Сервоприводы

Сервопривод - электрическое исполнительное устройство. Он подключается с помощью кабелей связи  управляющему устройству - сервоусилителю.

Назначение сервопривода – осуществлять прецизионные перемещения, точное регулирование скорости или  момента.

Сервоприводы обеспечивают преобразование  управляющего сигнала в  соответствующее этому сигналу перемещение исполнительного устройства.

Таким образом, сервоприводСЕРВОПРИВОД - это система привода, которая в широком диапазоне регулирования скорости обеспечивает динамичные, высокоточные процессы движения и реализует их хорошую повторяемость.

Слово "серво" произошло от латинского слова "servus", что переводится как подневольный, находящийся в полном подчинении. В машиностроении  сервоприводы выполняли преимущественно вспомогательную роль (приводы подач в станках, приводы роботов, транспортеров и т.п.).  Используются электрический, пневматический, гидравлический приводы.

В настоящее время  гидравлические и пневматические приводы имеют только отдельные ниши на рынке. В настоящее время преимущественно используются  электроприводы.

Прогресс в электронике и появление новых электротехнических материалов изменили ситуацию в области сервопривода. Последние достижения позволяют компенсировать сложность управления приводом переменного тока путем использования современных микроконтроллеров и быстродействующих высоковольтных силовых транзисторов. Мощные постоянные магниты, изготовленные из сплавов неодим-железо-бор и самарий-кобальта благодаря их высокой энергоемкости, существенно улучшили характеристики синхронного двигателя с магнитами на роторе при одновременном снижении массогабаритных показателей. В итоге улучшились динамические характеристики привода при снижении его габаритов. Тенденция перехода к синхронным двигателям переменного тока особенно очевидна в системах, которые традиционно выполнялись с использованием электроприводов постоянного тока.

В настоящее время сервоприводы применяются в высокопроизводительном оборудовании в таких как:

• Промышленных роботах.
• Станках с ЧПУ.
• Полиграфических станках.
• Промышленных швейных машинах.
• Упаковочных станках.
• Измерительных приборах.

Решающим фактором применения сервоприводов является не только их высокая динамика, но и возможность получения высокостабильного или точного управления, широкий диапазон регулирования скорости, помехоустойчивость, малые габариты и вес.

Благодаря современным цифровым технологиям, которые  предлагают большое разнообразие устройств связи с объектами (как напрямую, так и через промышленные шины) и возможность использовать персональный компьютер для контроля, оптимизации и автоматической настройки привода.

По способу управления сервоприводы бывают аналоговые и цифровые.

Аналоговые управляются аналоговым напряжением, частотным сигналом, параметры которого задаются с помощью широтно–импульсной модуляции (ШИМ). Цифровые управляются цифровым сигналом, представляющим собой кодовые команды, передаваемые по последовательному интерфейсу.

Состав сервопривода:

• Серводвигатель.Серводвигатели HIWIN
• Сервоусилитель.Сервоусилители HIWIN
• Кабели связи между серводвигателем и сервоусилителем.Кабели связи

Серводвигатель.

Обзор типов серводвигателей:

 

 

В первую очередь остановимся на синхронных двигателях с постоянными магнитами. Синхронные серводвигатели - это трехфазные синхронные электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов и датчиком положения ротора . Конструкция этих двигателей представлена на рисунке ниже:

 

Их основным достоинством  является низкий момент инерции ротора и высокий крутящий момент. Это позволяет реализовать очень высокое быстродействие. Достижимо время разгона на номинальную частоту вращения за единицы миллисекунд и реверс с полной скорости в пределах одного оборота вала двигателя. Основной областью применения этих двигателей являются приводы подач станков и технологические установки со временем цикла менее 1 секунды (например, производство упаковки, быстродействующие позиционные системы автоматических складов).

Как правило, мощность серводвигателей: от 0,05 до 15 кВт, а крутящие моменты  (номинальные) составляют : от 0,15 до 50 Нм.

Другим вариантом серводвигателя для  точного позиционирования приводимых элементов является шаговый  двигатель. Шаговый двигатель, как правило, не имеет датчика обратной связи.  В этом случае шаговый привод отсчитывает необходимое количество шагов  от первоначального  положения (этой особенности – движение мелкими шагами -  обязан характерный шум при работе шагового двигателя). Точное позиционирование обеспечивается параметрами самого шагового двигателя, его способностью поворачиваться на строго определенный угол при подаче на него соответствующего управляющего напряжения и взаимодействия полюсов статора и ротора.  Это управляющее напряжение формируется с помощью устройства, называемого драйвером шагового привода, на которое в свою очередь приходят импульсные сигналы от управляющего контроллера верхнего уровня. В данном случае, драйвер шагового привода выполняет роль сервоусилителя, позволяющего управлять синхронным серводвигателем  с постоянными магнитами.

Шаговый электропривод  имеет меньшее быстродействие, точность и диапазон мощностей  по сравнению с сервоприводом  с обратной связью,     и не    обеспечивает немедленное выявление сбоя движения или выхода из строя привода (по механической части или электронике). Однако шаговые двигатели и шаговые драйверы  намного дешевле  аналогичных сервосистем с датчиками обратной связи.

Сервоусилители.

Термин сервоусилитель  появился  в русском  техническом  языке вследствие  прямого перевода  слова «servoamplifier». Под этим названием некоторые зарубежные фирмы – поставщики оборудования, сервоприводов – понимают устройство питания и управления синхронным серводвигателем с постоянными магнитами. Причем двигатели могут быть как вращающимися, и линейными.

В принципе, простейший блок управления электрического сервопривода может быть построен на схеме сравнения значений датчика обратной связи и заданного (требуемого) значения позиции, и  с подачей напряжения соответствующей полярности на электродвигатель.

 Более сложные схемы (на микропроцессорах, которые и получили название сервоусилителей) могут учитывать инерцию приводимого в движение элемента и реализовывать плавный разгон и торможение электродвигателем для уменьшения динамических нагрузок и более точного позиционирования. Современные сервоусилители могут также  работать в автономном режиме управления положением исполнительного механизма. В этом случае, в энергонезависимую память  сервоусилителя  загружается управляющая программа, реализующая требуемый алгоритм управления исполнительным механизмом.

Для сервоусилителей  характерны следующие показатели:

• управление  по позиции, регулирование  скорости, вращающего момента серводвигателя;
• диапазон регулирования скорости 1:1000 и более;
• статическая точность поддержания скорости вращения  вала  двигателя до 0,01%;
• погрешность при поддержании  позиции вала  двигателя -  менее  ± 2-3 дискреты энкодера;
• низкий вес и компактные размеры

Сервоусилители, работающие в режиме позиционирования, могут управляться от контроллеров верхнего уровня (Host controller), которые формируют управляющие сигналы для сервоусилителей  либо в виде командных импульсов (с амплитудой 5 или 24В), либо с помощью сигналов, передающихся по цифровой последовательной сети. В случае, если управление происходит с помощью командных импульсов, то интерфейс сервоусилителя аналогичен интерфейсу драйвера шагового привода, и каждый импульс соответствует перемещению ротора  серводвигателя на определенные  угол или позицию.

Весьма  часто  управление  сервоусилителями происходит от устройств числового программного управления (ЧПУ) на управляющем выходе которых формируется аналоговые управляющие сигналы с напряжением +/- 10В постоянного тока. В этом случае,  величина напряжения определяет скорость вращения серводвигателя, а знак напряжения – направление вращения. При таком управлении в устройство ЧПУ поступает сигнал обратной связи по положению исполнительного механизма. Этот сигнал формируется либо специальным дополнительным  энкодером (ротационным или линейным), либо  самим сервоусилителем, который использует для этого информацию с энкодера серводвигателя. При этом сервоусилители должны работать в режиме регулирования скоростью вращения двигателя.

Для управления сервоусилителями  или их группами  можно использовать специальные ЧПУ-контроллеры, которые можно построить на базе программируемых логических контроллеров (ПЛК).

ПЛК– программируемый логический контроллер (PLC), представляют собой микропроцессорное устройство, предназначенное для сбора, преобразования, обработки, хранения информации и выработки команд управления, имеющий конечное количество входов и выходов, подключенных к ним датчиков, ключей, исполнительных механизмов к объекту управления, и предназначенный для работы в режимах реального времени. Принцип работы ПЛК заключается в сборе сигналов от датчиков и их обработке по прикладной программе пользователя с выдачей управляющих сигналов на исполнительные устройства.