Wybór systemu serwomotoru do projektu maszyny rozpoczyna się od zrozumienia komponentów składających się na serwomotor lub system serwonapędu. Systemy serwo to systemy w pętli zamkniętej używane do sterowania określonymi pożądanymi ruchami. Obejmują one urządzenie sprzężenia zwrotnego, które zapewnia stałą informację między silnikiem a kierowcą, aby precyzyjnie kontrolować położenie, prędkość i moment obrotowy napędzanego mechanizmu.
QXR Wysokowydajny sterownik serwo silnika DDR
Zazwyczaj projekty serwomechanizmów to wysoce dynamiczne systemy, które wymagają napędzania obciążenia w celu szybkiego przyspieszania i zwalniania. Działają w czterech kwadrantach, co oznacza, że mogą kontrolować moment obrotowy i prędkość, zarówno dodatnią, jak i ujemną.
Selekcja sterowana serwomechanizmem wymaga systematycznego rozwiązania. Innymi słowy, holistyczne podejście uwzględniające ogólne parametry mechaniczne, elektryczne i programistyczne. System obejmuje określanie obciążeń mechanicznych, krzywych ruchu (w tym wymagań dotyczących pozycjonowania), charakterystyki serwomotoru oraz środowiska, w którym znajduje się silnik i inne komponenty; W szczególności, gdy silnik pracuje z niemal stałą prędkością, ma to wpływ na gotowe produkty, materiały i/lub sam proces.
Obciążenie mechaniczne i parametry krzywej ruchu
Zacznijmy od zrozumienia, co oznaczają wymagania dotyczące obciążenia mechanicznego i ruchu. Podstawowa fizyka newtonowska zakłada, że siła (lub moment obrotowy w kierunku obrotu) jest proporcjonalna do masy (bezwładności obrotowej) razy przyspieszenie, niezależnie od tego, czy przyspieszenie jest dodatnie, czy ujemne. W kontekście projektowania ruchu konstrukcja maszyny ma swoją własną jakość i jakość przenoszonego przez nią obciążenia.
Dlatego ważne jest określenie części mechanicznych - zwłaszcza jakości ruchu i pożądanej krzywej ruchu. Metody przekształcania ruchu obrotowego w ruch liniowy są bardzo zróżnicowane i zależą od takich czynników, jak dokładność, obciążenie, dynamika ruchu i środowisko.
Po zrozumieniu zastosowanego mechanizmu zrozumienie dynamiki ruchu jest ważne, aby określić najlepsze rozwiązanie serwomotoru. Krzywa ruchu obejmuje nie tylko ruch z jednego punktu do drugiego, ale także funkcje, które mogą być użyte w tym ruchu, takie jak nacisk związany z obróbką części. Przyspieszanie, równomierne i zwalnianie, a także czasy przebywania i pauzy są uwzględnione w ogólnej krzywej ruchu systemu. Ruchy indeksujące mogą być prostym ruchem trójkątnym, zmiennym trapezem lub 1/3-1/3-1/3 (najbardziej efektywny ruch związany z momentem obrotowym RMS).
Narzędzie do wyboru i wyboru układu serwo
Wielu dostawców oferuje narzędzia do selekcji i selekcji, które pomagają użytkownikom tworzyć profile ruchu w oparciu o wymagania dotyczące ruchu w ich aplikacjach. Większość narzędzi programowych, takich jak platforma Motioneering firmy Kollmorgen, zapewnia różnorodne opisy ruchu, które pomagają obliczyć przyspieszenie, czas ruchu, odległość, prędkość i czas przebywania. Rysunek 1 przedstawia podstawową krzywą 1/3-1/{3}}/3 z 50-procentowym przyspieszeniem wprowadzonym w celu wygładzenia przyspieszenia. W tym przykładzie zdecydowaliśmy się przesunąć o 8 cali w ciągu 1 sekundy i użyć 50-procentowego przyspieszenia i 2-sekundowego czasu zatrzymania. System oblicza ruch w oparciu o 1/3 czasu przyspieszania, 1/3 stałej prędkości i 1/3 opóźnienia. Maksymalna prędkość obliczona przez narzędzie wynosi 720 cali/min. Możesz zobaczyć zarys krzywej „S” (w oparciu o 50-procentowe przyspieszenie). Ponadto w przypadku tego ruchu można zauważyć, że do poprzecznej części ruchu przykładane jest obciążenie wzdłużne (czerwona linia), -- ta krzywa ruchu jest prawdopodobnie obrabiana. Czas przebywania może być również postrzegany jako 3 sekundy. Część przestoju jest ważna, ponieważ wszystkie parametry związane z tą krzywą zostaną użyte do obliczenia momentu obrotowego RMS, który będzie miarą, której użyjemy do wyboru właściwego silnika. Oprócz krzywych ruchu ważne jest również zrozumienie rzeczywistych wymagań dotyczących pozycjonowania obciążeń pod względem rozdzielczości, dokładności i powtarzalności. Bezpośredni wpływ na to będzie miał dobór urządzeń sprzężenia zwrotnego oraz (co ważniejsze) pusty pęd łączników mechanicznych w postaci luzu i elastyczności.
O ile projekt nie może wykorzystywać rozwiązania z silnikiem z napędem bezpośrednim, będzie zawierał jakiś rodzaj przekładni mechanicznej. Obrotowe liniowe przenoszenie mocy (przekształcanie mocy wyjściowej obracającego się silnika na ruch wału) można osiągnąć za pomocą napędu koła pasowego lub mechanizmów opartych na śrubach, takich jak śruby kulowe. Napęd obrotowy obejmuje przekładnię lub zespół napędu pasowego, dzięki czemu koła pasowe o różnych rozmiarach mogą być używane jako zwalniacze. W niektórych zastosowaniach przenoszone części mają znaczący udział w całkowitej masie ruchu. Szczególnym przypadkiem jest masa wału maszyny, którą należy przesunąć, aby zmienić --, na przykład w dystrybucji lub przetwarzaniu systemu robotycznego. Całkowite zróżnicowanie obciążenia może być czynnikiem wpływającym na regulację serwonapędu.
Elementy w ruchu muszą sumować swoją bezwładność i odbijać ją z powrotem na wał silnika. Oprócz bezwładności należy wziąć pod uwagę siły zewnętrzne, tarcie i nieefektywność.
Względy środowiskowe w projektowaniu serwomechanizmów
To jeszcze nie koniec. Przy określaniu konstrukcji serwomechanizmu tylko niektóre dostępne mechanizmy mogą ekonomicznie i wydajnie zapewnić wymagany ruch, nośność i dokładność. Często pomijanym czynnikiem jest środowisko, w którym działa system serwo. Większość serwomotorów jest przystosowana do pracy w temperaturze 40°C – bardzo ciepłym środowisku, ale typowym dla wielu ustawień fabrycznych i przemysłowych.
Odporność na ciepło elektroniki sterującej nie jest zbyt wysoka, a ponieważ są one również oceniane na 40 stopni C, zarządzanie temperaturą otoczenia, w którym działają, jest wyzwaniem. Zazwyczaj wymuszone chłodzenie w szafie sterowniczej jest wymagane do utrzymania odpowiednich warunków środowiskowych (temperatura i wilgotność). Dlatego należy wziąć pod uwagę lokalizację silnika i sterownika. Oczywiście silnik może być zainstalowany lub zintegrowany bezpośrednio z urządzeniem w celu napędzania mechanizmu nośnego. Natomiast napęd w rozwiązaniu scentralizowanym znajduje się w szafie sterowniczej --, która zwykle wymaga chłodzenia.
Producenci określają częściową wydajność silnika zgodnie z warunkami środowiskowymi, w których silnik pracuje. Jak wspomniano powyżej, wielu projektantów zakłada, że silnik jest przystosowany do pracy w temperaturze otoczenia 40 stopni C, ale od czasu do czasu podawana jest specyfikacja silnika na 25 stopni C. Dlatego podczas przeglądania specyfikacji należy zwrócić uwagę na opublikowane wartości odniesienia. Jeśli temperatura otoczenia maszyny przekracza znamionową temperaturę otoczenia, silnik nie osiągnie mocy znamionowej.
Inne warunki środowiskowe mogą mieć wpływ na lakiery i uszczelki silnika oraz inne podzespoły mechaniczne. Pył, brud, wilgoć, płukanie natryskowe, wymagania higieniczne, środowiska wybuchowe, środowiska próżniowe i promieniowanie wymagają specjalnego serwomotoru o właściwościach fizycznych dostosowanych do obecnych trudnych warunków.
Proces selekcji
Przy określaniu wymaganego składu silnika/układu napędowego duża część wczesnej selekcji ma charakter mechaniczny i środowiskowy. Teraz, gdy użytkownik wybiera produkt końcowy, należy wziąć pod uwagę pozostałe elementy systemu, które zawiera system. Czynniki mechaniczne i środowiskowe będą nadal wpływać na elementy sprzężenia zwrotnego, okablowanie i ostateczny wybór architektury sterowania.
Uwagi dotyczące sprzężenia zwrotnego i charakterystyka serwomotoru
Z definicji systemy serwo mają urządzenia sprzężenia zwrotnego, które mierzą prędkość, pozycję i inne parametry systemu podczas pracy. Producenci mogą mieć ograniczone możliwości, ale ważne jest, aby dokładnie rozważyć określone parametry aplikacji, w tym obciążenie udarowe i dokładność pozycjonowania, a także powtarzalność. Transformatory obrotowe często charakteryzują się doskonałą wydajnością w trudnych warunkach, zwłaszcza przy wyższych obciążeniach udarowych. Transformator obrotowy to transformator obrotowy składający się z cewki uzwojenia z częściami stojana i wirnika wokół rdzenia. Taka konstrukcja pozwala na pracę w wyższych temperaturach i większą tolerancję na duże obciążenia udarowe niż enkodery, które mogą zawierać szklane elementy dyskowe.
Enkodery sinusoidalne mogą zapewniać wysoką rozdzielczość, do 24 bitów i więcej, zapewniając optymalną dokładność pozycjonowania. Niektóre enkodery hybrydowe mogą zapewnić solidność obracającego się transformatora przy lepszej rozdzielczości. Te inteligentne enkodery są oparte na obracających się transformatorach z elementami elektronicznymi, które interpretują sygnały sinusoidalne i cosinusoidalne i przekształcają je w sygnał cyfrowy o wysokiej rozdzielczości, który zostanie przekazany do serwonapędu w celu wykorzystania w sprzężeniu zwrotnym prędkości i położenia.
Obecnie najnowsze enkodery oferują różnorodne protokoły komunikacyjne (EnDAT, BiSS i DSL) oraz zapewniają wysoką rozdzielczość i niski poziom szumów, aby pomóc w uzyskaniu optymalnych sygnałów sprzężenia zwrotnego do serwonapędów i kontrolerów.
Innym wyborem informacji zwrotnej, który zależy od wymagań aplikacji, jest to, czy chcesz uzyskać absolutną, czy przyrostową informację zwrotną. W systemie rotacyjnym możesz liczyć od 0 po wykonaniu obrotu o 360 stopni przy użyciu jednego obrotu sprzętu. Wieloobrotowy enkoder absolutny pozwala systemowi poznać jego położenie, nie tylko położenie silnika w obrocie o 360 stopni, ale także liczbę obrotów, które wykonał w każdym kierunku. Więc dokładnie wie, gdzie jest. Ważne jest, aby wiedzieć, gdzie znajdują się narzędzia i inne osie. Z kolei proste enkodery inkrementalne potrafią określić pozycję w jednym obrocie, ale dopiero po znalezieniu zera w cyklu załączenia. Dzięki temu użytkownik nie będzie wiedział, ile cykli zostało zakończonych ani nawet jaka jest pozycja bezwzględna
obraca się o 360 stopni po włączeniu.
Oprócz serwomotoru i samego serwosterownika ważne jest również rzeczywiste połączenie między nimi. Elastyczność kabla (określona przez jego dopuszczalny promień gięcia) jest ważnym czynnikiem, zwłaszcza gdy kabel porusza się wraz z wałem.
Długość kabla może być ograniczona przez rozważany typ enkodera. Parametry kabla, takie jak impedancja i spadek napięcia, w połączeniu z siłą sygnału enkodera, są kluczowymi czynnikami przy rozważaniu długości. Niektóre nowsze urządzenia oferowane na rynku przesyłają informacje szeregowe do sterowników (takie jak DSL, EnDat i BiSS) z bardzo dużą szybkością transmisji, na którą wpływ ma długość, zwłaszcza impedancja i stosunek sygnału do szumu. Nawet złącze odgrywa rolę w pętli „sprzężenia zwrotnego”, ponieważ złącze musi przetwarzać różne sygnały generowane przez te urządzenia. Inny czynnik długości kabla związany z mocą silnika jest związany z wysokimi częstotliwościami przełączania występującymi we współczesnych sterownikach PWM. W przewodzie zasilającym silnika słychać szum. Kiedy kabel staje się dłuższy i zbliża się do połowy długości fali częstotliwości na kablu, uformuje się antena. Antena będzie wysyłać lub odbierać informacje (w tym przypadku generując szum), które nie powinny występować w systemie o wysokiej wydajności.
Ostatni parametr: sterowanie ruchem i sieć -- scentralizowane a zdecentralizowane
Ostatnią kwestią, która może spowodować powielenie całego procesu projektowania (i zmienić inne określone elementy projektu) jest architektura systemu. Inżynier musi zadać sobie pytanie: czy powinienem skupić się na scentralizowanym systemie sterowania ze sterownikami, kontrolerami i elektroniką pomocniczą w scentralizowanej szafce, czy też bardziej opłacalne i opłacalne jest rozmieszczenie sterowników w maszynie (podejście systemów rozproszonych)? Maszyna z wieloma osiami, które mogą być rozproszone po całej maszynie, byłaby idealnym kandydatem do rozwiązania rozproszonego. Ta metoda może znacznie zmniejszyć wymagania dotyczące kabli i zaoszczędzić koszty związane z okablowaniem długich kabli oraz szczelinami kablowymi i wspornikami pasującymi do tych kabli. Ponadto przeniesienie sterownika z maszyny zmniejsza rozmiar szafy wymaganej do umieszczenia elementów sterujących i pomocniczych, ponownie zmniejszając koszty i wymagania dotyczące chłodzenia w szafie. Z drugiej strony maszyny, które są kompaktowe i mają mniej osi, nie skorzystają z tradycyjnego
podejście scentralizowane.
wniosek
Istnieje wiele rzeczy, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze systemu serwo do aplikacji, z których wiele zostało opisanych w tym artykule. Kolejny wybór, który wpływa na dobór komponentów steruje systemem. Typ sterowania jest zwykle określany na wczesnym etapie dyskusji na temat projektu maszyny i zależy od wielu czynników, podczas gdy wybór sterowania zwykle wiąże się z wyborem standardów komunikacji magistrali polowej.