Běžné problémy se servomotory v provozu
Servo systémy jsou klíčovou součástí elektromechanických výrobků a nabízejí nejvyšší úroveň dynamické odezvy a hustoty točivého momentu. Vývojovým trendem pohonných systémů je proto nahrazení tradičních hydraulických, stejnosměrných, krokových a střídavých frekvenčně řízených pohonů střídavými servo pohony, čímž se dosahuje nové úrovně výkonu systému, včetně kratších cyklových dob, vyšší produktivity, lepší spolehlivosti a delší životnosti. Pro dosažení lepšího výkonu ze servo motorů je nezbytné pochopit jejich provozní charakteristiky.
Běžné problémy se servomotory v provozu
Problém 1: Hluk a nestabilita
Zákazníci často zažívají nadměrný hluk a nestabilní provoz při používání servomotorů na strojích. Mnozí uživatelé jako první reakci předpokládají, že servomotor je špatné kvality, protože někdy jeho výměna za krokový motor nebo motor s proměnnou frekvencí vede k výrazně nižšímu hluku a větší stabilitě. Na první pohled se zdá, že je viníkem servomotor, avšak důkladná analýza jeho principu činnosti ukazuje, že tento závěr je zcela nesprávný.
AC servosystém zahrnuje: servopohon, servomotor a zpětnovazební senzor (obvykle mají servomotory vestavěný optický enkodér). Všechny tyto komponenty pracují v uzavřené řídicí smyčce: pohon přijímá parametrické informace zvenčí, poté dodává motoru určitý proud, který motor převádí na točivý moment pro pohánění zátěže. Zátěž se pohybuje nebo zrychluje/brzdí podle svých vlastních charakteristik. Senzory měří polohu zátěže, čímž způsobují, že pohon porovnává požadovanou hodnotu s aktuální polohou. Poté úpravou proudu dodávaného motoru udržuje aktuální polohu v souladu s požadovanou hodnotou. Když náhlá změna zátěže způsobí změnu rychlosti, enkodér tuto změnu rychlosti detekuje a okamžitě reaguje na servopohon. Pohon pak upraví proud dodávaný servomotoru tak, aby kompenzoval změnu zátěže, a vrátil se na požadovanou rychlost. AC servosystém je vysoce reaktivní, plně uzavřený systém. Zpoždění mezi fluktuacemi zátěže a korekcí rychlosti je velmi krátké. Skutečným omezujícím faktorem odezvy systému je tedy doba přenosu mechanických spojovacích prvků.
Problém číslo dvě: Přizpůsobení setrvačnosti
Problémy se setrvačností se během výběru a ladění servosystémů vyskytují velmi často!
Konkrétně se to projevuje následujícím způsobem:
1. Při výběru servosystému je třeba kromě faktorů, jako je točivý moment motoru a jmenovitá otáčková frekvence, také vypočítat setrvačnost mechanického systému převedenou na hřídel motoru. Poté na základě skutečných požadavků na mechanický pohyb a požadavků na kvalitu opracovaných dílů vybereme motor se vhodnou hodnotou setrvačnosti.
2. Během ladění (v manuálním režimu) je správné nastavení parametru poměru setrvačností nezbytnou podmínkou pro plné využití optimálního výkonu mechanického i servosystému. Tento aspekt je zvláště výrazný u systémů vyžadujících vysokou rychlost a vysokou přesnost (u servosystémů Delta má parametr poměru setrvačností hodnotu 1 až 37, JL/JM).
Dopad: Setrvačnost převodovky ovlivňuje přesnost, stabilitu a dynamickou odezvu servosystému. Vysoká setrvačnost vede k velké mechanické časové konstantě, pomalé odezvě a snížení vlastní frekvence systému, čímž se zvyšuje riziko rezonance. To omezuje šířku pásma servosystému a negativně ovlivňuje jeho přesnost a rychlost odezvy. Případné zvýšení setrvačnosti je prospěšné pouze pro zlepšení pomalého plazení při nízkých otáčkách. Proto by měla být ve strojním návrhu setrvačnost minimalizována co nejvíce, aniž by to poškodilo tuhost systému.
Jak určit dynamické vlastnosti mechanického systému: Při měření dynamických vlastností mechanického systému platí, že čím je setrvačnost menší, tím lepší je dynamická odezva systému; čím je setrvačnost větší, tím vyšší je zátěž motoru a tím obtížnější je řízení. Setrvačnost mechanického systému však musí odpovídat setrvačnosti motoru. Různé mechanismy mají různé principy přizpůsobení setrvačností a tyto volby mají odlišné účinky.
Například při vysokorychlostním obrábění na CNC obráběcím centru s použitím servomotoru zvýšení setrvačnosti zátěže způsobí následující jevy:
1. Při změně řídicích příkazů bude motor déle dosahovat rychlosti požadované novým příkazem;
2. Při rychlém obloukovém obrábění strojem po dvou osách dojde k výrazným chybám. Obecně za normálních podmínek, pokud JL ≦ JM, uvedené problémy nenastanou.
3. Pokud je JL ≥ 3 × JM, řiditelnost motoru výrazně klesne, zejména při řezání oblouků vysokou rychlostí.
Různé mechanické činnosti a požadavky na kvalitu zpracování určují různé vztahy mezi JL a JM. Určení shody setrvačností musí být založeno na charakteristikách mechanického procesu a požadavcích na kvalitu zpracování.
Otázka 3: Výběr servomotoru
Po výběru mechanického převodového schématu je nutné vybrat a potvrdit typ a rozměr servomotoru.
(1) Podmínky výběru
Obecně musí být při výběru servomotoru splněny následující podmínky:
1. Maximální rychlost motoru > maximální požadovaná rychlost systému.
2. Setrvačnost rotoru motoru odpovídá setrvačnosti zátěže.
3. Trvalý provozní krouticí moment zátěže ≤ jmenovitý krouticí moment motoru.
4. Maximální výstupní krouticí moment motoru > maximální požadovaný krouticí moment systému (krouticí moment během zrychlení).
(2) Výpočet výběru
1. Výpočet přizpůsobení setrvačnosti (JL/JM)
2. Výpočet otáček (rychlost na straně zátěže, rychlost na straně motoru)
3. Výpočet krouticího momentu zátěže (trvalý provozní krouticí moment zátěže, krouticí moment během zrychlení)
