Сервоприводы. Основы, характеристики, проектирование

Подождите немного. Документ загружается.

Практика приводной техники. Том 7

7 Применение в промышленных условиях

7.1 Требования к электрической сети

В промышленной сети напряжение имеет синусоидальную форму. Нестабильность обычно не

имеет места. Преобразователи могут работать при большинстве типов промышленной сети (TN, TT

и т.д.).

Колебания напряжения могут оказывать влияние на работу преобразователя. В рабочем диапазоне

номинальных напряжений это влияние отсутствует. Если этот диапазон превышается,

преобразователь должен быть отключен во избежание его повреждения. Если значение

напряжения понижается, двигатель работает не с заданными номинальными параметрами.

Изменение частоты напряжения сети имеет второстепенное значение.

Путем применения сетевых дросселей и защитных отключающих устройств исключается влияние

на сервопреобразователь пиков напряжения, которые вызываются, например, не имеющими

дросселей компенсационными устройствами реактивной мощности.

7.2 Указания для двигателя

Выбор двигателя иллюстрируется примером проектирования. Двигатель и преобразователь должны

быть настроены для совместной работы.

Серводвигатели обычно имеют естественную вентиляцию. Отвод тепла происходит путем

конвекции, покраска и загрязнение оказывают на этот процесс влияние.

Серийно выпускаемые двигатели имеют защиту класса IP65. Длительный вращающий момент

нагрузки может быть увеличен в 1,6 раза путем введения принудительного охлаждения.

7.3. Прокладка кабелей

Свойства и прокладка проводов играют большую роль при введении сервопривода в работу.

Сечение проводов должно быть определено через значение протекающего тока, чтобы ограничить

падение напряжения в них допустимым значением. Другие критерии должны быть получены из

соответствующих инструкций.

Прокладка проводов в специальных кабельных каналах или на специальных креплениях требует

большой тщательности. Пространственное разделение между силовыми проводами и проводами

электроники уменьшают электромагнитное влияние. Экранированные провода существенно

уменьшают электромагнитные помехи в установке.

7.4 Электромагнитная совместимость (ЭМС)

Электромагнитная совместимость компонентов установки и всей установки черезвычайно важна.

Допустимые соотношения устанавливаются соответствующими стандартами на ЭМС.

Классифицируются не только уровень помех (эмиссия), но и помехоустойчивость. Все

преобразователи SEW защищены от помех и могут использоваться в промышленных условиях. Для

защиты рекомендуется применять экранированные провода и сетевые фильтры (рис.52).

Обязательно должны быть экранированы провода от резольвера. Заземление экрана служит

защитой от многих влияющих факторов. Дополнительные указания содержатся в специальных

руководствах и эксплуатационной документации.

7.5 Интерфейсы для внешнего управления

Различные каналы сервопреобразователя доступны для управления и регулирования. Сигналы

обратной связи от сервопреобразователя могут передаваться на управляющие устройства

верхнего уровня (такие, как ПЛК или внешнее управление положением). Здесь важно, чтобы

интерфейс приложения соответствовал следующим стандартам:

Интерфейс Уровень сигнала

Двоичные входы ‘’1’’ +13 В ... 24 В ... 30,2 В

Аналоговые входы -10 В ... +10 В

RS-232 в соответствии со стандартом RS-232

RS-485 в соответствии со стандартом RS-485

Модель импульсного датчика в соответствии со стандартом RS-422 TTL

Интерфейсы промышленных сетей в соответствии со стандартом приложения

(Profibus, InterBus-S, CAN bus )

Практика приводной техники. Том 7

Применение

в промышленных условиях

Сеть

Сетевые предохранители

Сетевой пускатель

Сетевой дроссель

Сетевой фильтр

Провода подключения двигателя

Экран заземлен с обеих сторон

(в данном случае через Y- конденсатор,

чтобы препятствовать образованию

контура тока на землю).

Сигнальные провода прокладывать

отдельно от проводов к двигателю.

Клеммная сборка

в распределительном шкафу

Разрывы экрана сделать короткими

Рис. 52. Прокладка проводов, соответствующая требованиям электромагнитной

совместимости

К мощным двоичным выходам могут непосредственно подключаться стандартные реле или

небольшие пускатели. Достоинством релейного выхода привода является то, что при выходе из

строя реле управляющая им электроника не нуждается в замене.

Входы электрически развязаны с помощью оптронов, обладающих высокой помехозащищенностью,

и могут управляться непосредственно от контроллера (ПЛК) и т.п.

Сетевой модуль

Компактный

сервопреоб-

разователь

Осевой модуль

Сервоприводы. Основы, характеристики, проектирование

Практика приводной техники. Том 7

Через стандартный интерфейс RS-232 от персонального компьютера (PC) параметры

преобразователя могут легко настраиваться и устанавливаться. Следующий рисунок представляет

гибкое использование преобразователя с промышленным оборудованием.

Рис. 53. Интерфейсы

Дискретные входы/ выходы:

Свободно программируются для определенных функций

Аналоговые входы:

Сигнал задания для скорости, момента, ограничения тока

Аналоговые выходы:

Выходы значений параметров процесса

Последовательный интерфейс:

RS-232/RS-485 для связи с PC, для связи с процессом

Модель импульсного датчика:

Сигнал приращения положения для внутреннего/

внешнего регулятора

Интерфейсы промышленных сетей:

Для связи с процессом

Рис. 53 показывает возможные конфигурации системы.

• Прямое соединение между сервопреобразователем и уровнем датчиков и привода (конечные

выключатели, указатели давления, сенсоры и т.п.). Простейшие задачи могут решаться без

связи с ПЛК или с устройством управления позиционированием.

• В более сложных установках обычно предусматривается управление верхнего уровня

(контроллер, ПЛК). Связь между сервопреобразователем и ПЛК обычно осуществляется на

уровне входов/ выходов. Для задания аналогового управления ПЛК должен иметь аналоговый

выход. Для отображения данных, настройки параметров, обмена данными возможна

организация связи через последовательный интерфейс или интерфейс промышленной сети.

Уровень датчиков и привода может подключаться непосредственно или через ПЛК.

• Там, где надо решать задачи управления положением, часто используются модули, входящие в

ПЛК, или самостоятельные системы. Модель импульсного датчика, входящая в

сервопреобразователь и используемая в качестве сигнала приращения истинного значения для

модулей позиционирования, расширяет возможности , приведенные в пункте 2.

• Наряду с встроенным в ПЛК, управление положением может быть реализовано в

сервопреобразователе в виде дополнительного модуля или программно. При этом предписанное

значение передается на преобразователь в дискретной форме. Соединение может быть

выполнено на уровне входов/выходов сервопреобразователя, с помощью последовательного

интерфейса либо интерфейса промышленной сети.

7.6 Определения привязки к процессу

7.6.1 Классификация по конфигурации привода

• Одноосевая структура предъявляет ограниченные требования к управлению верхнего уровня.

Типовым является применение регулирования положения с использованием дискретных входов/

выходов для контроля привода.

• Многоосевая структура:

− точка за точкой;

− синхронное управление;

− угловая синхронизация;

− управление траекторией.

При многоосевой структуре рабочий процесс определяет сложность управления.

Взаимосвязанность и требования по точности при использовании совместно работающих

электроприводов приводит к необходимости выбора соответствующего многоосевого управления.

Контроллер

(ПЛК)

Датчик / привод

Сервопреобразователь

Управление

позиционированием

Практика приводной техники. Том 7

Применение

в промышленных условиях

7.6.2. Различие по источнику сигнала задания для регулятора скорости

• Задание предписанного значения без привязки к процессу (управление):

− внутреннее дискретное задание на панели MD_SHELL “Настройка” (Test/Commissioning);

− аналоговое регулирование скорости или момента с помощью потенциометра;

− аналоговое регулирование скорости с переключением сигнала задания в зависимости от

положения или времени.

• Задание предписанного значения с привязкой к процессу:

− аналоговое задание предписанного значения для внешнего управления положением

(разомкнутое или замкнутое регулирование);

− дискретное задание через внутренний API/APA 12;

− дискретное задание для внешнего управления положением через интерфейс промышленной

сети.

7.6.3 Различие по типу и месту установки датчика положения

При применении управления положением нужно измерять истинное значение положения

соответствующим датчиком. Место установки определяется в зависимости от уровня помех,

разрешающей способности датчика и допустимой точности. При выборе датчика надо обращать

внимание на его совместимость с системой управления положением. Для большинства приложений

допустимо использовать встроенную в сервопреобразователь модель импульсного датчика.

• Датчики положения:

− модель импульсного датчика приращений на основе сигнала резольвера;

− внешний датчик приращений, используемый в рабочем процессе (транспортируемый

материал, лента транспортера и т.п.);

− датчик абсолютного значения на двигателе.

7.7 Условия окружающей среды

Условия окружающей среды для двигателя и сервопреобразователя должны рассматриваться

отдельно. Максимальный диапазон температуры окружающей среды:

Двигатель: -25

С ... 40

С при 100% M

максимально

=60

С при 75% M

;

Сервопреобразователь: 0

С ... 45

С при 100% P

максимально

=60

С при 55% P

Другие условия окружающей среды определяются из указаний по проектированию.

7.8. Ввод в эксплуатацию и оптимизация параметров регуляторов

Ввод в действие и оптимизация параметров регуляторов производится сегодня так же, как ПЛК,

ЧПУ и т.п. с помощью PC и соответствующих программных средств. Программные средства должны

быть простыми, обозримыми и удобными в использовании.

Прежде чем вводить в эксплуатацию систему сервопривода, нужно произвести монтаж

компонентов в соответствии с данными по проектированию.

Если подводящие провода проложены в соответствии с предписаниями, соединены и

экранированы, можно начинать подготовку системы к работе.

7.8.1 Настройка регуляторов с помощью интерфейса программы MD_SHELL

Описанный здесь интерфейс программы позволяет пользователю легко выполнить первичную

проверку, которая включает основные установки регулятора скорости, определяемые из проектных

данных, в режиме меню.

• Выбрать пункт меню ’’Commissioning’’ (’’Ввод в эксплуатацию’’) из меню ’’Parameters’’

(’’Параметры’’).

• Ввести необходимые данные:

• тип двигателя;

• номинальную скорость;

• наличие тормоза;

• демпфирование контура регулирования скорости;

• жесткость контура регулирования скорости;

• шаг квантования по времени;

• привод без люфта/ c люфтом;

• момент инерции нагрузки на валу двигателя;

• наименьшее требуемое время ускорения.

Сервоприводы. Основы, характеристики, проектирование

Практика приводной техники. Том 7

После нажатия на клавишу [F2] последует вычисление всех необходимых параметров и установка

граничных значений для данного привода. С базовой установкой регулятора скорости, приведенной

ниже, привод можно вводить в действие.

Рис. 54. Меню ’’ Ввод в действие’’

Как правило, базовая установка обеспечивает приемлемый результат. Для дальнейшей

оптимизации имеются в распоряжении следующие вспомогательные средства:

• Для визуализации переходного процесса используется программа MD_SCOPE, реализующая

осциллограф с цифровой памятью. С помощью этой программы можно вывести на экран PC

осциллограммы сигнала задания, истинных значений и т.д., сохранить и распечатать их.

Одновременно можно менять параметры регулятора не выходя из программы.

• Настроить параметры регулятора можно без вспомогательной программы с помощью модуля

AI011 и осциллографа. Для этого надо соответствующим образом запрограммировать

аналоговые выходы модуля.

7.8.2 Оптимизация регулятора с помощью программы MD-SCOPE

Рис. 55 показывает

процесс изменения

соответствующих

измеряемых величин

(истинного значения

скорости, задания

тока, на выходе и

входе интегратора)

для настройки

параметров, рассчи-

танных с помощью

MD-SHELL. Привод

быстро достигает

заданной скорости,

имеет одно пере-

регулирование и

снова относительно

быстро достигает

установившегося

значения. С помощью параметров “Damping” (’’Демпфирование’)’ и “Stiffness” (’’Жесткость’’) можно

установить все параметры контура регулирования скорости.

Рис. 55. Регистрация процесса с помощью MD-SCOPE

Практика приводной техники. Том 7

Проектирование

8 Проектирование

8.1 Алгоритм проектирования сервопривода

Рис. 56. Алгоритм проектирования

Выяснить:

− технические данные

− граничные условия

− системные привязки

Расчет рабочего цикла

Диаграмма цикла (движения)

Выбор редуктора

Расчет:

− выходной скорости редуктора

− статического момента нагрузки

Выбор требуемой точности позиционирования

Определение передаточного числа

Выбор двигателя

− приведение момента и скорости к валу

двигателя

− определение момента инерции

− расчет динамического момента

Проверить:

− максимальный момент M

макс

< 3 x M

− требуемую скорость < n

− соотношение моментов инерции

внеш

двиг

< 10

− термическую нагрузку M

экв

< M

Проверить нагрузку редуктора

Модульный/

Компактный

Модульный

сервопривод

Компактный

сервопривод

Выбор сервопреобразователя MOVIDIN

− согласование двигателя и преобразователя

− необходимого пикового тока

− допустимой нагрузки Ifnt

Amax max

(,)=

Дополнительные модули

- Модули USS, AIO, NF ... и др.

Выбор осевых модулей MOVIDIN

− согласование двигателя и

преобразователя

− необходимого пикового тока

допустимой нагрузки

Ifnt

Amax max

(,)

Выбор сетевого модуля MOVIDIN

− необходимого тока промежу-

точного контура / мощности

− числа осей

− коэффициента одновременности

Выбор радиаторов

− расчет потерь мощности

− определение числа модулей

Дополнительные устройства

− сетевой дроссель

− кабель шины данных DBK

− модули (USS, AIO, NF ... )

Выбор тормозных сопротивлений

- дополнительный расчет тормозной

мощности и ПВ

Компоновка

Сервоприводы. Основы, характеристики, проектирование

Практика приводной техники. Том 7

8.2 Пример проектирования

Для трехосевого портала должен быть произведен выбор сервопривода и соответствующей

силовой электроники. Отдельные оси портала в соответствии с их пространственным

расположением обозначены:

Ось X

Ось движения, которая приводится через один вал двумя зубчатыми ременными передачами. Через

зубчатую ременную передачу перемещаются оба приводных узла Y и Z .

Ось Y

Ось движения, которая через зубчатую ременную передачу перемещает ось Z. Движение

направлено под углом

к оси X.

Ось Z

Ось подъема с передачей усилия через зубчатую рейку.

Рис. 57. Направление осей

Расчет ведется последовательно для каждой оси. Все расчеты базируются на представлении о

линейном разгоне и торможении. Другое требование состоит в том, чтобы применялись модульные

компоненты и тормозные сопротивления. Управление позиционированием выполняется ПЛК

(верхний уровень управления).

Внимание: Значком ’’*’’ обозначены расчетные данные на стороне двигателя.

8.3 Расчет для оси X (движение)

Задано:

= 453 кг - суммарная перемещаемая масса;

D = 0,175 м - диаметр зубчатого колеса ременной передачи;

= 0,2 - коэффициент трения;

s = 2 м - длина перемещения;

max

= 2,5 м/c - максимальная скорость движения;

max

= 10 м/c

- максимальное ускорение;

= 2,1 с - время цикла;

∆s

± 0,1 мм

- погрешность механизма;

∆s

± 0,2 мм

- требуемая суммарная погрешность;

= 0,90 - коэффициент полезного действия механизма

8.3.1 Цикл движения

До выбора подходящего привода необходимо определить цикл перемещения. Для осей движения X

и Y достаточно определить только одно направление движения (1 ... 4).

Практика приводной техники. Том 7

Проектирование

Рис. 58. Цикл движения

Время ускорения и замедления t

== =

max

025

Время движения t

с постоянной скоростью v

max

()

sat

−⋅ ⋅

−⋅

210 025

055

max

Общее время движения t и время паузы t

.c 05.1c 05.1c 1.2ttt

,c 05.1c 55.0c 25.02tt2t

=−=−=

=+×=+×=

8.3.2 Скорость выходного вала редуктора, передаточное число редуктора и погрешность

позиционирования

Скорость выходного вала редуктора n

⋅

−

max

ππ

0175

4 547 272 8

c об / мин

Передаточное число редуктора i

Для обеспечения требуемой погрешности позиционирования выбран планетарный редуктор с

входной скоростью 3000 об/мин.

мин

setp

3000

272 8

110

об

, выбрано передаточное число i = 10

nni

.=⋅= ⋅272 8 2728 об / мин 10 = об

мин

Погрешность позиционирования (статическая)

∆s = ∆s

+ ∆s

∆

, где:

∆s

- погрешность позиционирования, определяемая погрешностью редуктора;

∆s

- погрешность позиционирования, определяемая разрешающей способностью

импульсного датчика;

∆s

- погрешность позиционирования, определяемая механизмом;

∆s

⋅

⋅= →±

360

0175

360

01 0 153

οο

мм 0.076 мм

где

==601'.

для стандартного планетарного редуктора (одноступенчатого),

см. планетарный редуктор PSF в каталоге SEW;

Участок 1

Участок 2

с теми же данными

Сервоприводы. Основы, характеристики, проектирование

Практика приводной техники. Том 7

мм013.0

104096

м175.0

±=⋅

⋅

π⋅

±=

⋅

π⋅

±=∆ ,

где p = 4096 импульсов на оборот (дискретность датчика);

()()

(

)

∆s =± +± +± =± ±0 076 0 013 01 0189.... мм мм мм мм < 0.2 мм .

Погрешность позиционирования удовлетворяет требованиям задания

8.3.3 Момент нагрузки на выходе редуктора и выбор редуктора

Ускорение, динамический момент

Mma

dyn L

453 10

0175

=⋅ ⋅⋅= ⋅ ⋅⋅ =

max

кг

440.42 Нм

Установившееся движение, статическая нагрузка

=⋅⋅⋅⋅=⋅

⋅µ⋅⋅=

м 175.0

9.0

2.081.9кг 453

qmM

LLstat

86.41 Нм

Замедление, динамический момент

Mma

dyn L L

453 10 0 9

0175

=⋅− ⋅⋅= ⋅− ⋅⋅ =() ( ).

max

η кг

-356.74Нм

Моменты нагрузки в циклах движения

Участок ускорения:

MM M

stat dyn1

=440.42 Нм + 86.41 Нм = 526,83 Нм,

Установившийся режим:

stat2

=86.41 Нм,

Участок замедления:

MM M

stat dyn3

=86.41 Нм - 356.74 Нм = -270.33 Нм

Максимальный момент М

определяет требуемый момент редуктора М

amax

и, следовательно, его

размеры.

Выбран редуктор - PSF 701, i = 10, М

amax

= 800 Нм. с соединительной муфтой ’’EB10’’.

8.3.4 Моменты нагрузки и моменты инерции, приведенные к валу двигателя

При определении моментов приведенных к валу двигателя, необходимо учитывать КПД редуктора,

и собственный момент инерции редуктора.

Данные редуктора (см. каталог PSF- Планетарные редукторы)

Одноступенчатый редуктор

PSF 701/ EB 10:

097.

Jкгм

.=⋅

−

28 51 10

(приведенный к валу двигателя)

Моменты нагрузки в цикле движения (приведенные к валу двигателя)

Участок ускорения:

526 83

097 10

=⋅

⋅

=⋅

⋅η

Нм = 54.31 Нм

Установившийся

режим:

86 41

097 10

=⋅

⋅

=⋅

⋅η

Нм = 8.91 Нм

Участок замедления:

G33

270 33 0 97

..=⋅⋅=− ⋅ ⋅η Нм = -26.22 Нм

Приведенные к валу двигателя дополнительные моменты, обусловленные моментом

инерции редуктора

Участок ускорения

97.0с 25.060

27282кгм1051.28

t60

n2J

мин

об

мин

⋅⋅

⋅π⋅⋅

η⋅⋅

⋅π⋅

−

= 3.36 Нм

Дополнительный момент M

на участке установившегося движения равен нулю

Участок замедления

Практика приводной техники. Том 7

Проектирование

с 25.060

97.027282кгм1051.28

t60

n2J

мин

об

мин

⋅

⋅⋅π⋅⋅

⋅

η⋅⋅π⋅

−

= -3.16 Нм

Момент инерции поступательно перемещающейся массы, приведенной к валу двигателя













⋅⋅













⋅=













⋅













⋅=

мин

об

мин

max

мин

2728

5.2

кг453

0.0347 кгм

8.3.5 Выбор двигателя и среднеквадратичный момент

При выборе двигателя должны соблюдаться следующие условия:

а)

mot

ext

(соотношение моментов инерции)

Отношение момента инерции нагрузки к моменту инерции двигателя с учетом требований техники

регулирования не должно превышать 10.

б)

Omax

<⋅3

Максимальная динамическая нагрузка привода не должна превышать трехкратный номинальный

момента двигателя.

в)

permrms

MM <

Среднеквадратичный момент за цикл не должен превышать номинальный момент двигателя,

определяемый из его характеристик (

perm

определяется на основе M

и характеристик

двигателя).

г)

.≈⋅09

Максимальная ожидаемая скорость должна составлять 90% от номинальной для обеспечения 10%

запаса для управления.

Первоначально двигатель выбирается без учета собственного момента инерции. Выбор должен

быть подтвержден перерасчетом с учетом момента инерции двигателя.

=+=+=

22*

ext

кгм 0028.0кгм 0347.0JJJ 0.0375 кгм

;

MMM

Gmax

***

..=+ = + =

54 31 3 36 Нм Нм 57.67 Нм.

Представленный расчет является предварительной оценкой. Момент двигателя приблизительно

определяется по выражению

≥

max

. Делитель в последнем неравенстве находится на основе

опыта эксплуатации и лежит в приделах 2÷3.

Выбран двигатель: DFY 112 LB

Номинальные параметры:

об

мин

= 3000

= 35 Нм

Jкгм

mot

=⋅

−

148 10

Расчет момента нагрузки на валу двигателя за цикл с учетом момента инерции двигателя

Участок разгона:

=++=

⋅

π⋅⋅

++= н“ 91.16н“ 36.3н“ 31.54

t60

2nJ

MMM

мин’

mot*

mot1

74.58 Нм

Установившийся

режим:

mot2

8.91 Нм

Участок

торможения:

=−−−=

⋅

π⋅⋅

−+= н“ 91.16н“ 16.3н“ 22.26

t60

2nJ

MMM

мин

mot*

mot3

-46.29Нм

Среднеквадратичный момент и средняя скорость двигателя