració de 500 mm/s², una velocitat màxima de 300 mm/s i una desacceleració de 500 mm/s² per a un recorregut de 200 mm. Els perfils de corba S més avançats limiten el tir (taxa de canvi de l'acceleració), cosa que redueix les vibracions, especialment en càrregues d'alta inèrcia. Els cicles de posicionament han de respectar tant el parell motor com la resistència mecànica; si l'acceleració supera el que el motor pot aconseguir amb el seu parell nominal, s'ha d'augmentar el temps de viatge o s'ha d'utilitzar un motor de parell més alt. La simulació numèrica dels cicles de posicionament ajuda a seleccionar les mides de servo adequades abans de la instal·lació.

Precisió de posicionament, temps de resposta i estabilitat

Factors que afecten la precisió i la repetibilitat

La precisió de posicionament no la determina només el codificador. Tot i que un codificador pot tenir una resolució teòrica de 1.000.000 de recomptes per revolució, la precisió del món real depèn del joc mecànic, la rigidesa de l'eix, la rigidesa de l'acoblament i l'expansió tèrmica. Per a un sistema de cargol de boles amb un cable de 5 mm i un codificador de 20 bits, un recompte correspon a uns 4,77 nm, molt per sota de la precisió mecànica pràctica. A la pràctica, la precisió general de posicionament de ±0,01–0,02 mm i la repetibilitat dins de ±0,005 mm són objectius realistes per a eixos industrials ben dissenyats. Els procediments de calibratge, com ara les taules de compensació, poden corregir errors de posicionament sistemàtics causats per les variacions de pas del cargol i les toleràncies de muntatge.

Resposta dinàmica i control de vibracions

El rendiment dinàmic normalment es caracteritza per la resposta de pas, la resposta de freqüència i l'error de seguiment sota els perfils de moviment. Un eix ben ajustat pot seguir una ordre de posició sinusoïdal a 5-10 Hz amb un error de seguiment per sota de l'1% de l'amplitud. Per aconseguir-ho, les freqüències de ressonància mecànica han de ser almenys 3-5 vegades superiors a l'ample de banda requerit. El reforç estructural, els voladissos més curts i els acoblaments més rígids contribueixen a freqüències de ressonància més altes. A la unitat, els filtres de notch i els filtres de pas baix s'utilitzen per suprimir els pics de ressonància alhora que es conserven l'amplada de banda de control. Quan s'implementen cicles d'alta velocitat en un entorn de fàbrica, mesurar la vibració amb acceleròmetres senzills i ajustar les freqüències del filtre en increments de 10 a 20 Hz pot millorar dràsticament l'estabilitat.

Errors comuns, alarmes i idees de resolució de problemes

Tipus d'alarmes típics i causes arrels

Les alarmes estàndard del servomotor inclouen sobreintensitat, sobretensió, subtensió, errors del codificador, sobrevelocitat i error de seguiment. Les alarmes de sobreintensitat es produeixen quan el corrent instantani supera, per exemple, el 300% del corrent nominal, sovint a causa d'embussos mecànics o càrregues d'impacte bruscos. La sobretensió sol aparèixer quan l'energia de frenada regenerativa eleva el bus de CC per sobre del seu llindar, generalment al voltant de 410 VCC per als sistemes de 220 VAC o 820 VDC per als sistemes de 400 VAC. Les alarmes d'error següents sorgeixen quan la desviació de posició supera un llindar establert, com ara 1.000 recomptes de codificadors, i poden ser causades per un parell insuficient, una acceleració massa agressiva o uns guanys de control mal ajustats. Les fàbriques efectives mantenen registres de l'historial d'alarmes per detectar patrons repetits a les línies de producció.

Mètodes de diagnòstic i correcció pas a pas

La resolució de problemes comença per aïllar si el problema és elèctric, mecànic o relacionat amb paràmetres. La resistència de fase del motor mesurada hauria de coincidir amb els valors de la placa d'identificació en uns quants percentatges; grans desviacions indiquen danys al bobinatge. Mecànicament, els eixos s'han de moure lliurement amb la mà o a velocitat baixa sense sorolls anormals. Les comprovacions de paràmetres inclouen verificar que la resolució del codificador, l'engranatge electrònic, les constants del motor i els límits coincideixen amb el maquinari real. L'oscil·loscopi o les eines de traça de la unitat poden registrar errors de corrent, velocitat i posició durant les fallades. Per exemple, si l'error de posició augmenta gradualment sota càrrega constant, els límits de parell o la capacitat de corrent poden ser insuficients; si apareixen oscil·lacions a una freqüència fixa, calen ajustaments de ressonància i filtre. Un proveïdor tècnicament capaç sovint ofereix suport de diagnòstic remot i revisió de paràmetres, que és especialment valuós en grans projectes d'automatització.

Pràctiques d'instal·lació, cablejat i manteniment diari

Normes de cablejat elèctric i consideracions d'EMC

El cablejat correcte és fonamental per a un servocontrol estable. Els cables d'alimentació i els cables del codificador o de comunicació s'han d'encaminar per separat, amb una distància mínima de 100 a 150 mm, i els cables apantallats s'han de posar a terra en un extrem o segons les recomanacions de la unitat per reduir el soroll. Les connexions de terra de protecció han de ser de baixa impedància, amb una resistència de terra normalment inferior a 10 Ω a les instal·lacions industrials. Per a cables llargs per sobre de 30-50 m, la caiguda de tensió i la susceptibilitat al soroll augmenten, de manera que es poden requerir seccions transversals de conductor més grans i nuclis de ferrita. A les comandes a l'engròs de kits de cablejat de fàbrica, els jocs de cables estandarditzats amb connectors preterminats redueixen significativament els errors d'instal·lació i el temps de posada en marxa.

Instal·lació mecànica i inspeccions periòdiques

Pel costat mecànic, l'alineació coaxial entre l'eix del motor i la càrrega s'ha de comprovar acuradament. La desalineació superior a 0,05 mm radial o 0,2 graus angular pot introduir càrregues addicionals dels coixinets, augmentant la vibració i reduint la vida útil. Els acoblaments flexibles poden compensar petites desalineacions, però s'han de seleccionar en funció del parell i del moment d'inèrcia. El manteniment periòdic consisteix a netejar les superfícies de refrigeració, comprovar si hi ha cargols afluixats, inspeccionar les jaquetes dels cables per detectar-ne el desgast i revisar els historials d'alarmes. Les mesures tèrmiques haurien de confirmar que la temperatura de la superfície del motor es manté dins dels límits nominals, normalment per sota dels 80-90 °C per a un funcionament continu. Aquestes pràctiques augmenten la vida útil de l'equip i minimitzen els temps d'inactivitat no planificats a les fàbriques d'operació contínua.

Maxtech Proporciona solucions

Maxtech se centra en solucions completes de servosistema de CA per a usuaris industrials, des de la selecció de components fins al suport de posada en marxa. En funció dels requisits de parell, velocitat, inèrcia i posicionament, els enginyers de Maxtech recomanen motors, accionaments i dispositius de retroalimentació coincidents, inclosa la integració amb PLC o controladors de moviment mitjançant xarxes de bus de camp adequades. Per a projectes a l'engròs i de fàbrica que impliquen molts eixos, Maxtech estandarditza models i accessoris per reduir l'inventari i simplificar el manteniment. Es proporcionen plantilles de paràmetres, serveis de sintonització i orientació de diagnòstic perquè cada eix servo assoleixi un funcionament estable amb una amplada de banda òptima i una vibració mínima. Mitjançant una planificació sistemàtica i un suport tècnic continu, Maxtech ajuda els clients a aconseguir una major productivitat i un rendiment de moviment estable a les seves línies de producció.