Распространённые проблемы при эксплуатации сервомоторов
Сервосистемы являются важнейшим компонентом электромеханических изделий и обеспечивают наивысшие показатели динамического отклика и плотности крутящего момента. Поэтому тенденция развития приводных систем заключается в замене традиционных гидравлических, постоянного тока, шаговых и частотно-регулируемых переменного тока приводов на переменного тока сервоприводы, что позволяет достичь нового уровня производительности системы — включая сокращение циклов работы, повышение производительности, улучшение надёжности и увеличение срока службы. Для достижения более высоких эксплуатационных характеристик серводвигателей необходимо чётко понимать особенности их применения.
Распространённые проблемы при эксплуатации сервомоторов
Проблема 1: Шум и нестабильность
Потребители зачастую сталкиваются с чрезмерным шумом и нестабильной работой при использовании сервоприводов в станочном оборудовании. У многих пользователей первой реакцией становится предположение о низком качестве сервопривода, поскольку в некоторых случаях замена его на шаговый двигатель или двигатель с регулируемой частотой приводит к заметному снижению уровня шума и нестабильности. На первый взгляд это может показаться ошибкой сервопривода, однако тщательный анализ его принципа работы полностью опровергает такой вывод.
Система переменного тока с сервоприводом включает: сервопривод, серводвигатель и датчик обратной связи (обычно серводвигатели оснащены встроенным оптическим энкодером). Все эти компоненты функционируют в замкнутой системе управления: привод получает параметрическую информацию извне, затем подаёт на двигатель определённый ток, который преобразуется двигателем в крутящий момент для приведения в движение нагрузки. Нагрузка перемещается или ускоряется/замедляется в соответствии со своими собственными характеристиками. Датчики измеряют положение нагрузки, заставляя привод сравнивать заданное значение с фактическим значением положения. Затем путём регулировки тока, подаваемого на серводвигатель, фактическое значение положения поддерживается в соответствии с заданным значением. При внезапном изменении нагрузки, вызывающем изменение скорости, энкодер фиксирует это изменение скорости и немедленно передаёт сигнал сервоприводу. Привод, в свою очередь, корректирует ток, подаваемый на серводвигатель, чтобы компенсировать изменение нагрузки и восстановить заданную скорость. Система переменного тока с сервоприводом представляет собой высокочувствительную полностью замкнутую систему. Задержка между колебаниями нагрузки и коррекцией скорости крайне мала. Следовательно, реальным ограничивающим фактором быстродействия системы является время передачи сигнала через механические соединительные устройства.
Проблема два: Согласование инерции
Проблемы, связанные с инерцией, часто возникают при выборе и наладке сервосистем!
Конкретно это проявляется следующим образом:
1. При выборе сервосистемы, помимо таких параметров, как крутящий момент двигателя и номинальная скорость, необходимо также рассчитать приведённую к валу двигателя инерцию механической системы. Затем, исходя из реальных требований к механическому движению и к качеству обрабатываемых деталей, выбирается двигатель с подходящим значением инерции.
2. На этапе наладки (в ручном режиме) корректная установка параметра соотношения инерций является обязательным условием для полного раскрытия оптимальных характеристик механической и сервосистемы. Это особенно актуально для систем, предъявляющих высокие требования к скорости и точности (у сервоприводов Delta параметр соотношения инерций составляет 1–37, JL/JM).
Влияние: инерция передачи влияет на точность, стабильность и динамический отклик сервосистемы. Большая инерция приводит к увеличению механической постоянной времени, замедлению отклика и снижению собственной частоты системы, что повышает вероятность резонанса. Это ограничивает полосу пропускания сервосистемы и ухудшает её точность и скорость отклика. Увеличение инерции может быть полезным лишь для улучшения поведения системы при низких скоростях («ползучесть»). Следовательно, при механическом проектировании инерцию следует минимизировать в максимально возможной степени без ущерба для жёсткости системы.
Как определить динамические характеристики механической системы: при измерении динамических характеристик механической системы чем меньше инерция, тем лучше динамический отклик системы; чем больше инерция, тем выше нагрузка на двигатель и тем сложнее его управлять. Однако инерция механической системы должна соответствовать инерции двигателя. Для различных механизмов применяются разные принципы согласования инерций, и такие выборы оказывают различное влияние.
Например, при высокоскоростной обработке на станке с ЧПУ с использованием серводвигателя увеличение инерции нагрузки приведёт к следующему:
1. При изменении управляющих команд двигатель будет дольше достигать скорости, требуемой новой командой;
2. При быстрой дуговой обработке станком по двум осям возникнут значительные погрешности. Обычно в нормальных условиях, если JL≦JM, указанные проблемы не возникают;
3. Когда JL ≥ 3 × JM, управляемость двигателя значительно снижается, особенно это заметно при резке кривых на высокой скорости.
Различные механические действия и требования к качеству обработки определяют разные соотношения между JL и JM. Определение соответствия инерций должно основываться на характеристиках механического процесса и требованиях к качеству обработки.
Вопрос 3: Выбор сервомотора
После выбора схемы механической передачи необходимо подобрать и подтвердить модель и размер сервомотора.
(1) Условия выбора
Обычно при выборе сервомотора должны выполняться следующие условия:
1. Максимальная скорость двигателя > максимальная требуемая скорость системы.
2. Инertia ротора двигателя соответствует инерции нагрузки.
3. Непрерывный рабочий крутящий момент нагрузки ≤ номинальный крутящий момент двигателя.
4. Максимальный выходной крутящий момент двигателя > максимальный требуемый крутящий момент системы (крутящий момент при ускорении).
(2) Расчёт выбора
1. Расчёт согласования инерции (JL/JM)
2. Расчёт частоты вращения (частота вращения на стороне нагрузки, частота вращения на стороне двигателя)
3. Расчёт крутящего момента нагрузки (непрерывный рабочий крутящий момент нагрузки, крутящий момент при ускорении)
