Содержание
- Сервопривод – что это такое
- Как устроен сервопривод
- Принцип работы
- Виды сервоприводов
- Характеристики сервоприводов
- Особенности устройства сервопривода переменного тока
- Процесс рекуперации
- Сравнение с шаговым двигателем. Преимущества и недостатки
- Где применяются сервоприводы
- Как выбрать сервопривод
Жизнь современного человека заполнена огромным количеством электроприборов. Это всеми воспринимается нормально, как само собой разумеющееся. Умная автоматика взяла на себя большую часть рутинных и опасных производственных процессов, а также широко применяется в качестве умных помощников в быту.
Многие функции управления умными устройствами берут на себя сервоприводы. Они присутствуют не только в конкретных устройствах (роботах), но и во всех автоматизированных системах:
• отопления и водоснабжения;
• кондиционирования и управления климатом;
• безопасности зданий;
• роботизированных линий на производстве и т.д.
Они нужны для управления движением, ускорением, замедлением в подвижных частях разных типов оборудования и устройств.
Сервопривод – что это такое
Устройство представляет из себя электродвигатель со своим блоком управления. Он может сохранять определенное положение вала или фиксированную скорость вращения благодаря обратной связи.
Их применяют для аккуратного привода в действие разного рода механизмы. Например, они могут управлять заслонками вентилей в трубопроводах, перекрывать/открывать поток воздуха в вентиляционных системах, открывать/закрывать автоматические двери и т.д. Сервомоторы делают подвижными все сочленения роботов.
Как устроен сервопривод
Конструкции сервоприводов в зависимости от области применения могут сильно отличаться друг от друга. Но в большинстве случаев они имеют сходную функциональную структуру.
В их состав может входить:
- Привод, который приводит в движение рабочий механизм. Это может быть синхронный, асинхронный двигатели, коллекторный и бесколлекторный привод и т.п.
- Редуктор представляет из себя устройство, увеличивающее или уменьшающее скорость вращения рабочего элемента, или создающее дополнительное усилие.
- Рабочий элемент – это орган, который непосредственно соединен с исполнительным механизмом, например, заслонка, клапан, манипулятор робота и т.д.
- Датчик контролирует необходимое положение рабочего элемента и через канал обратной связи передает данные в блок управления.
- Блок управления или контроллер передаёт сигналы управления, сгенерированных на основании данных с датчика, на серводвигатель для перемещения (вращения) рабочего элемента или, чтобы скорректировать его местоположение.
- Тормозной резистор. Применяется в преобразователях частоты и служит для рассеивания энергии торможения во время остановки или понижения скорости серводвигателя. Благодаря ему обеспечивается максимальный переходный тормозной момент.
- Тормозная муфта (удерживающий тормоз). Служит для удержания рабочего вала сервопривода в неподвижном состоянии. Бывают:
• дисковые;
• динамометрические;
• трения.
- Блок питания применяется, когда не требуется прямое подключение сервомотора к электрической сети.
Такая простая конфигурация вполне достаточна для обеспечения бесперебойной работы устройства. В нём нет слабых звеньев, по этой причине сервоприводы выходят из строя довольно редко.
Принцип работы
Работает сервопривод так.
Контроллеру задают определенную программу работы. На ее основании он передаёт управляющие сигналы на частотный преобразователь, который, в свою очередь, передаёт на электрический двигатель напряжение нужного значения и частоты.
Рабочий элемент перемещает исполнительное устройство с нужной скоростью, соответствующий угол с определенной нагрузкой. Когда рабочий орган достигает заданной точки перемещения, датчик положения передаёт сигнал в блок управления, останавливающий двигатель.
Что происходит внутри «мозгов» сервопривода? Сигнал с датчика положения сравнивается с опорным (нулевым) сигналом. Если их величины равны, то сервомотор останавливается.
Если есть отклонения в значениях, в любую сторону: плюс или минус, то на двигатель будет подаваться соответствующее напряжение, пока исполнительный механизм не займет нужное место.
Виды сервоприводов
К основной характеристике сервопривода относят тип электродвигателя. Они бывают коллекторные и бесколлекторные, работающие от постоянного или переменного тока.
В коллекторных двигателях обмотки находятся на роторе, которые вращается относительно статора с постоянными магнитами. Поэтому для передачи тока на ротор используются графитовые щетки. Трущиеся детали уменьшают надёжность таких двигателей.
В бесколлекторных двигателях всё наоборот – ротор и статор меняются местами. Статор становится подвижной частью, ротор неподвижной. Щетки в таком случае не нужны.
- Коллекторные двигатели постоянного тока. Скорость вращения ротора напрямую зависит от подаваемого на него напряжения.
- Бесколлекторные двигатели постоянного тока могут быть:
- с внутренним якорем. Высокоскоростные. Используются в системах охлаждения;
- с внешним якорем. Используются в устройствах, нуждающихся в точном позиционировании и устойчивости к перегрузкам по моменту. Это могут быть станки с ЧПУ, роботы, различное медоборудование.
- Синхронные двигатели переменного тока. Такие приводы могут быстро набирать скорость, задают ей, ускорению, углам поворота высокую точность.
- Асинхронные двигатели переменного тока. Ими управляют инверторы, меняя частоту питающего их тока. Отличительная особенность асинхронных сервомоторов – это высокая точность поддержания заданной скорости при очень низких оборотах.
Характеристики сервоприводов
Помимо этого, сервоприводы имеют ещё несколько важных характеристик:
- Крутящий момент (усилие) вала сервопривода.
- Скорость поворота показывает, насколько быстро вращается двигатель.
- По управлению сервоприводы делятся на аналоговые и цифровые.
- Электропитание сервоприводов зависит от типа и назначения сервоприводов.
- Шестерни редуктора могут быть металлическими, карбоновыми, пластиковыми, титановыми и выполненными из различных комбинированных материалов. Металл хорошо переносит высокие динамические нагрузки. Пластик же не выдерживает большие нагрузки, но зато имеет низкий акустический шум.
- Тип редуктора:
планетарный. Особенностью является высокий передаточный момент и способность выдерживать большие нагрузки.
волновой. Его особенность – высокое передаточное отношение, прецизионная точность позиционирования вала, плавность хода.
Для каждой линейки типовых сервоприводов существует свой определенный набор характеристик.
Особенности устройства сервопривода переменного тока
В данном сервоприводе вращение ротора имеет ту же частоту, что магнитное поле, возникающее на обмотках статора. На него подаётся трёхфазный ток, который запускает двигатель.
На контроллер по первому входу подаётся сигнал от датчика (энкодера) с высокой разрешающей способностью. Сигнал сравнивается с задающим сигналом. По результату сравнения, в случае рассогласования, контроллер выдаёт сигнал, который приводит электродвигатель в движение. Так продолжается, пока значения сигналов не совпадут.
Способы управления canOpen, Ethercat
Для управления высокоскоростными сервоприводами используется открытый сетевой протокол CANopen, который устанавливается поверх протокола промышленной сети EtherCAT.
CANopen применяется в быстродействующих систем управления перемещением и регулировочных контуров с обратной связью. Сеть обеспечивает высокую надёжность, оптимальную пропускную способность, электропитание сервопривода по сетевому кабелю. Её популярность связана с небольшой стоимостью оборудования, с совместимостью с большим количеством устройств и приложений, а также простотой реализации.
EtherCAT — современный протокол для промышленного интернета. Это самый быстрый способ передачи данных в автоматизированных системах. В этой сети обмен данным может быть организован на любом Ethernet-контроллере с соответствующим ПО. Это сетевой протокол реального времени со свойством детерминирования, то есть событие произойдёт в четко указанный промежуток времени.
EtherCAT обеспечивает скорость обмена данными до 100 Мбит/с на расстояние до 100 метров. Сеть снабжена распределенными синхронизированными часами, поэтому для неё характерно очень низкое дрожание
Процесс рекуперации
Рекуперация имеет место в случаях, когда меняется знак момента нагрузки в отношении вращающего момента сервомотора. При небольшой энергии рекуперации происходит её накопление на конденсаторах блок постоянного тока. Напряжение на них повышается.
При большой разнице максимальных значений нагрузки и сервомотора напряжение на конденсаторах станет превышать предельный уровень. Тогда энергия рекуперации сбросится в тормозной резистор.
Сравнение с шаговым двигателем. Преимущества и недостатки
Приводы с серводвигателями имеют большой список положительных особенностей. При сравнении с шаговыми они выделяются по целому ряду преимуществ.
- Прецизионная точность позиционирования.
- Использование редуктора позволяет повышать крутящий момент и понижать число оборотов.
- Быстрая коррекция положения вала после регулировки перемещения исполнительного механизма путем простого внесения изменений в программу.
- Хорошо совмещаются с быстродействующими устройствами благодаря развитию больших ускорений.
- Могут поддерживать равномерный крутящий момент на всей протяженности рабочего диапазона.
- Отлично переносят температурные, физические и иные нагрузки на протяжении довольно продолжительного времени эксплуатации.
Всё-таки сервоприводы не являются идеальными устройствами, их невозможно применять абсолютно везде, потому что у них есть и недостатки.
• Быстрый износ резистивных дорожек (модели с потенциометрами).
• Более высокая стоимость по сравнению с шаговым приводом.
• Сложная в настройке программа, которая служит для того, чтобы обеспечить высокую точность.
Преимуществ больше, и они важнее недостатков, поэтому сервоприводы имеют такую высокую популярность в разных областях жизнедеятельности.
Где применяются сервоприводы
Устройства нашли своё применение в разнообразном автоматическом оборудовании, роботизированных устройствах, установках и технологических линиях.
- Промышленные роботы и манипуляторы.
- Автоматизированные станки.
- Оборудование для подъёма, перемещения грузов и упаковки.
- Исполнительные механизмы особой точности.
- Автоматические трансмиссии автомобилях.
- Бытовые роботы.
Использование сервоприводов повышает производительность и точность промышленных установок. Они автоматизируют технологические процессы, исключая вмешательство человека.
Как выбрать сервопривод
Для выбора сервопривода необходимо тщательно проанализировать технологические требования, провести расчеты скорости и момента. После этого выбрать нужное устройство исходя из технических характеристик и экономической эффективности.
Следующий по важности параметр прибора – точность позиционирования. Её значение не должно быть выше предельной погрешности положения исполнительного инструмента или его перемещения. Точность определяют по количеству импульсов с датчиков за один оборот вала. Чем их больше, тем обеспечивается более точное положение вала.
Кроме точности позиционирования, диапазона изменения момента и скорости, также учитывают:
- Тип интерфейсов, которые поддерживаются при обмене данными. Протоколы должны быть идентичны интерфейсам системы.
- Скорость отклика – промежуток времени между генерацией управляющего сигнала и полной его отработкой.
- Конструктивное исполнение. Выбирают по классу влаго- и пылезащищенности на основании условий использования.
- По электрическим характеристикам выбирают, основываясь на свойствах электрической сети.
- Дополнительные функции, нужные при намерении применять сервоприводы в специфических областях.
Сервоприводы помогают создать возможность управления по алгоритмам любого уровня сложности с высокой точностью перемещения. В промышленности применение этих устройств в технологическом оборудовании даёт высокий экономических эффект. Они расширяют возможности станков, манипуляторов, увеличивая их точность. Сервоприводы позволяют существенно увеличить уровень автоматизации производства.