Typowe problemy z serwosilnikami w użytkowaniu
Systemy serwonapędowe są kluczowym elementem wyrobów elektromechanicznych, zapewniając najwyższy poziom dynamicznej odpowiedzi i gęstości momentu obrotowego. Dlatego też trendem rozwojowym układów napędowych jest zastąpienie tradycyjnych napędów hydraulicznych, prądu stałego, krokowych oraz przemiennych o zmiennej częstotliwości napędami serwonapędowymi prądu przemiennego, co pozwala osiągnąć nowy poziom wydajności systemu, w tym krótsze czasy cyklu, wyższą produktywność, lepszą niezawodność oraz dłuższą żywotność. Aby osiągnąć lepszą wydajność silników serwonapędowych, konieczne jest zrozumienie ich charakterystyk użytkowych.
Typowe problemy z serwosilnikami w użytkowaniu
Problem 1: Hałas i niestabilność
Klienci często doświadczają nadmiernego hałasu i niestabilnej pracy przy użyciu serwosilników w maszynach. Wiele użytkowników od razu zakłada, że serwosilnik jest niskiej jakości, ponieważ czasem zastąpienie go silnikiem krokowym lub silnikiem z regulowaną częstotliwością skutkuje znacznie mniejszym hałasem i niestabilnością. Pozornie wydaje się to wadą serwosilnika, ale dokładna analiza jego zasady działania wykazuje, że takie wnioski są całkowicie błędne.
System serwonapêdzania prądu przemiennego składa się z: napędu serwonapędnego, silnika serwonapędnego oraz czujnika zwrotnego (zazwyczaj silniki serwonapędne mają wbudowany enkoder optyczny). Wszystkie te komponenty działają w ramach systemu sterowania w pętli zamkniętej: napęd otrzymuje informacje parametryczne ze środowiska zewnętrznego, a następnie dostarcza do silnika określony prąd, który jest przekształcany przez silnik w moment obrotowy napędzający obciążenie. Obciążenie porusza się lub przyspiesza/hamuje zgodnie ze swoimi własnymi cechami. Czujniki mierzą położenie obciążenia, co powoduje, że napęd porównuje wartość zadanej wielkości z rzeczywistą wartością położenia. Następnie, poprzez regulację prądu dopływającego do silnika serwonapędnego, rzeczywista wartość położenia utrzymywana jest zgodna z wartością zadanej wielkości. Gdy nagła zmiana obciążenia powoduje zmianę prędkości, enkoder wykrywa tę zmianę prędkości i natychmiast reaguje na napęd serwonapędny. Napęd reguluje wówczas prąd dostarczany do silnika serwonapędnego, aby dostosować się do zmiany obciążenia i przywrócić zadaną prędkość. System serwonapędzania prądu przemiennego to system o bardzo wysokiej szybkości reakcji i pełnej pętli zamkniętej. Opóźnienie czasowe pomiędzy fluktuacjami obciążenia a korektą prędkości jest bardzo krótkie. Dlatego rzeczywistym ograniczającym czynnikiem szybkości reakcji systemu jest czas transmisji urządzeń mechanicznych łączących.
Problem dwa: Dopasowanie bezwładności
Problemy z bezwładnością często występują podczas doboru i uruchamiania systemów serwonapędowych!
Konkretnie objawiają się one w następujący sposób:
1. Przy doborze systemu serwonapędowego, oprócz takich czynników jak moment obrotowy silnika i prędkość znamionowa, konieczne jest również obliczenie bezwładności układu mechanicznego przeliczonej na wał silnika. Następnie, w oparciu o rzeczywiste wymagania działania mechanicznego oraz wymagania jakościowe dotyczące obrabianych części, dobiera się silnik o odpowiedniej wartości bezwładności.
2. Podczas uruchamiania (w trybie ręcznym) prawidłowe ustawienie parametru stosunku bezwładności jest warunkiem koniecznym do pełnego wykorzystania optymalnej wydajności układu mechanicznego i serwonapędowego. Jest to szczególnie istotne w systemach wymagających wysokiej prędkości i dużej precyzji (parametry stosunku bezwładności serwonapędów Delta wynoszą 1–37, JL/JM).
Wpływ: Bezładność przekładni wpływa na dokładność, stabilność i dynamiczną odpowiedź układu serwonapędu. Duża bezładność powoduje zwiększenie stałej mechanicznej, spowolnienie odpowiedzi oraz obniżenie częstotliwości własnej układu, co czyni go bardziej podatnym na rezonans. Ogranicza to pasmo przejściowe serwonapędu oraz wpływa negatywnie na jego dokładność i szybkość odpowiedzi. Właściwe zwiększenie bezładności jest korzystne wyłącznie przy poprawie pełzania w niskich prędkościach. Dlatego też w projektowaniu mechanicznym bezładność należy minimalizować w maksymalnym możliwym stopniu, nie naruszając sztywności układu.
Jak określić dynamiczne cechy układu mechanicznego: Podczas pomiaru dynamicznych cech układu mechanicznego im mniejsza bezwładność, tym lepsza odpowiedź dynamiczna układu; im większa bezwładność, tym większy obciążenie silnika i tym trudniejsze jego sterowanie. Jednak bezwładność układu mechanicznego musi być dopasowana do bezwładności silnika. Różne mechanizmy wymagają różnych zasad dopasowania bezwładności, a wybór tych zasad wpływa na różne aspekty działania.
Na przykład, gdy centrum frezarskie CNC wykonuje szybkie cięcie przy użyciu serwosilnika, wzrost bezwładności obciążenia spowoduje następujące skutki:
1. Gdy polecenia sterujące ulegają zmianie, silnik potrzebuje dłuższego czasu, aby osiągnąć prędkość wymaganą przez nowe polecenie;
2. Gdy maszyna narzędziowa wykonuje szybkie cięcie po łuku wzdłuż dwóch osi, wystąpią istotne błędy. Ogólnie rzecz biorąc, w warunkach normalnych, jeśli JL≦JM, powyższe problemy nie wystąpią;
3. Gdy JL ≥ 3 × JM, sterowalność silnika znacznie spada, co szczególnie wyraźnie przejawia się podczas cięcia krzywych z wysoką prędkością.
Różne działania mechaniczne oraz wymagania dotyczące jakości obróbki determinują różne zależności między JL a JM. Dobór dopasowania bezwładności musi opierać się na charakterystyce procesu mechanicznego oraz wymaganiach dotyczących jakości obróbki.
Pytanie 3: Dobór serwonapędu
Po wybraniu rozwiązania przekładni mechanicznej należy dobrać i potwierdzić model oraz wymiary serwonapędu.
(1) Warunki doboru
Ogólnie rzecz biorąc, przy doborze serwonapędu należy spełnić następujące warunki:
1. Maksymalna prędkość silnika > maksymalna wymagana prędkość systemu.
2. Bezwładność wirnika silnika dopasowana do bezwładności obciążenia.
3. Ciągły moment obciążenia ≤ znamionowy moment silnika.
4. Maksymalny moment wyjściowy silnika > maksymalny wymagany moment systemu (moment podczas przyspieszania).
(2) Obliczenia doboru
1. Obliczenia dopasowania bezwładności (JL/JM)
2. Obliczenia prędkości obrotowej (prędkość na stronie obciążenia, prędkość na stronie silnika)
3. Obliczenia momentu obciążenia (ciągły moment roboczy obciążenia, moment podczas przyspieszania)
