Сервоприводы. Основы, характеристики, проектирование

Подождите немного. Документ загружается.

Практика приводной техники. Том 7

Рис. 39. Блок-схема модульного сервопреобразователя

4.3.1 Исполнение осевого модуля

Функции управления, обработка данных (обработка сигналов резольвера, регулятор тока) и опции

(дополнительные клеммы, управление положением) выполнены в осевом модуле по модульному

принципу. Преимущество такого исполнения состоит в том, что путем замены платы управления

и/или платы обработки данных можно ввести в действие другой способ управления (например,

частотное U/f- управление или векторное управление). Рис. 41 показывает связи в осевом модуле.

Функции отдельных блоков раскрыты в дальнейшем описании и в описании структур регулирования.

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

Сетевой модуль

Осевой модуль

24 В

внеш

Рис. 40. Связи в осевом модуле Рис. 41. Подключение модулей

Дополнит. клеммы вход/ выход

Управление позиционированием

Промышленные интерфейсы

Допол-

нитель-

ные

модули

Инве

то

Плата

обработки

анных

Регулятор

тока

Р/Ц преоб-

разователь

Регулятор

тока

Плата

управления

Коммуникации

Контроль

Разомкнутое и замк-

нутое регулирование

Сигналы

управления

Управление

позициони-

рованием

ополнит.

клеммы

вх/ вых

+Uзпт

-Uзпт

зад

вход

выход

Связь

через ин-

терфейсы

ЦПУ

Movidyn

ЦПУ/ IPOS

Movidyn

регулятор

Практика приводной техники. Том 7

Сервопреобразователь

Силовой инвертор

Силовой инвертор получает питание U

ЗПТ

через промежуточный контур. Силовые транзисторы

переключаются таким образом, что с выхода осевого модуля на двигатель поступает широтно-

модулированное напряжение. Скважность импульсов при этом определяется задающим сигналом

регулятора тока. Это широтно-

модулированное напряжение определяет в

двигателе ток, который за счет

индуктивности двигателя и подводящих

проводов оказывается синусоидальным.

Параллельно каждому силовому

транзистору включены диоды. Эти диоды

предотвращают повреждение инвертора

перенапряжением, возникающим при

переключениях индуктивной нагрузки.

Через них накопленная энергия

возвращается на вход инвертора, т.е.

происходит обмен реактивной энергией

между двигателем и преобразователем. Рис. 42. Силовой инвертор

Задачи платы обработки данных

Эта плата выполняет функции:

• обработки сигналов резольвера;

• моделирования импульсного датчика;

• регулирование тока.

Обработка сигналов резольвера и

моделирование импульсного датчика

описаны в последующих главах.

Регулирование тока выполнено

аналоговым. Настройка регулятора тока

выполняется заводом и согласована с

определенным типом двигателя.

Задачи платы управления

На плате управления располагается

микроконтроллер и его периферия. Главными

функциями микроконтроллера являются:

• регулирование скорости;

• управление торможением;

• регулирование положения (опция);

• обширные функции контроля величин,

характеризующих процесс, входов/ выходов,

контрольные функции;

• соединение с платой обработки данных и платой

опций через шину на задней стенке;

• обмен данными с другими осевыми модулями.

4.3.2 Дополнительные модули (опции)

Расширение Входов/Выходов модулем АI011

Модуль AI011 расширяет возможности управления и контроля с помощью дополнительных

аналоговых входов и стандартного интерфейса.

Управление позиционированием API / APA и IPOS

С помощью управления позиционированием могут быть легко реализованы замедление движения,

точный подход к точке позиционирования и удержание (регулирование положения).

Преимуществами этого дополнительного модуля, который работает совместно с различными

системами датчиков, являются:

• малое место, занимаемое в распределительном шкафу;

• питание от сервопреобразователя;

• дискретное задание скорости;

• программирование через имеющиеся в осевом модуле последовательные интерфейсы RS-232

и RS-485;

• передача управляющих сигналов через дискретные входы и выходы непосредственно от

процесса и для управления процессом.

При встроенном управлении позиционированием IPOS разъем для дополнительных модулей

свободен. Это позволяет использовать другие модули (например, PROFIBUS, INTERBUS-S и др.).

Промышленные интерфейсы

Для важнейших промышленных интерфейсов, распространенных в технике автоматизации,

имеются интерфейсные модули подключения (например, PROFIBUS, INTERBUS-S, CAN-BUS). Эти

модули могут быть легко установлены в свободный разъем платы управления.Через плату

интерфейса промышленной сети между управлением верхнего уровня и сервопреобразователем

могут передаваться управляющие сигналы, данные процесса и параметры системы.

Сервоприводы. Основы, характеристики, проектирование

Практика приводной техники. Том 7

5 Структуры регулирования / Режимы работы

Во многих применениях электрический сервопривод используется для регулирования положения.

При этом регуляторы скорости и тока подчинены регулятору положения, чтобы получить хорошие

динамические характеристики.

Рис. 43. Структура регулирования в сервосистеме

Сигналом управления для сервопривода является задаваемое извне требуемое значение

положения. Разница между заданным и истинным значениями положения является входной

величиной регулятора положения, который формирует на выходе сигнал задания скорости

двигателя

зад

Заданное и истинное значения скорости сравниваются на входе регулятора скорости. Их разность

обрабатывается в пропорционально-интегральном регуляторе скорости.

Выходной сигнал регулятора скорости образует сигнал задания тока и, чтобы защитить двигатель и

инвертор, подводится к схеме ограничения, выходной сигнал которой снова представляет собой

сигнал задания для регулятора тока. Истинное значение тока с помощью выпрямителя

превращается в сигнал постоянного тока. Регулятор тока сравнивает заданное и фактическое

значения тока и через широтно-импульсный модулятор образует управляющие сигналы, которые

поступают на входы силовых транзисторов инвертора.

Исходя из требований быстродействия регулятор тока выполнен аналоговым. Все остальные

задачи регулирования, управления и контроля выполняются микроконтроллером.

5.1 Регулятор тока

Регулятор тока выполнен как пропорционально-интегральный. Входным сигналом является разница

между заданным и истинным значениями тока фазы двигателя, выходным - напряжение управления

для широтно-импульсного модулятора, который путем сравнения синусоидального сигнала с

сигналом треугольной формы формирует широтно-модулированное напряжение, которым

управляется инвертор.

Истинное значение тока на выходе инвертора измеряется с помощью измерительного

преобразователя постоянного тока и подается на узел сравнения на входе регулятора тока.

Регулятор тока является регулятором внутреннего контура и должен быть быстродействующим, так

как все внешние по отношению к нему контура имеют быстродействие, зависящее от

быстродействия контура тока.

На выходе регулятора тока предусмотрены блоки ограничения, с помощью которых задание тока

ограничивается на максимальном уровне.

Максимальный ток при этом определяется следующими тремя факторами:

• тепловой моделью инвертора (защита выходной ступени при низкой частоте);

• ограничением через внутренние параметры;

• ограничением через внешние параметры.

Представленная на рис.44 блок схема показывает регулятор тока с учетом этих трех ограничений.

Регулятор

положения

Ред

кто

Наг

ру

зка

РК преобразователь

(резольвер-код)

ШИМ Регулятор

тока

Регулятор

ско

ости

Датчик

абсолютного

значения

Резольвер

Практика приводной техники. Том 7

Структуры регулирования /

Режимы работы

Рис. 44. Регулятор и ограничения тока

Ограничение за счет тепловой модели существенно только в диапазоне частот 1,5 Гц. Внутри этого

диапазона частоты ток должен быть ограничен, т.к. времена протекания тока в оконечной ступени

слишком велики, что приводит к ее термической перегрузке.

В нормальном режиме выходная ступень выдерживает до 150% от номинального тока. При

частотах ниже 1,5 Гц этот предел уменьшается до 100% Iн. Если двигатель работает при частотах

до 1,5 Гц, ток свыше 100% Iн допускается лишь кратковременно. При превышении разрешенного

времени перегрузки максимальное значение тока должно быть меньше 100%.

Ограничение через внутренние параметры служит также для защиты двигателя. Значение

параметра выставляется в зависимости от максимального тока двигателя в меню усилителя.

Максимальное значение лежит в приделах от 45 до 150% Iн.

Ограничение тока через внешнее задание возможно только с картой опций AI011.

Входным сигналом является напряжение от 0 до 10 В. Максимальному напряжению этого

диапазона, т.е. 10В, соответствует предельный ток двигателя 100% Iн . Устанавливают новое

значение верхнего предела рабочего диапазона выходного сигнала и соотносят это напряжение к

10В. Полученный таким образом коэффициент умножают на установленный предельный ток и

получают новой значение максимального тока. Найденное новое значение максимального тока

может быть меньше и равно предельному, соответствующему 10В входного сигнала.

Принимается во внимание ограничение с наименьшим заданием.

Пример: Максимальный ток двигателя (3 I

) составляет 110% номинального тока преобразователя

и частота, при которой работает двигатель, превышает 1,5 Гц.

Технические требования для внешнего задания максимального тока известны и на аналоговый вход

для внешнего задания подано напряжение 8 В.

• Ограничение на основе тепловой модели не существенно, т.к. двигатель не работает при

частотах менее 1,5 Гц.

• Внутренний параметр запрограммирован на 110% номинального тока, что соответствует

максимально допустимому току двигателя.

• Внешнее значение максимального тока задано напряжением 8 В. В отношении к максимально

возможному напряжению на этом входе 10 В, коэффициент составляет 0,8 (80%). На этот

коэффициент должен быть умножен внешне заданный максимальный ток:

0,8 x 110% Iн = 88% Iн.

Наименьшее из всех является значение максимального тока на аналоговом входе, которое

составляет

88% ⋅ I

5.2 Регулятор скорости

Чтобы регулирование скорости могло осуществляться в широком диапазоне, необходимо с высокой

точностью поддерживать малые скорости. Для этого необходим датчик положения ротора с высокой

разрешающей способностью и как можно более короткий цикл опроса. Последнее требует высокой

скорости обработки сигнала и, как следствие, мощного процессора.

внутр. задание

через параметр

(

… 1

50%)

Uвнеш./10В х

х Параметр х Iн

ара

х Iн

Пе

ег

ру

зка

Тепловая

модель

Ток двигателя

Исполь-

зование

Частота двигателя

внеш. задание в

виде напряже-

ния (0

…10В)

Силовая

часть с

регулято

ром тока

Максимальный ток

Выбор мини-

мальной

величины

Iза

Сервоприводы. Основы, характеристики, проектирование

Практика приводной техники. Том 7

Рис. 45. Регулятор скорости

Регулятор скорости является внешним по отношению к регулятору тока. Он получает задание

скорости от:

• системы управления положением;

• аналогового входа;

• сети связи осевых модулей;

• последовательного интерфейса.

Регулятор скорости выполнен как ПИД- регулятор. Все три составляющие параметров регулятора

настраиваются раздельно. Дифференцирующая составляющая из-за сложности настройки и

оптимизации в большинстве случаев устанавливается на нуль, чтобы уменьшить возможные

колебания привода.

5.2.1 Фильтры контура скорости

Фильтр задающего сигнала скорости

Фильтр на входе задающего сигнала необходим, когда:

• аналоговый входной сигнал содержит помехи;

• сигнал задания скорости поступающий с выхода системы управления положением в результате

квантования по времени или уровню имеет ступенчатый характер.

Следующие диаграммы показывают характер изменения сигнала задания скорости и момента

двигателя в системе без фильтра и с фильтром (идеальные характеристики).

Рис. 46. Фильтр задающего сигнала

зад.

ист.

Задатчик

интенсив-

ности

Регулятор

скорости

Фильтр

истинного

значения

зад.

без фильтра желаемое состояние (с фильтром)

зад

дв

Фильтр

задающего

сигнала

Практика приводной техники. Том 7

Структуры регулирования /

Режимы работы

На диаграмме (рис.46) показано, что сигнал задания без фильтра представляет собой ступенчатую

зависимость, поступающую от системы управления положением, в результате чего двигательный

момент выглядит как импульсная функция. Там же для сравнения показана полученная в

результате применения фильтра плавная зависимость сигнала задания скорости и

соответствующая ему зависимость момента.

Фильтр истинного значения скорости

Фильтр в канале обратной связи по скорости необходим, чтобы сглаживать помехи, которые

вызывают колебания скорости особенно в нижней части диапазона.

Постоянные времени фильтров должны быть выбраны так, чтобы не ухудшать динамику системы

электропривода. Слишком большая постоянная времени фильтра приводит к ухудшению

динамических показателей электропривода.

5.2.2 Регулятор скорости с упреждающим каналом

Целью применения упреждающего канала является улучшение протекания переходных процессов

при ускорении двигателя. Благодаря дополнительному упреждающему сигналу процесс ускорения

заканчивается быстрее. Упреждение действует только в определенной области и не оказывает

влияния на процессы регулирования в системе при нормальной работе или при реакции на скачок.

Упреждающий канал применяется, если должны обеспечиваться быстрые процессы ускорения. Он

включается параллельно регулятору скорости.

Рис. 47. Регулирование скорости с упреждающим каналом

Сигнал задания скорости с задатчика интенсивности фильтруется в фильтре упреждающего

канала, после чего поступает на дифференцирующее звено. В зависимости от изменения скорости

во времени на выходе дифференцирующего звена формируется определенный выходной сигнал.

Если его значение превосходит порог чувствительности упреждающего канала, он подается на

пропорциональное звено. Воздействием на пропорциональное звено устанавливается сигнал при

упреждении. Выходной сигнал с пропорционального звена подается на узел ограничения тока.

Когда темп нарастания сигнала на выходе интегратора снизится, форсирующий канал запирается и

в процессе управления снова участвует только регулятор скорости.

Если электропривод используется без упреждающего канала, то в регуляторе скорости

формируется большая интегрирующая составляющая, что ведет к перерегулированию.

зад.

ист.

Задатчик

интенсив-

ности

Регулятор

скорости

Фильтр

истинного

значения

Фильтр

задающего

сигнала

зад.

Фильтр

упреждаю-

щего канала

Упреждающий

канал

Ограничение

упреждающего

канала

Упреждение

(диф. звено)

Коэффициент

пропорцио-

нальной части

упреждающего

канала

Сервоприводы. Основы, характеристики, проектирование

Практика приводной техники. Том 7

5.3 Регулятор положения

Регулятор положения выполнен как чисто

пропорциональный регулятор. Наличие

интегрирующей части приводило бы к

недопустимому перерегулированию при подходе к

точке позиционирования. Интегральная часть

подчиненного регулятора скорости служит для того,

чтобы уменьшить статическую ошибку

регулирования (например, при нагрузке).

Удерживающее регулирование

Удерживающее регулирование представляет собой вариант регулирования положения. Его задача

состоит в удержании первоначального положения при воздействии на привод возмущений

(например, при нагрузке и разгрузке подъемного механизма) без внешнего задания положения.

Удерживающее регулирование является специальной функцией, которая активизируется двоичным

входом. Если на входе существует логическая единица, на входе регулятора скорости подается

задающий сигнал ’’n = 0’’. Привод тормозится с ускорением, заданным значением постоянной

времени интегратора. При достижении в первый раз скорости, равной нулю, запоминающее

устройство запоминает значение положения. Одновременно выход регулятора положения

подключается к выходу регулятора скорости. Теперь система замкнута по положению при сигнале

задания с запоминающего устройства.

Рис. 49. Удерживающее регулирование

5.4 Режимы работы

Сервопреобразователь может использоваться в двух режимах:

• регулирование скорости;

• регулирование момента.

5.4.1 Регулирование скорости

Система регулирования скорости состоит из контура скорости с включенным на входе блоком

ограничения, с помощью которого поступающий задающий сигнал ограничивается значением,

соответствующем максимальной скорости. Когда привод достигает максимальной скорости, он

поддерживает ее.

Если двигатель перегружен, то ток достигает значение тока ограничения и привод не увеличивает

скорость до заданного значения. Если нагрузка продолжает увеличиваться, двигатель

останавливается. Это произойдет, если включена функция ‘’контроль скорости‘’ или сработает

контроль температуры инвентора.

Рис. 48. Регулятор положения

Регулятор

положения

зад.

ист.

зад.

ист.

зад.

Задатчик

интенсив-

ности

Регулятор

положения

зад.

Нулевая постоянная времени

задатчика интенсивности

Запоминание

положения

Устанавливаемая постоянная

времени интегратора

ист.

n=0

(первый раз)

да

Практика приводной техники. Том 7

Структуры регулирования /

Режимы работы

5.4.2 Регулирование

момента

Прямое регулирование

момента сервопривода

применяется в основном при

так называемом

’’последовательном токовом

регулировании’’ в режиме

’’ведущий- ведомый‘’.

При этом ведомый получает в

качестве задающего сигнала

реальное значение тока

ведущего. Оба привода при

этом механически соединены

(например, общим валом).

Ведомый создает при этом

такой же момент, как и

ведущий, обеспечивая

распределение нагрузки

между обоими приводами.

Другое применение

регулирования момента -

намоточные устройства.

При регулировании момента

регулятор скорости ограничен,

т.е. находится постоянно в

отключенном состоянии. При

этом ограничение тока

задается через сигнал

задания момента, т.е. задания

тока. В зависимости от знака

сигнала задания момента в

качестве сигнала задания

момента используется сигнал

ограничения скорости

max

вправо или

max

влево.

В режиме регулирования

момента скорость в

нормальном случае не

достигает значения

max

, так

как работает ограничение

тока. Установившийся ток

соответствует сигналу

задания тока. Двигатель при

этом работает в режиме

регулирования момента.

Если момент нагрузки

недостаточен, чтобы

достигнуть задания тока,

двигатель ускоряется до

скорости

max

Смещение

Наклон хара

теристики U/f

Интерфейс PC

Интерфейс сети

Задатчик

интенсив-

ности

Ограниче-

ние

ско

ости

Фильтр

упреждаю-

щего канала

Ограничение

макс. тока

Фильтр

задающ.

сигнала

преждаю-

щий канал

Регулятор

скорости

Фильтр ист.

значения

Регулятор

тока

Инвертор Двигатель Резольвер

Определение

сигнала

ско

ости

Усилитель

Выбор

источника

сигнала

задания

Ограничение

упреждающего

канала

Коэффициент

пропорц. части

упреждающего

канала

зад.

ИСТ

нало-

говый

вход

Рис. 50. Регулирование скорости

Сервоприводы. Основы, характеристики, проектирование

Практика приводной техники. Том 7

6 Редукторы

Важнейшей частью мотор- редуктора является редуктор как элемент, преобразующий момент и

скорость.

6.1 Требования сервотехники к редуктору

• малый момент инерции;

• малый люфт;

• большая жесткость на скручивание;

• высокий КПД;

• малая склонность к колебаниям (балансировка).

Малый момент инерции - необходимое условие реализации динамичного привода. Динамичность

редуктора и высокий КПД особенно важны в приводах, в которых требуются большие ускорения.

В приводах с регулированием положения требуются возможно меньшие люфты и деформации

скручивания, так как при относительно больших угловых ошибках невозможно точное

позиционирование.

6.2 Общий обзор передач

Рис. 51. Обзор передач

В зависимости от направления передачи усилия различают редукторы с параллельным или

коаксиальным расположением валов и угловые редукторы. В первом случае входной и выходной

валы располагаются в одной плоскости. Передача усилия происходит по прямой линии. В угловых

редукторах входной и выходной валы расположены перпендикулярно друг другу и передача усилия

идет под прямым углом. Ниже описываются редукторы, используемые в сервотехнике.

6.2.1 Цилиндрические редукторы

Так как цилиндрические редукторы просты в изготовлении и не дороги, они являются наиболее

распространенными редукторами. При простой и жесткой конструкции они вполне пригодны для

решения многих задач в сервотехнике.

В плоских цилиндрических редукторах входной и выходной валы расположены параллельно друг

другу и привод получается коротким и узким, благодаря чему такой привод применяется там, где

важна экономия места. При параллельном расположении валов выходной вал выполняется обычно

полым. Это является преимуществом, например, в приводах движения, где через вставленную ось

усилие одновременно передается на оба ведущих колеса.

Передачи

Точные Не точные

Колесные

передачи

Цилиндрические

редукторы

Планетарные

редукторы

Конические

редукторы

С зубчатым

ремнем

Ременные

передачи

Цепные

передачи

С зубчатой

цепью

С роликовой

цепью

не используются для

автоматизированных

осей, так как из-за

проскальзывания не

обеспечивают точной

передачи положения

Практика приводной техники. Том 7

Редукторы

6.2.2 Планетарные редукторы

В динамичных приводах часто применяются низколюфтовые не подверженные скручиванию

планетарные редукторы.

Благодаря распределению мощности между несколькими планетарными колесами достигается

большая плотность мощности и поэтому меньшие затраты на монтаж. Из-за оптимальной геометрии

зацепления и жестких допусков при изготовлении планетарные редукторы обеспечивают малые

углы скручивания (от 3 до 10 угловых минут). Диаметры валов гарантируют весьма высокую

жесткость на скручивание и поэтому обеспечивают хорошую точность позиционирования.

Планетарные редукторы имеют малые потери при КПД, равном 97% (в одноступенчатом редукторе)

или 94% (в двухступенчатом) при рабочей температуре 80

С. Они малошумные и не требуют

большого обслуживания.

6.2.3 Конические редукторы

Особо компактные решения могут быть реализованы с помощью конических редукторов, при

которых передача усилия происходит под прямым углом.

В конических редукторах выходные валы выполняются как полыми, так и сплошными.

6.3 Сравнение различных типов редукторов для сервотехники

Цилиндрический

редуктор

Планетарный

редуктор

Конический

редуктор

Плотность мощности

средняя большая средняя

Передаточное число

одной ступени

малое,

приблизительно

i = 1 ... 8

среднее,

приблизительно

i = 4 ... 10

малое,

приблизительно

i = 1 ... 8

Люфт при скручивании

средний малый до очень

малого

средний

Угол скручивания

на выходном валу

α = 12`…18` α = 3`…10` α = 12`…18`

Жесткость при

скручивании

средняя большая средняя

Шумность

средняя низкая средняя