Сервоприводы. Основы, характеристики, проектирование

Подождите немного. Документ загружается.

Практика приводной техники. Том 7

прибор - на 24 В постоянного тока. И выпрямитель, и управляющий прибор устанавливаются в

электрошкафу, а не в клеммной коробке двигателя.

Тормозной выпрямитель представляет собой однополупериодный выпрямитель с отключающим

элементом для защиты от перенапряжения и встроенной управляющей электроникой для

сокращения времени реакции тормоза.

Время реакции тормоза

Габариты двигателя 56B 71B 90B 112B

Тормозной момент [Нм]

2,5 3 6 10 15 12 20 30 40 17,5 35 60 90

Время отпускание тормоза

(время реакции

) [мс]

7 10 12 16 20 13 15 18 22 11 14 22 35

Время наложения тормоза

(время реакции

) [мс]

5 95 45 20 8 28 20 13 10 130 60 32 20

Для подключения на 24 В постоянного тока имеется тормозной управляющий прибор BSG. По

своим функциям он соответствует выпрямителю BME с той разницей, что при питании постоянным

током отпадает надобность в выпрямителе.

Рис. 20. Управление тормозом

Рис. 20 показывает тормозной выпрямитель для установки в электрошкафу. Тормозной

выпрямитель отключается со стороны постоянного и переменного тока, что обеспечивает быстрое

наложение тормоза. При использовании этого типа выпрямителя обеспечивается также быстрое

возбуждение тормоза.

Более детальная информация по тормозам приводится в 4-м томе руководства ’’Практика

приводной техники’’.

Электрошкаф

То

моз

Соединитель

тормоза

Практика приводной техники. Том 7

Резольвер

3 Резольвер

3.1 Конструктивное исполнение и принцип действия

Резольвер работает на принципе вращающегося трансформатора и состоит из ротора с обмоткой и

статора с обмотками. Обмотки статора образуют с обмотками ротора трансформатор. Отличие от

вращающегося трансформатора состоит в наличии на статоре двух сдвинутых друг относительно

друга на 90

обмоток.

Резольвер служит для измерения абсолютного значения положения вала двигателя в пределах

одного оборота. Кроме того, из сигнала резольвера может быть получено значение скорости и

сигнал импульсного датчика для регулирования положения (позиционирования).

Рис. 21. Резольвер Рис. 22. Схематическое устройство

Ротор резольвера закрепляется на валу двигателя. Чтобы иметь возможность передать первичное

напряжение на ротор, не используя щеточный контакт, на статоре и роторе предусмотрены

дополнительные обмотки, с помощью которых первичное напряжение на роторную обмотку

передается на трансформаторном принципе. Дополнительная обмотка и рабочая обмотка на

роторе соединены между собой электрически, поэтому напряжение возбуждения передаваемое со

статора на ротор через дополнительную обмотку будет приложено и к рабочей обмотке (обмотке

возбуждения) ротора.

неподвижная вращающаяся неподвижная

Рис. 23. Эквивалентная схема резольвера

cтатор

ро-

тор

cтатор

неподвижная

Сервоприводы. Основы, характеристики, проектирование

Практика приводной техники. Том 7

В зависимости от положения ротора в рабочих обмотках статора индуктируются напряжения с

изменяющейся в функции угла поворота ротора амплитудой. В обмотке статора, через которую

проходит полный поток возбуждения (γ = 0

см. рис. 22) напряжение U

максимально. При повороте

ротора на угол γ = 90

напряжение U

уменьшается до нуля. Затем напряжение U

вновь возрастает

до максимума с другой фазой при γ = 180

. Таким образом, напряжение U

имеет огибающую,

изменяющуюся по закону косинуса. Напряжение U

второй рабочей обмотки сдвинуто относительно

на 90

и имеет при γ = 0

нулевое значение. Это напряжение достигает максимума при 90

затем снова уменьшается до нуля при γ = 180

. Следовательно напряжение U

изменяет свою

амплитуду по закону синуса.

Выходные напряжения U

и U

в зависимости от входного напряжения U

меняются следующим

образом:

Вход:

UU t

=⋅sinω (опорное напряжение)

Выход:

UU t

⋅

⋅sin cosωγ;

UU t

=⋅ ⋅sin sinωγ,

где

γ - угловое положение ротора;

- круговая частота входного напряжения U

;

- амплитудное значение входного напряжения.

Рис. 24. Выходные напряжения резольвера U

и U

3.2 Обработка и использование сигнала резольвера

Сигнал резольвера преобразуется в дискретное число в преобразователе ’’резольвер-код’’ (РК-

преобразователь) серводвигателя. Это цифровое значение подвергается дальнейшей обработке,

чтобы получить добавочную информацию. Во-первых, РК - преобразователь выдает информацию

об угловом положении ротора. Во-вторых, одновременно, можно определить скорость двигателя,

если считать импульсы в течении определенного времени и затем усреднить значение скорости.

В-третьих, можно два младших разряда использовать:

− для определения направления движения;

− для управления позиционированием.

Рис. 25. Обработка сигнала резольвера

Генератор опорной частоты (см. Рис. 26) через статорную обмотку подает на ротор переменное

напряжение около 10 В при частоте около 7кГц. Дискретное значение числа на реверсивном

счетчике 6 преобразуется цифро-аналоговым преобразователем 5. Выходные сигналы

и U

Резольвер

Опорный

сигнал

Обработка

Контроль

Обработка

сигнала

Положение

ротора

Скорость

Импульсы

(опорное)

(cos)

(sin)

бит

Практика приводной техники. Том 7

Резольвер

статора резольвера умножаются на синус и косинус измеренного значения. Тогда значение на

реверсивном счетчике представляет собой угол

. В результате получаются напряжения:

sincostsinUU

S1F

⋅

⋅= ;

cossintsinUU

S2F

⋅

⋅= .

В усилителе 2 оба этих сигнала вычитаются друг из друга. Результат представляет собой разность

(ошибку) между углом

ϕ и фактическим углом γ . Ошибка получается в виде:

)sincoscos(sintsinUU

SFD

⋅

−

⋅

⋅=

или после преобразования:

UU t

FD S

=⋅ ⋅ −sin sin( )ωγϕ.

В фазочувствительном выпрямиителе 3, который включен за вычитателем 2, этот сигнал

демодулируется, чтобы исключить несущую частоту. Образовавшийся на выходе выпрямителя

сигнал

пропорционален sin( )

ϕ− .

Это напряжение действует на одном из входов РК - преобразователя и на вход интегратора 4.

Последний интегрирует напряжение ошибки, которое поступает в дальнейшем на вход генератора

ГУН 7, управляемого напряжением.

Если между углами γ и ϕ есть разница, то интегратор 4 образует на своем выходе выпрямленное

напряжение, с помощью которого ГУН 7 вырабатывает импульсы, поступающие в реверсивный

счетчик 6.

Рис. 26. Блок схема преобразователя ’’резольвер - цифра’’

Элементы со 2 -го по 7 образуют замкнутый контур. На выходе УНО 7 сигнал в форме напряжения

Рис. 26. Блок схема преобразователя ’’ резольвер - код’’

Элементы со 2 -го по 7-й образуют замкнутый контур. На входе ГУН 7 сигнал в форме напряжения

постоянного тока существует до тех пор, пока разность между

и не сводится к нулю, что означает:

γϕ = .

При этом дискретный сигнал реверсивного счетчика соответствует аналоговому значению угла

резольвера.

При непрерывном вращении резольвера ГУН7 вырабатывает импульсы до тех пор, пока цифровое

значение на реверсивном счетчике не совпадет с аналоговым значением углового положения

ротора на входе, т.е. пока изменение углового положения ротора не будет уравновешено. Частота

ГУН7 при этом пропорциональна скорости двигателя и резольвера. Из этого следует, что выходное

напряжение интегратора также пропорционально скорости.

Преобразователь ’’резольвер - код’’ на выходе имеет пропорциональное скорости напряжение

а также информацию об оборотах резольвера.

Эта схема реализована как интегрирующий контур, причем опорный генератор 1 подключен извне.

Ошибка сигнала резольвера пренебрежимо мала (< 0,05%).

Интегратор

Реверсивный

счетчи

Умножени

на синус

Фазочувстви-

тельный

выпрямитель

Генератор опорной частоты

Статор

Умножени

на косину

ЦАП

ГУН

Резольвер Обработка и использование сигнала

ПОЛО-

ЖЕНИЕ

(12 бит)

Сервоприводы. Основы, характеристики, проектирование

Практика приводной техники. Том 7

3.3 Моделирование импульсного датчика

С помощью модели импульсного датчика из имеющихся выходных сигналов резольвера

формируется шесть каналов, которые используются для управления позиционированием. Это

каналы А, В и С и их инверсные сигналы

, B и C.

Модель импульсного датчика обеспечивает 1024 импульса на оборот. Путем сложения сдвинутых

на 90

импульсов можно получить при позиционировании 4096 импульсов на оборот.

Рис. 27. Моделирование импульсного датчика

Импульсы канала А и канала В сдвинуты на

друг относительно друга. Если положительные

фронты импульсов канала А опережают таковые канала В, то двигатель имеет правое направление

вращения. Если наоборот канал В опережает канал А, направление вращения левое.

Канал С при переходе через нулевое положение выдает один импульс за полный оборот.

Направление вращения двигателя можно определить с помощью двух младших разрядов (LSB -

least significant bits) схемы обработки сигналов.

По часовой

стрелке

(вправо)

Против

часовой

стрелки

(влево)

Таблица функционирования

двух младших разрядов

При правом вращении (положительное направление вращения) счетчик в преобразователе

’’резольвер - код’’ работает на увеличение числа. Это соответствует прочтению таблицы

функционирования сверху вниз. При каждом переходе младшего разряда с 1 на 0 изменяется также

значение разряда 2

Если направление вращения двигателя изменяется и двигатель вращается в левом направлении,

то таблицу функционирования надо читать снизу вверх. В этом случае при изменении младшего

разряда с 1 на 0 состояние разряда 2

не изменяется.

0 0

0 1

1 0

1 1

Практика приводной техники. Том 7

Сервопреобразователь

4 Сервопреобразователь

Сервопреобразователь служит для регулирования скорости и момента серводвигателя. Сегодня

это, как правило, преобразователь, имеющий дискретное управление и обладающий следующими

преимуществами перед аналоговым:

• длительный срок службы;

• отсутствие дрейфа;

• простые коммуникации с внешними устройствами;

• легкое выполнение математических операций.

Сервопреобразователи выполняются в виде компактных преобразователей (так называемое

моноблочное устройство), а также в модульном исполнении.

Рис. 28. Сервопреобразователь в модульном

исполнении

Рис. 29. Компактный

сервопреобразователь

Компактный преобразователь удобен тем, что поставляется в виде комплектного изделия. При этом

отпадает необходимость дополнительных соединений между отдельными компонентами привода,

что необходимо при модульном исполнении.

Преимущество модульного исполнения (в виде сетевого модуля и осевого модулей) состоит в

возможности построения многодвигательного привода. При таком многоосевом использовании

через один сетевой модуль могут работать несколько осевых модулей. При этом мощность сетевого

модуля определяется суммарной мощностью подключенных осевых модулей.

В дальнейшем рассматривается дискретный сервопреобразователь в модульном исполнении.

4.1 Основные компоненты модульной системы

Сетевой модуль Осевой модуль 1 Осевой модуль 2 Осевой модуль n

Выпрямитель

Промежуточное

звено (пост. тока)

Тормозной

прерыватель /

звено возврата

энергии в сеть

Инвертор

Центральное имп.

у-во питания 24В

Импульсный

блок питания

Импульсный

блок питания

Импульсный блок

питания

Интерфейсы Коммуникации Коммуникации Коммуникации

Управляющая

электроника

Управляющая

электроника

Управляющая

электроника

Рис. 30. Структура модульного сервопреобразователя

Сервоприводы. Основы, характеристики, проектирование

Практика приводной техники. Том 7

Сервопреобразователь в модульном исполнении состоит из:

• сетевого модуля;

• осевого модуля.

Сетевой модуль служит для обеспечения питанием подключаемых осевых модулей через

промежуточный контур (звено постоянного тока) и для питания управляющей электроники. Он

содержит также тормозной прерыватель или инвертор обратного тока, различные элементы защиты

и коммуникационные интерфейсы (RS-232, RS-485).

Осевой модуль регулирует скорость и момент одного серводвигателя. Он содержит необходимые

для этого инвертор, управляющую электронику, жестко специализированные и свободно

программируемые двоичные входы и выходы, аналоговые входы и выходы, выход для модели

импульсного датчика и свободные места для дополнительных модулей (опций).

Количество осей, которые могут быть подключены к сетевому модулю, ограничивается:

• мощностью сетевого модуля,

• мощностью элементов для подключения к сети,

• максимальной тормозной мощностью,

• длиной проводников шины промежуточного контура (звена постоянного тока), проводов шины

данных (помехозащищенность) и шин питания 24 В.

Рис. 31. Силовая часть сервопреобразователя

Силовая часть сервопреобразователя выполнена по принципу инвертора напряжения с

промежуточным контуром (звеном постоянного тока). Это означает, что конденсатор

промежуточного контура поддерживает постоянное напряжение. Выходные инверторы выполнены

на транзисторах IGBT. Их достоинством являются малые потери при переключении, простое

управление, низкие потери в самом транзисторе и высокая допустимая частота переключений.

4.2 Сетевой модуль

Сетевой модуль подключается к сети переменного тока через сетевой дроссель. Диапазон

напряжений: 3 х 380... 500 В. Сетевой дроссель совместно со схемными решениями в силовой

части инвертора полностью заменяет обычно используемые устройства для ограничения бросков

пускового тока. Он минимизирует влияние преобразователя на сеть и составляет часть устройств

защиты преобразователя от периодических перенапряжений в сети.

В сетевом модуле реализованы функции контроля следующих показателей;

• перенапряжение в промежуточном контуре (звене постоянного тока);

• потеря фазы питающего напряжения;

• замыкание на землю;

• перегрев;

• перегрузка тормозного прерывателя.

Сетевой модуль Осевой модуль

Практика приводной техники. Том 7

Сервопреобразователь

Рис. 32. Блок схема модульного сервопреобразователя

4.2.1 Выпрямитель и защита от перенапряжений

В сетевом модуле предусмотрена защита от перенапряжений, чтобы пики напряжения,

возникающие в сети, в частности, при включении индуктивной или емкостной нагрузки, не

повредили модуль.

Эта защита выполнена с помощью конденсаторов, газовых разрядников и варикапов.

Рис. 33. Выпрямитель и защита от перенапряжений

Выпрямитель выполнен по трехфазной мостовой схеме. Напряжение на промежуточном контуре

(звене постоянного тока

) U

ЗПТ

= √ 2 U

4.2.2 Промежуточный контур и возврат энергии в сеть

При торможении привода кинетическая энергия превращается в электрическую и возвращается в

промежуточное звено. Так как конденсатор в промежуточном звене обладает ограниченной

емкостью, напряжение в промежуточном звене повышается. Чтобы привод мог тормозится, должно

быть гарантировано, что энергия торможения будет отведена.

Поэтому необходимо избыточную энергию аккумулировать или преобразовывать в другую форму.

Принципиально существует три возможности:

• возврат в сеть (использование электрической энергии другим пользователем);

• тормозной прерыватель и тормозное сопротивление (преобразование энергии в тепло);

• обмен энергией при многоосевом исполнении (использование энергии другими подключенными

двигателями).

Сетевой

дроссель

Защита Выпря- Промежу- Тормоз-

от перена- митель точное ной пре-

пряжения звено рыватель

Инвертор

Двигатель Резольвер

Контроль

Импульсное устройство

питания Uзпт → 24В

Питание 24 В

→24/

15/ +5В

Обработка

Управление

Опции

ЗПТ

-U

ЗПТ

Сетевой модуль

Осевой модуль

24 В

внеш

Сервоприводы. Основы, характеристики, проектирование

Практика приводной техники. Том 7

4.2.2.1 Возврат энергии в сеть

Возврат энергии в сеть имеет то достоинство, что энергия торможения сохраняется как

электрическая.

Существуют различные возможности реализации возврата энергии, например, антипараллельный

мост. В этом случае сетевой выпрямитель дополняется инвертором, который управляется

синхронно с сетью. Если напряжение на промежуточном звене превысит напряжение на

выпрямителе, избыточная энергия возвращается в сеть.

Сетевой модуль Осевой модуль

Выпрямитель Инвертор Инвертор

Рис. 34. Возврат энергии в сеть

4.2.2.2 Тормозной прерыватель и тормозное сопротивление

В противоположность предыдущему случаю, при использование тормозного прерывателя

избыточная энергия не возвращается в сеть, а превращается в тепло в тормозном сопротивлении.

Если энергия торможения невелика, то использование тормозного прерывателя может оказаться

экономически более целесообразно, чем возврат энергии в сеть.

Рис. 35. Тормозной прерыватель Рис. 36. Характеристика переключения

тормозного прерывателя

4.2.2.3. Сравнение возврата энергии в сеть и применения тормозного прерывателя

Выбор наиболее подходящего метода использования энергии торможения необходимо делать в

зависимости от применения электропривода и особенностей управления.

Возврат энергии в сеть (инвертор) Тормозной резистор и прерыватель

Размещение

Встроен в сетевой модуль Тормозной прерыватель в сетевом

модуле, резистор отдельно или в

распределительном шкафу

Влияние на температуру

окружающей среды

Малое Выделение тепла в тормозном

резисторе

Монтаж проводников

Не требуется Подсоединение к резистору

Баланс энергии

Энергия используется Энергия превращается в тепло

Стоимость

Управляющая электроника, инвертор Управляющая электроника,

переключающий транзистор, тормозной

резистор, монтаж, провода

Затраты на электро-

магнитную совместимость

Малые Экранирование провода к тормозному

резистору

ЗПТ

Сигналы

управления

ЗПТ2

ЗПТ1

ЗПТ

Uзпт = напряжение звена постоянного

тока (промежуточного контура)

Практика приводной техники. Том 7

Сервопреобразователь

4.2.3. Последовательные интерфейсы

Через последовательный интерфейс RS-232, интегрированный в сетевой модуль, можно с

помощью PC настраивать параметры осевых модулей. Интерфейс RS-232 служит для связи между

двумя соединяемыми блоками, например, между PC и осевым модулем.

Совместно с интегрированным в сетевой модуль интерфейсом RS-485, интерфейс RS-232

обеспечивает параметрирование до 31-ой физической или 59-ти логических осей. Каждая ось

должна иметь свой адрес.

Рис. 37. Связь через последовательные интерфейсы

4.2.4 Питание электроники

Сетевой модуль содержит центральное

импульсное устройство питания (ИУП) для

питания электроники, которое, получая

напряжение от промежуточного контура, имеет на

выходе напряжение постоянного тока 24 В. Это

напряжение необходимо для питания

управляющей электроники. Одновременно все

подключенные к сетевому модулю осевые модули

обеспечиваются этим напряжением через шину

24 В.

Сетевой модуль позволяет дополнительно

подключить внешний источник 24 В. С помощью

этого источника при потере главного питающего

напряжения вся управляющая электроника

остается в работе и тем самым сохраняется

информация о положении ротора и сообщения об

ошибках. Кроме прочего, при использовании

привода с регулированием положения потеря сетевого напряжения не приводит к необходимости

обновлять задание. С использованием внешнего источника 24 В можно осуществлять установку

параметров и диагностику осевого модуля при отсутствии напряжения на промежуточном контуре.

4.3 Осевой модуль

Подключение осевого модуля к промежуточному контуру и защитным цепям заземления

выполняется через шины. Для обеспечения напряжения управляющей электроники используется

отдельный источник 24 В. Для соединения с PC или с управляющим устройством более высокого

уровня (контроллером) в нижней части устройства предусмотрена шина данных, недоступная

напрямую для пользователя.

Осевые модули могут использоваться в режиме регулирования скорости и момента. Они

формируют синусоидальный выходной ток, что и на низких скоростях гарантирует плавное

движение с малыми пульсациями момента. Поэтому минимизируются потери в двигателе и

обеспечивается хорошее использование двигателя по мощности.

Установка параметров (параметрирование) осевого модуля и дополнительных модулей (опций)

осуществляется с помощью PC через стандартный интерфейс RS-232 или от управляющего

устройства верхнего уровня (контроллер) через интерфейс RS-485. Дополнительные шины

интерфейса также доступны для установки параметров.

Сетевой модуль Осевой модуль

Рис. 38. Питание 24 В

ИУП