Problemi comuni dei motori servo in uso
I sistemi servo sono un componente fondamentale dei prodotti elettromeccanici, offrendo i più elevati livelli di risposta dinamica e densità di coppia. Pertanto, la tendenza nello sviluppo dei sistemi di azionamento è quella di sostituire i tradizionali azionamenti idraulici, in corrente continua, passo-passo e a frequenza variabile CA con azionamenti servo CA, raggiungendo un nuovo livello di prestazioni del sistema, compresi tempi di ciclo più brevi, maggiore produttività, affidabilità superiore e durata più lunga. Per ottenere prestazioni migliori dai motori servo, è essenziale comprenderne le caratteristiche d’uso.
Problemi comuni dei motori servo in uso
Problema 1: Rumore e instabilità
I clienti riscontrano spesso rumore eccessivo e funzionamento instabile quando utilizzano motori servo sulle macchine. La prima reazione di molti utenti è presumere che il motore servo sia di scarsa qualità, poiché in alcuni casi la sua sostituzione con un motore passo-passo o con un motore a frequenza variabile comporta una riduzione significativa del rumore e dell’instabilità. In apparenza, sembra trattarsi di un difetto del motore servo, ma un’analisi accurata del suo principio di funzionamento dimostra che questa conclusione è completamente errata.
Un sistema servo CA comprende: un azionamento servo, un motore servo e un sensore di retroazione (in genere i motori servo sono dotati di un encoder ottico integrato). Tutti questi componenti operano all'interno di un sistema di controllo a ciclo chiuso: l'azionamento riceve informazioni sui parametri dall'esterno, quindi fornisce una determinata corrente al motore, che converte tale corrente in coppia per muovere il carico. Il carico si muove o accelera/decelera secondo le proprie caratteristiche. I sensori misurano la posizione del carico, inducendo l'azionamento a confrontare il valore di riferimento con il valore effettivo della posizione. Successivamente, regolando la corrente erogata al motore, il valore effettivo della posizione viene mantenuto coerente con il valore di riferimento. Quando una variazione improvvisa del carico provoca una variazione di velocità, l'encoder rileva tale variazione e risponde immediatamente all'azionamento servo. L'azionamento regola quindi la corrente fornita al motore servo per adattarsi alla variazione del carico e ripristinare la velocità impostata. Un sistema servo CA è un sistema altamente reattivo e completamente a ciclo chiuso. Il ritardo temporale tra le fluttuazioni del carico e la correzione della velocità è molto breve. Pertanto, il vero fattore limitante per la reattività del sistema è il tempo di trasmissione dei dispositivi meccanici di collegamento.
Problema Due: Adattamento dell'inerzia
I problemi di inerzia si verificano frequentemente durante la selezione e il debug dei sistemi servo!
Nello specifico, questi si manifestano nei seguenti modi:
1. Durante la selezione di un sistema servo, oltre a considerare fattori quali la coppia del motore e la velocità nominale, è necessario calcolare l'inerzia del sistema meccanico ridotta all'albero del motore. Successivamente, sulla base dei requisiti effettivi di movimento meccanico e dei requisiti di qualità dei pezzi lavorati, si seleziona un motore con un valore di inerzia adeguato.
2. Durante il debug (in modalità manuale), la corretta impostazione del parametro del rapporto di inerzia costituisce un prerequisito per sfruttare appieno le prestazioni ottimali del sistema meccanico e di quello servo. Ciò risulta particolarmente evidente nei sistemi che richiedono elevata velocità ed elevata precisione (nei servo Delta, i parametri del rapporto di inerzia sono compresi tra 1 e 37, JL/JM).
Impatto: L'inerzia della trasmissione influisce sull'accuratezza, sulla stabilità e sulla risposta dinamica del sistema servo. Un'inerzia elevata comporta una costante meccanica elevata, una risposta lenta e una riduzione della frequenza naturale del sistema, rendendolo più soggetto a risonanza. Ciò limita la larghezza di banda del servo e compromette l'accuratezza e la velocità di risposta del servo. Aumentare opportunamente l'inerzia è vantaggioso unicamente per migliorare lo strisciamento a bassa velocità. Pertanto, nella progettazione meccanica l'inerzia deve essere ridotta al minimo possibile, senza compromettere la rigidità del sistema.
Come determinare le caratteristiche dinamiche di un sistema meccanico: durante la misurazione delle caratteristiche dinamiche di un sistema meccanico, minore è l’inerzia, migliore è la risposta dinamica del sistema; maggiore è l’inerzia, maggiore è il carico sul motore e più difficile risulta il controllo. Tuttavia, l’inerzia del sistema meccanico deve corrispondere all’inerzia del motore. Meccanismi diversi richiedono principi diversi di abbinamento dell’inerzia, e tali scelte producono effetti differenti.
Ad esempio, quando un centro di lavorazione CNC esegue tagli ad alta velocità mediante un motore servo, un aumento dell’inerzia del carico provoca i seguenti effetti:
1. Quando i comandi di controllo cambiano, il motore impiega più tempo per raggiungere la velocità richiesta dal nuovo comando;
2. Quando la macchina utensile esegue tagli rapidi a forma di arco lungo due assi, si verificano errori significativi. In generale, nelle condizioni normali, se JL ≦ JM, i suddetti problemi non si verificano.
3. Quando JL ≥ 3 × JM, la controllabilità del motore diminuisce in modo significativo, specialmente evidente durante il taglio di curve ad alta velocità.
Diverse azioni meccaniche e diversi requisiti di qualità di lavorazione determinano rapporti differenti tra JL e JM. La determinazione dell’abbinamento d’inerzia deve basarsi sulle caratteristiche del processo meccanico e sui requisiti di qualità della lavorazione.
Domanda 3: Selezione del motore servo
Dopo aver scelto lo schema di trasmissione meccanica, è necessario selezionare e confermare il modello e le dimensioni del motore servo.
(1) Condizioni di selezione
In generale, devono essere soddisfatte le seguenti condizioni nella selezione di un motore servo:
1. Velocità massima del motore > velocità massima richiesta dal sistema.
2. L’inerzia del rotore del motore corrisponde all’inerzia del carico.
3. Coppia di lavoro continua sotto carico ≤ coppia nominale del motore.
4. Coppia massima erogata dal motore > coppia massima richiesta dal sistema (coppia durante l’accelerazione).
(2) Calcolo della selezione
1. Calcolo dell’abbinamento di inerzia (JL/JM)
2. Calcolo della velocità di rotazione (velocità sul lato carico, velocità sul lato motore)
3. Calcolo della coppia di carico (coppia di lavoro continua del carico, coppia durante l’accelerazione)
