Principy činnosti a typy servopohonů | Technický pohon

Charakteristickým rysem servopohonu je schopnost řízení prostřednictvím negativní zpětné vazby pomocí specifikovaných parametrů. Všechna zařízení tohoto typu lze rozdělit do dvou skupin – DC serva a třífázová AC serva.

Konstrukce stejnosměrného servopohonu

Typicky se stejnosměrné servopohony používají v polohovacích aplikacích s nízkým výkonem. Jejich klasickou oblastí použití je robotika.

Konstrukce moderních serv je poměrně jednoduchá, ale zároveň velmi efektivní, protože umožňuje co nejpřesnější řízení pohybu. Servopohon se skládá z:

• stejnosměrný motor
• převodovka
• výstupní hřídel
• potenciometr
• řídicí deska, na kterou je přiváděn řídicí signál

Motor a převodovka tvoří pohon. Převodovka slouží ke snížení otáček motoru, který musí být přizpůsoben pro praktické použití. Požadované zatížení je připevněno na výstupní hřídel převodovky. Může to být houpací křeslo, rotační hřídel, tažné nebo tlačné mechanismy.

Pro přeměnu úhlu natočení na elektrický signál je potřeba senzor. Jeho funkce ve stejnosměrném servopohonu úspěšně plní potenciometr. Vytváří analogový signál (obvykle 0 až 10 V) s rozlišením omezeným ADC (analogově-digitální převodník), který přijímá signál.

Nejdůležitější částí servopohonu je snad deska elektronického servozesilovače, která přijímá a analyzuje řídicí impulsy, koreluje je s daty potenciometru a má na starosti spouštění a vypínání motoru.

Princip činnosti

Princip činnosti přístrojů je založen na využití pulzního signálu, který má tři důležité charakteristiky – opakovací frekvenci, minimální a maximální dobu trvání. Je to doba trvání pulsu, která určuje úhel natočení motoru.

Pulzní signály přijímané servopohonem mají standardní frekvenci, ale jejich trvání se může v závislosti na modelu pohybovat od 0,8 do 2,2 ms. Paralelně s příchodem řídicího impulsu je aktivován chod generátoru referenčních impulsů, který je připojen k potenciometru. Ten je zase mechanicky spojen s výstupním hřídelem a odpovídá za korekci jeho polohy.

Elektronický obvod analyzuje impulsy s přihlédnutím k jejich trvání a na základě rozdílové hodnoty určí rozdíl mezi předpokládanou (nastavenou) polohou hřídele a skutečnou (měřenou potenciometrem). Poté se provede seřízení přivedením napětí na napájecí zdroj motoru.

Základní ustanovení zařízení

Pokud se doba trvání referenčního a řídicího impulsu shoduje, nastává tzv. nulový moment. V tuto chvíli servomotor nepracuje, hnací hřídel je v původní (nehybné) poloze.

Jak se doba trvání řídicího impulsu prodlužuje, deska zaznamená rozdíl v indikátorech, motor přijme napětí a začne se pohybovat. Převodovka zase začne ovlivňovat výstupní hřídel, která se otáčí tak, aby se dosáhlo prodloužení doby trvání referenčního impulsu. Jakmile se bude rovnat řídicímu impulsu, motor přestane pracovat.

Když se doba trvání řídicího impulsu zkrátí, stane se to samé, jen přesně naopak, protože se motor začne otáčet v opačném směru. Jakmile se pulsy vyrovnají, motor se zastaví.

AC servopohon

Střídavé servopohony využívají synchronní motor s výkonnými permanentními magnety. U takových motorů se rychlost rotoru shoduje s rychlostí magnetického pole indukovaného ve vinutí statoru.

Princip činnosti servopohonu na bázi třífázového synchronního elektromotoru je následující. Do vinutí statoru je přiváděno třífázové napětí, které v něm vytváří rotující magnetické pole. Toto pole interaguje s permanentními magnety umístěnými v rotoru. V důsledku toho se rotor otáčí frekvencí magnetického pole.

Na hřídeli rotoru je namontován kodér s vysokým rozlišením. Signál z něj je posílán samostatným kabelem do speciálního vstupu servozesilovače. Současně je na řídicí vstup servozesilovače přiveden řídicí signál. V důsledku porovnání těchto dvou signálů se izoluje signál nesouladu, jehož velikost je přímo úměrná rozdílu mezi cílovou a skutečnou rychlostí otáčení motoru. Na základě tohoto signálu je generováno třífázové napětí s parametry, které zajistí co nejrychlejší snížení nesouladu na nulu.

Režimy ovládání

Střídavý servopohon má tři hlavní provozní režimy.

Režim řízení polohy. Hlavní věcí v tomto režimu je kontrola nad úhlem natočení hřídele rotoru. Řízení se provádí posloupností impulsů, které mohou přicházet například z ovladače. Tento režim se používá pro přesné polohování různých součástí procesního zařízení.

Kombinace impulzů řízení polohy může předávat informace nejen o poloze, ale také o rychlosti a směru otáčení motoru. K tomu lze použít tři typy signálů: 1) kvadraturní pulsy (s fázovým posunem 90 stupňů), 2) střídavě působící pravotočivé nebo levotočivé pulsy a 3) rychlostní pulsy a směrový potenciál, přivedené na dva vstupy.

U všech servozesilovačů jsou řídicí vstupy zpravidla pojmenovány jako PULSE, SIGN.

Režim ovládání rychlosti. V tomto případě se řízení provádí analogovým signálem. Hodnoty rychlosti lze také přepnout na pevné hodnoty přivedením signálů na odpovídající digitální vstupy. V případě použití multipolárního analogového řídicího signálu je možné změnit směr otáčení servomotoru.

Režim řízení otáček je podobný provozu asynchronního motoru řízeného frekvenčním měničem. Nastavují se parametry jako časy zrychlení a zpomalení, maximální a minimální rychlost a další.

Režim řízení točivého momentu.

V tomto režimu se motor může otáčet nebo stát, ale točivý moment na hřídeli bude specifikován. Řízení lze provádět diskrétním nebo analogovým bipolárním signálem. Tento režim lze použít u strojů, kde je potřeba měnit upínací sílu, tlak atp.

Momentový moment motoru potřebný pro řízení se vyhodnocuje pomocí vestavěného proudového snímače.

Proces obnovy

K regeneraci dochází, když se směr (znaménko) zatěžovacího momentu mění v závislosti na momentu servomotoru. Pokud je obnovovací energie malá, hromadí se na kondenzátorech stejnosměrného meziobvodu a zvyšuje na nich napětí.

Pokud je rozdíl mezi absolutními hodnotami točivého momentu zátěže a servomotoru významný, může napětí na kondenzátorech DC sběrnice překročit prahovou úroveň. V tomto případě je regenerační energie odváděna do brzdového odporu.

Servopohon je mechanismus, který vám umožňuje instalovat a fixovat pracovní část zařízení v určených polohách a pohybovat ji v souladu s daným programem. Pohyb není jediným úkolem zařízení, umí udržovat požadovaný krouticí moment na hřídeli při nulové rychlosti otáčení hřídele. To se používá k udržení pohonu v jedné poloze pod zatížením.

Servopohony jsou instalovány na CNC strojích, zvedacích mechanismech a průmyslových robotech. Rozsah použití servopohonu není omezen na výrobu. Mechanismy se používají v domácích spotřebičích, topných a klimatizačních systémech a vozidlech.

Výstavba

Konstrukce servopohonů se může výrazně lišit v závislosti na aplikaci. Bez ohledu na oblast použití však zařízení obsahují následující součásti:

• Mechanismus přenosu.
• Elektrický motor
• Snímače polohy a rychlosti hřídele.
• Frekvenční měnič.
• Ovladač.

Převodový mechanismus se používá ke změně rychlosti a točivého momentu na hřídeli, je k němu přímo připojen pracovní nástroj nebo akční člen. V některých případech jsou převodové mechanismy levnější než bezpřevodové řízení.

Výkonovým prvkem pohonu je elektromotor. Rotační energie hřídele se přeměňuje na pohyb pohonů nebo nástrojů.

Snímače se používají k přenosu signálu o poloze hřídele nebo pohonu, jeho rychlosti otáčení a točivého momentu do řídicího obvodu.

Frekvenční měnič se používá ke změně rychlosti otáčení a točivého momentu na hřídeli motoru změnou frekvence proudu nebo napájecího napětí elektromotoru.

Regulátor je navržen tak, aby nastavoval provozní režimy pohonu, zpracovával signály ze zpětnovazebních senzorů a řídil polohu akčního členu. Tento prvek je často kombinován s frekvenčním měničem. Pro řízení servomotorů existují specializované měniče s integrovanými regulátory.

Princip činnosti serv

Zařízení funguje následovně. Regulátor je naprogramován pro konkrétní provozní režim a vysílá signál do frekvenčního měniče. Zařízení napájí elektromotor napětím o požadované frekvenci a velikosti. Pohonná jednotka pohybuje servomotorem danou rychlostí a kroutícím momentem odpovídajícím zatížení. Po dosažení zadané polohy pracovního tělesa je ze snímačů polohy vyslán odpovídající signál do ovladače, který zastaví motor.

Princip činnosti servopohonu je shodný s automatickým regulátorem se zápornou zpětnou vazbou. Je specifikován referenční signál, nazývaný nula, se kterým se porovnává signál ze snímače polohy. Pokud jsou jejich hodnoty stejné, servopohon se zastaví, pokud jsou odchylky v záporném nebo kladném směru, je na motor přivedeno napětí, dokud pracovní nástroj nebo akční člen nedosáhne požadované polohy.

Typy serv

Servopohony se rozlišují podle typu použitého motoru, převodového mechanismu, účelu a technických parametrů.

Jako napájecí jednotky v zařízeních se používají následující:

• DC motory.
• Asynchronní elektromotory.
• Synchronní motory se statorovým vinutím nebo permanentními magnety.

Doplněná klasifikace servomotorů je uvedena na obrázku:

Pro motory pro moderní servopohony platí následující požadavky:

• Vysoká přesnost zpracování řídicího signálu. Elektrické stroje musí mít nízkou setrvačnost a konstantní mechanické vlastnosti v celém rozsahu regulace otáček.
• Zajistěte nerovnoměrnou rychlost otáčení. Některá technologická zařízení jsou regulována podle nelineárních zákonů, motor musí zajistit jejich realizaci s minimálními chybami.
• Mít dostatečnou přetížitelnost. Motor by se neměl přehřívat nebo selhat, pokud je překročeno zatížení hřídele.
• Poskytují vysokou dynamiku. Rychlost odezvy servopohonu musí být dostatečná pro normální fungování zařízení.
• Řízené nejjednoduššími možnými algoritmy. Cena ovladače a softwaru je významnou součástí nákladů na servopohon. Zjednodušení ovládání bez obětování výkonu pomáhá snížit náklady na elektroniku.

První serva používaly stejnosměrné motory s analogovými tachogenerátory, tyristorovými nebo tranzistorovými měniči napětí. Široké použití takových elektrických strojů je spojeno s poměrně jednoduchým ovládáním. Rychlost otáčení přímo závisí na napětí přivedeném na kotvu, tuhost mechanických charakteristik je udržována v celém rozsahu úhlové frekvence rotoru.

Nevýhody serv zahrnují: nutnost instalace usměrňovače s měničem napětí, vysoká cena motorů a přítomnost kolektorové jednotky, která snižuje spolehlivost obvodu.

S příchodem frekvenčních měničů bylo možné použít asynchronní motory v servopohonech. Invertor s mikrokontrolérem umožňuje implementovat téměř jakékoli regulační zákony se zpětnou vazbou na relativní a absolutní polohu rotoru, točivý moment a rychlost otáčení.

Hlavní výhodou serv s asynchronními motory je jejich relativně nízká cena. Se značným výkonem jsou taková zařízení mnohem levnější než serva se stejnosměrnými elektromotory.

Dalším typem pohonných jednotek jsou synchronní motory. S příchodem moderních materiálů pro permanentní magnety, které neztrácejí své vlastnosti při zahřátí a nárazu, jsou pro servopohony nejrozšířenější synchronní elektromotory s permanentními magnety neboli PMSM.

Hlavní výhodou takových elektrických strojů je jejich malá velikost. Motor synchronního typu stejného výkonu s vinutím rotoru má tedy rozměry 2krát větší než rozměry PMSM.

• Mají vysokou účinnost. v celém rozsahu otáček.
• Mají schopnost udržovat daný točivý moment na hřídeli bez ohledu na zatížení.
• Mají poměrně jednoduchý design.
• Mají nízkou setrvačnost.

V SDMP nejsou žádné excitační ztráty. Oblastí použití elektrických strojů jsou servopohony nízkého a středního výkonu, včetně těch s velmi vysokými požadavky na stabilitu otáček.

Rozsah použití servopohonů

Zařízení se používá v různých automatických zařízeních a instalacích. Servopohony jsou nainstalovány:

• V průmyslových robotech a manipulátorech.
• Ve zvedacích a balicích zařízeních.
• V automatizovaných strojích.
• Ve zvláště přesných akčních členech automatických řídicích systémů pro technologické parametry.
• V automatických převodovkách automobilů.

Servopohony mohou zlepšit přesnost a produktivitu průmyslových zařízení, automatizovat výrobní procesy a eliminovat vliv lidského faktoru.

Funkce moderních serv

Většina servopohonů je dodávána jako kompletní systémy servo-snímač-motor. Velcí výrobci, například Mitsubishi Electric, Schneider Electric, nabízejí služby pro výběr kompatibilních prvků.

Moderní servopohony poskytují více než jen přesné řízení orientované na pole. Zařízení:

• Mohou být integrovány do systémů řízení procesů jakékoli složitosti a také podporují autonomní řízení. Zařízení zajišťuje komunikaci prostřednictvím unifikovaných digitálních a analogových signálů, bezpotenciálových kontaktů, rozhraní CANopen, PROFIBUS DP, RS 485, DeviceNet, EtherCAT, Modbus TCP, Ethernet Powerlink a dalších.
• Uživatelé se snadno učí. Nastavení zařízení není obtížné; ovládání má intuitivní rozhraní. Servopohony jsou již vybaveny továrním softwarem a mají funkce automatického rozpoznání pro externí zařízení. V případě potřeby si můžete stáhnout potřebné programy nebo je aktualizovat ze serveru výrobce.
• Lze škálovat a modernizovat. Řada průmyslových servopohonů má otevřenou architekturu. Zařízení je snadno přizpůsobitelné instalací dalších prvků: senzorů, modulů a dalších.
• Mají ochranu proti abnormálním provozním podmínkám. Servopohony zajišťují vypnutí při překročení povolené hodnoty proudu, kolísání napětí nebo výpadku sítě, přetížení při dynamickém brzdění. Zařízení má také ochranu proti přehřátí elektromotoru, chybám snímačů a překročení povoleného nesouladu. Při hledání příčiny abnormálního režimu serva automaticky zaznamenávají čas a datum nehody a kód pravděpodobné příčiny.

Moderní servosystémy jsou rozmanité. Vyrábí zařízení pro jednoduchá zařízení s 1-osým řídicím algoritmem až po složité roboty s víceosým řízením.

Jak vybrat servopohon

Servopohony jsou vybírány podle technických vlastností, ekonomického a technického efektu. Výběr je proveden po důkladné analýze technologických požadavků, výpočtů účinnosti a spolehlivosti.

Jedním z hlavních parametrů zařízení je přesnost polohování. Neměla by překročit maximální chybu polohy aktuátorů nebo pohybu pracovního nástroje. Přesnost je dána počtem impulsů ze snímačů na 1 otáčku hřídele. Čím více jich je, tím přesněji je zajištěna poloha hřídele.

Při výběru je třeba dbát na rozsah regulace otáček a točivého momentu na hřídeli. Parametry se volí podle požadavků zařízení. Například servopohon automatických strojů musí zajistit požadovanou rychlost zpracování pro konkrétní materiál. Točivý moment na hřídeli se volí podle charakteru a velikosti zatížení. Aby nedošlo k přetížení, je lepší zakoupit servopohon s malou rezervou výkonu motoru.

Kromě přesnosti polohování, krouticího momentu a rozsahu otáček se berou v úvahu také následující:

• Typ podporovaných rozhraní pro výměnu dat. Protokoly musí odpovídat informačním rozhraním automatizovaného systému. Servopohony podporují nejběžnější komunikační protokoly. Modulární zařízení mohou obsahovat další komunikační jednotky.
• Rychlost odezvy. Jeden z nejdůležitějších parametrů charakterizujících dobu mezi generováním řídicího signálu a jeho plnou implementací. Rychlost odezvy musí také splňovat požadavky na zařízení nebo mechanismus.
• Provedení. Třída ochrany proti vlhkosti a prachu a typ chlazení se volí na základě očekávaných provozních podmínek.
• Elektrické parametry. Jmenovité napětí a odběr proudu se volí podle možností a typu elektrické sítě.
• Další funkce. Moderní serva plní funkce vypnutí v případě nehod, varování v případě abnormálních provozních podmínek, logování a mnoho dalších.

Výkon technologických instalací, zařízení a obráběcích strojů závisí na pohonu. Výrobci technologie průmyslových pohonů poskytují služby pro výběr servopohonů s ohledem na všechny požadavky. Doporučuje se využít této nabídky.

Moderní servopohony poskytují řízení podle zákonů jakékoli složitosti s přesností pohybu až na setiny mikronů. Vybavení průmyslových zařízení přístroji poskytuje velmi významný ekonomický efekt. Servopohony také umožňují výrazně rozšířit možnosti a zvýšit přesnost obráběcích strojů, dávkovačů, manipulátorů a také automatizovat obsluhu zařízení.