Что такое сервопривод в станке

Термин «сервопривод» происходит от латинского слова servus, которое переводится как «слуга» или «помощник».

Так называют любой тип механического привода с устройством обратной связи по положению, скорости или усилию, а также сам привод, который выполняет функцию автоматического регулирования заданного параметра.

Сервоприводы находят широкое применение в станко­строении, производстве упаковочных, фасовочных и разливных машин, робототехнике — в общем, когда требуется высокая точность передвижения исполнительного органа.

В данной статье мы не будем рассматривать гидравлические сервоприводы и под сервоприводом будем понимать электропривод с отрицательной обратной связью.

Есть два типа таких сервоприводов: вращательного и линейного движения. Для вращательного движения используют асинхронные и синхронные электродвигатели, а для линейного в основном применяют механическую передачу в виде шариковинтовой пары с кареткой, перемещающейся по рельсам, линейные актуаторы и линейные серво­двигатели.

Как мы уже отмечали выше, сервоприводы обеспечивают точное передвижение исполнительного органа.

Но о какой степени точности может идти речь? Если точность вращательного движения измеряется в градусах, то целесообразнее применять сервоприводы на базе асинхронных электродвигателей, где роль устройства обратной связи играет встроенный или помещенный на вал энкодер, а роль привода исполняет всем нам знакомый преобразователь частоты. Но если речь заходит о точности вращательного движения, исчисляемой в угловых минутах, и при этом переключение с прямого на обратное вращение происходит с высокой интенсивностью, то в таком случае оптимальным вариантом станут синхронные электродвигатели на постоянных магнитах. На рис. 1 показаны конструктивные особенности синхронных электродвигателей на примере продуктов компании Kollmorgen.

Рис. 1. Конструктивные особенности синхронных серводвигателей Kollmorgen

Управляются серводвигатели электронными устройствами, которые чаще всего называются сервоусилителями.

По своим свойствам серво­усилители похожи на преобразователи частоты, только с той разницей, что в них заложены сложные алгоритмы контура регулирования скорости, позиции и момента.

Сервоусилители содержат цифровые входы для устройств обратной связи и чаще всего работают лишь с определенными серводвигателями конкретного производителя.

Однако возможности современных сервоусилителей могут быть более широкими. Например, к устройствам Kollmorgen можно легко, по принципу plug and play, подключить серводвигатели (в том числе асинхронные и индуктивные, с устройствами обратной связи и без них) не только того же производителя, но и других компаний — при использовании моделей SERVOSTAR S700 (рис. 2).

Рис. 2. Электродвигатели, сопрягаемые с сервоусилителями Kollmorgen S700

Рис. 3. Технологии передачи движения

Преимущества прямых приводов

Развитие промышленного машино­строения и роботехники не стоит на месте, поэтому с каждым днем требования к точности и производительности устройств возрастают. Мы все чаще сталкиваемся с задачами, где точность измеряется уже в угловых секундах.

С этим современные сервоприводы справляются. Но также необходимо помнить об особенностях передаточных механизмов, таких как редуктор, ремень/шкив или кулачковый механизм.

Любой, даже самый прецизионный редуктор имеет люфт, у ременчатой передачи и кулачковых механизмов тоже есть погрешности, не говоря о том, что они увеличивают размеры привода, что в некоторых применениях особенно критично.

В связи с этим стоит задуматься о более высокоточной технологии передачи движения — технологии прямого (безредукторного) привода (рис. 3), которую мы рассмотрим на примере продукции Kollmorgen.

Само понятие «прямой привод» означает, что исполнительный орган непосредственно подключен к приводящему его в движение электродвигателю, т. е. не имеет передаточных элементов. Это относится как к вращательному, так и к линейному передвижению. Точность прямого привода можно оценить на следующем примере.

Серводвигатель с прецизионным редуктором имеет люфт в одну угловую минуту: это означает, что при полностью неподвижном приводе может произойти смещение исполнительного органа на такую величину. В то же время повторяемость серводвигателя со сквозным валом Kollmorgen DDR составляет более одной угловой секунды.

Таким образом, получается, что у серводвигателей с прямым приводом точность позиционирования в 60 раз выше, чем у мотора-редуктора.

Используя прямой привод, можно улучшить качество изготавливаемой продукции за счет следующих особенностей:

• более точная печать;
• раскрой и длина протяжки становятся точнее;
• более точная координация с другими осями машины;
• высокая точность при позиционировании;
• исключаются проблемы при настройке компенсации люфта.

Прямым приводам Kollmorgen свойственны и другие преимущества. Например, компоненты механической передачи накладывают ограничения на то, как быстро мы можем произвести запуск и останов исполнительного механизма. Из-за этих факторов понижается возможная пропускная способность машины, что напрямую влияет на ее производительность.

Прямой привод устраняет эти ограничения, позволяет значительно ускорить цикл «запуск/останов» и уменьшить время простоев. При этом пропускная способность оборудования может повыситься в два раза.

Следующим преимуществом является повышение надежности машины из-за исключения дополнительных элементов и механических передач.

При использовании прямого привода не нужно периодически обслуживать ремни и шкивы, заниматься их протягиванием, менять смазочные материалы в редукторе. Необходимы только серводвигатель со сквозным валом и крепежные болты.

Таким образом, исключаются многие детали, такие как: кронштейны, ограждения, ремни, шкивы, натяжители, муфты и др. В результате это позволяет:

• уменьшить количество деталей в спецификации;
• упростить сборку и сэкономить время на монтаж;
• снизить затраты (за счет того, что не требуется докупать лишние детали и их устанавливать).

Наконец, еще одним преимуществом прямых приводов можно считать уменьшение шума. К примеру, прямые приводы Kollmorgen имеют уровень шума всего лишь 20 дБ, что превосходит показатели сервосистем с механическими передачами.

Серии прямых приводов Kollmorgen

Рассмотрим особенности нескольких типов прямых приводов Kollmorgen.

Серия KBM (рис. 4) предназначена для непосредственного встраивания в машину, станок или робот.

Рис. 4. Конструктивные особенности сервомоторов со сквозным валом в бескорпусном исполнении серии KBM

Основные характеристики:

• полностью инкапсулированные обмотки статора;
• рабочая температура внутренней обмотки +155 °C;
• защита от перегрузки — PTC-термистор (лавинного типа);
• отказобезопасные ленты над роторными магнитами;
• соответствует RoHS;
• дополнительные блокирующие цифровые датчики Холла с предварительным выравниванием.

Сервомоторы Kollmorgen Cartridge DDR (рис. 5) сочетают в себе преимущества бескаркасного двигателя с простой установкой. Они оснащены устройством обратной связи с высоким разрешением. Уникальная конструкция без подшипников соединяется непосредственно с нагрузкой, используя собственные подшипники машины для поддержки ротора. Большинство моделей можно установить менее чем за пять минут.

Рис. 5. Конструктивные особенности сервомоторов со сквозным валом в корпусе и с датчиком обратной связи серии Cartridge DDR

Основные характеристики данных сервомоторов:

• 5 типоразмеров;
• доступны обмотки с напряжением 230/400/480 В переменного тока;
• 4,5–510 Нм непрерывного крутящего момента;
• скорость до 2500 об/мин;
• номинальные мощности 775–11 700 Вт;
• встроенный датчик обратной связи синусоидального сигнала обеспечивает разрешение более 134 млн меток на оборот;

встроенный термистор обеспечивает защиту от перегрева.

Последний пример — линейные прямые приводы Kollmorgen серии ICH (рис. 6). Они увеличивают пропускную способность на 40% по сравнению с другими системами привода и обеспечивают уменьшение веса и габаритов машины, станка или робота, в которых применяются.

Рис. 6. Конструктивные особенности линейных сервомоторов серии ICH

Основные характеристики:

• сила подачи 405–12726 Н (пик) и 175–5341 Н (непрерывная работа);
• рабочее напряжение — до 480 В переменного тока;
• встроенные цифровые датчики;
• совместим со всеми сервоусилителями и модулями безопасности и энергосбережения Kollmorgen.

Заключение

Сегодня на российском рынке представлено множество брендов, которые предлагают свои решения в области сервоприводов. Одной из таких компаний является Kollmorgen. Используя прямые приводы ее производства, можно повысить точность технологии передачи движения и пропускную способность оборудования, а также снизить затраты на детали и исправления погрешностей передаточных элементов.

Сервопривод. Сервоприводы с современными синхронными электродвигателями

Если еще совсем недавно синхронные электродвигатели применялись только в электроприводах большой мощности (во многих книгах экономически целесообразной мощностью называется мощность в 100 кВт и выше), при отсутствии необходимости регулировать частоту вращения и при длительном режиме работы, то в настоящее время эти, казавшиеся незыблемыми аксиомы, рушатся как карточный домик.

Сейчас современные синхронные двигатели в составе сервоприводов могут с успехом использоваться абсолютно во всех областях. И вполне может так сложится, что, как когдато частотно-регулируемый асинхронный электропривод в современных станках за очень короткое время практически полностью вытеснил двигатели постоянного тока из их традиционных областей применения, так и синхронный сервопривод может уже в самом ближайшем будущем стать эффективной заменой уже вполне привычном нам асинхронным электродвигателям, работающим в комплекте с частотными преобразователями. К этому есть все предпосылки. Единственное, что пока сдерживает триумфальное шествие синхронных сервоприводов — это их цена.

Давайте разберемся, чем так привлекательны современные сервоприводы использующие синхронные электродвигатели.

• Что такое сервопривод
• Где применяется сервопривод
• Достоинства сервопривода:
• Недостатки сервопривода:

Сервопривод — это система привода, которая в широком диапазоне регулирования скорости обеспечивает динамичные, высокоточные процессы и обеспечивает хорошую их повторяемость. Это система, предназначенная для отработки момента, скорости и позиции с заданной точностью и динамикой. Классический сервопривод состоит из двигателя, датчика позиции и системы управления, имеющей три контура регулирования (по позиции, скорости и тока). Слово «серво» произошло от латинского слова «servus», что переводится как слуга, раб, помощник. В машиностроительных отраслях они были преимущественно вспомогательными приводами (приводы подач в станках, приводы роботов и т.п.). Однако сегодня ситуация изменилась, теперь и главные приводы реализуются с использованием сервотехники. В настоящее время, сервоприводы применяются там, где недостаточно точности регулирования обычных общепромышленных преобразователей частоты. Применение высококачественных сервоприводов необходимо в высокопроизводительном оборудовании, где главным критерием является производительность. Сервоприводами оснащаются прецизионные системы поддержания скорости и позиционирования промышленных роботов и высокоточных станков. Сервоприводы также устанавливаются на координатно-сверлильных станках, на различных технологических транспортных системах, на различных вспомогательных механизмах и др. В приводах подач современных станков с ЧПУ обеспечивающих перемещения рабочих органов станка, на сегодняшний день применяются в основном шаговые двигатели либо сервоприводы. 1. Плавность и точность перемещений доступны даже на низких скоростях, разрешающая способность может выбираться пользователем в зависимости от решаемой задачи 2. Бесшумность работы 3. Надежность и безотказность, а следовательно, возможность использовать его в ответственных, не терпящих отказа устройствах. 4. Легкость монтажа конструкции. 1. Высокая стоимость 2. Сложность настройки, которая иногда делает применение сервопривода необоснованным. То есть, сервоприводы на базе синхронного электродвигателя (серводвигателя), в настоящее время, наиболее целесообразно применять там, где требуется привод с высокой точностью и большой максимальной скоростью. Двигатель такого привода имеет встроенный датчик положения вала сигнал с которого подаётся на серво усилитель, а это существенно повышает точность и динамику сервопривода. Для создания одно или много координатных систем позиционирования используется специальный контроллер позиционирования.

Синхронные серводвигатели — это трехфазные синхронные электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов и датчиком положения ротора. Отличительная особенность синхронных серводвигателей — высокая выходная мощность при любой скорости в сочетании с небольшими размерами.

Их основным достоинством является очень низкий момент инерции ротора относительно крутящего момента. Это позволяет реализовать очень высокое быстродействие.

Достижимо время разгона на номинальную частоту вращения за десятки миллисекунд и реверс с полной скорости в пределах одного оборота вала двигателя.

Устройство и принцип работы синхронных электродвигателей с датчиком положения ротора очень хорошо рассмотрены в статье д.т.н. В. Понкратова «Вентильный электропривод: от стиральной машины до металлорежущего станка и электровоза» («Электронные компоненты», #2 2007).

Серводвигатели могут различаться формой, размерами и конструкцией — от больших низкоскоростных прямопри-водных роторных двигателей с большим крутящим моментом до компактных устройств с малоинерционым ротором, обеспечивающим оптимальный разгон и торможение, безкорпусных двигателей, линейных двигателей, создающих большую тяговую силу при огромных ускорениях и скоростях.

Современные качественные серводвигатели выпускаются большим количеством производителей за рубежем. Фактически, каждая фирма выпускающая частотные преобразователе имеет в своем каталоге и ряд моделей севроприводов и севрводвигателей для них. Наииболее популярные модели синхронных серводвигателей выпускают немецкая LENZE (один из европейских лидеров в технологии привода и комплектных систем управления), Siemens, OMRON, Mitsubishi Electric, DELTA ELECTRONIСS и т. д.. На выпуске оригинальных моделей сервоприводов специализируются такие компании, как, Fagor Automation, Sew-Eurodrive, Rockwell Automation, Emerson Control Techniques, Baldor Electric и многие другие. Управление серводвигателем осуществляется при помощи специального блока, который получает сигналы от датчика обратной связи, встроенного в сервомотор. Блок управления обычно имеет множество опций для работы от ПК, встроенные интерфейсы позволяют использовать его в промышленности. Многочисленные настройки и нюансы работы обычно загружаются в привод через ПК. Далее возможна автономная работа и управление без компьютера.

Конкретный пример: сервоприводы семейства ‘Position Servo’ компании Lenze построены по принципу «все в одном». От простого управления моментом до возможностей встроенного контроллера PLC. Возможны различные режимы управления: моментом, скоростью вращения, ведущим-ведомым с электронным редуктором. Перегрузочная способность – 300% от номинального тока в течение 2 секунд.

Высокоскоростной обмен данными осуществляется по интерфейсам Ethernet или CANopen, датчики обратной связи – энкодер или резольвер. Сервоприводы Position Servo весьма компактны – привод на ток 12 А имеет габаритные размеры всего лишь 115 мм х 190 мм х 190 мм. По цене – сервопривод с синхронным вентильным двигателем на 3460 Вт, 3000 об.мин. (макс. 5000 об.мин.

), степени защиты IP65 стоит 2300 рублей.

«Что такое сервопривод?» — Яндекс Кью

ОтветитьУточнить

Сервопривод (следящий привод) — привод с управлением через отрицательную обратную связь, позволяющую точно управлять параметрами движения.

Сервоприводом является любой тип механического привода (устройства, рабочего органа), имеющий в составе датчик (положения, скорости, усилия и т. п.

) и блок управления приводом (электронную схему или механическую систему тяг), автоматически поддерживающий необходимые параметры на датчике (и, соответственно, на устройстве) согласно заданному внешнему значению (положению ручки управления или численному значению от других систем).

Проще говоря, сервопривод является «автоматическим точным исполнителем» — получая на вход значение управляющего параметра (в режиме реального времени), он «своими силами» (основываясь на показаниях датчика) стремится создать и поддерживать это значение на выходе исполнительного элемента.

К сервоприводам, как к категории приводов, относится множество различных регуляторов и усилителей с отрицательной обратной связью, например, гидро/электро/пневмо- усилители ручного привода управляющих элементов (в частности, рулевое управление и тормозная система на тракторах и автомобилях), однако термин «сервопривод» чаще всего (и в данной статье) используется для обозначения электрического привода с обратной связью по положению, применяемого в автоматических системах для привода управляющих элементов и рабочих органов.

Комментировать ответ…Комментировать…Сервоприводом называется такой привод, управление которым осуществляется через отрицательную обратную связи. Он необходим для того, чтобы контролировать параметры работы устройства. Внутри такого прибора установлен блок управления, датчики, двигатель, они все настроены на отслеживание определенных аспектов функционирования.

Сервоприводы бывают двух видов:
· Синхронные… Читать далееКомментировать ответ…Комментировать…В итоге нигде не нашел ответа, который дал бы краткое и точное определение. Поэтому попробую разъяснить.

Во-первых в российской электротехнической литературе (научной школе) нигде не используется подобное определение, которое пришло в обиход вместе с английской документацией (поэтому многие специалисты из смежных областей используют термин «мотор», вместо «двигатель»)…

Читать далееКомментировать ответ…Комментировать…Имею естественно научное образование, в юношестве прикипел к литературе, сейчас активно…

  · 24 янв 2019Проще говоря — механический привод с коррекцией состояния через обратную связь, которая, как правило, отрицательная, параметры задаются вручную оператором, выглядит вот так Читать далееКомментировать ответ…Комментировать…Здравствуйте! Количество символов не позволяет полностью раскрыть тему, поэтому вот так.

Если совсем просто -сервопривод обычно имеет следующие составляющие:
1. Привод — электрический мотор с редуктором.
2. Датчик обратной связи, энкодер или потенциометр, меняющий угол поворота вала.
3. Блок, отвечающий за управление и питание (частотник и другие его названия).
Может… Читать далееКомментировать ответ…Комментировать…IT-сфера.

В моей голове прекрасно укладывается то, что не лезет ни в одни ворота…   · 23 янв 2019Под сервоприводом чаще всего понимают механизм с электромотором, который можно попросить повернуться в заданный угол и удерживать это положение.

Если сказать полнее, сервопривод — это привод, в котором используется отрицательная обратная связь, позволяющая точно управлять параметрами движения исполнительного(выходного) звена привода (чаще всего это выходной вал)…. Читать далее26 декабря 2019Во-первых не мотор, а двигатель (у электротехников нет такого понятия, как мотор — есть электрические машины:… Читать дальшеПоказать ещё 1 комментарийКомментировать ответ…Комментировать…Ответы на похожие вопросыЧто такое сервопривод? — 3 ответа, задан 16 ноября 2017

Сервоприводом называется такой привод, управление которым осуществляется через отрицательную обратную связи. Он необходим для того, чтобы контролировать параметры работы устройства. Внутри такого прибора установлен блок управления, датчики, двигатель, они все настроены на отслеживание определенных аспектов функционирования.

Сервоприводы бывают двух видов:

· Синхронные. Они обеспечиваю поддержание определенной скорости вращения двигателя и ряда других характеристик. Дают необходимые показатели быстрее.

· Асинхронные. Даже на низких оборотах могут сохранить работу двигателя.

Кроме этого, в продаже на сайтах или в магазинах вы можете найти электромеханические и электрогидромеханичениские изделия, которые могут отличаться по основным рабочим параметрам.

Комментировать ответ…Комментировать…Что такое сервопривод? — 3 ответа, задан 16 ноября 2017Видеомонтаж  · 16 нояб 2017

To serve (сёрв) — в переводе с английского — обслуживать. Отсюда происходит слово «сервис» — обслуживание. 

Привод — это устройство, приводящее что-то в движение.

Сервопривод — обслуживающий, вспомогательный привод, например мотор, открывающий тяжелый люк или ворота или привод стеклоочистителей, привод стеклоподъемников…

Комментировать ответ…Комментировать…

Сервопривод

Вентильные двигатели – это синхронные бесколлекторные (бесщёточные) машины. На роторе находятся постоянные магниты из редкоземельных металлов, на статоре — якорная обмотка.

Коммутация обмоток статора осуществляется полупроводниковыми силовыми ключами (транзисторами) так, чтобы вектор магнитного поля статора был всегда перпендикулярен вектору магнитного поля ротора — для этого используется датчик положения ротора (датчик Холла или энкодер).

Фазный ток регулируется с помощью ШИМ-модуляции и может иметь трапецеидальную или синусоидальную форму.

Линейные серводвигатели

Плоский ротор линейного двигателя сделан из редкоземельных постоянных магнитов. По принципу действия он похож на вентильный двигатель.

Шаговые электродвигатели

В отличие от синхронных машин непрерывного вращения шаговые двигатели имеют на статоре явно выраженные полюса, на которых расположены катушки обмоток управления – их коммутация выполняется внешним приводом.

Рассмотрим принцип работы реактивного шагового двигателя, у которого на полюсах статора расположены зубцы, а ротор выполнен из магнитомягкой стали и тоже имеет зубцы.

Зубцы на статоре расположены так, что на одном шаге магнитное сопротивление меньше по продольной оси двигателя, а на другом – по поперечной.

Если дискретно возбуждать в определённой последовательности обмотки статора постоянным током, то ротор при каждой коммутации будет поворачиваться на один шаг, равный шагу зубцов на роторе.

Некоторые модели преобразователей частоты могут работать как со стандартными асинхронными двигателями, так и с серводвигателями.

То есть основное отличие сервоприводов не в силовой части, а в алгоритме управления и скорости вычислений.

Поскольку в программе используется информация о положении ротора, то у сервопривода есть интерфейс для подключения энкодера, установленного на валу двигателя.

Сервоконтроллер

В сервосистемах используется принцип подчинённого управления: контур тока подчинён контуру скорости, который в свою очередь подчинён контуру положения (см. теорию автоматического управления). Сначала настраивается самый внутренний контур – контур тока, потом – контур скорости и самым последним настраивается контур положения.

Контур тока всегда реализован в сервоприводе.

Контур скорости (как и датчик скорости) также всегда присутствует в сервосистеме, он может быть реализован как на базе встроенного в привод сервоконтроллера, так и внешнего.

Контур положения используется для точного позиционирования (например, осей подач в станках с ЧПУ). Если в кинематических связях между исполнительным органом (координатным столом) и валом двигателя нет люфтов, то координата косвенно пересчитывается по значению кругового датчика.

Если люфты есть, то на исполнительный орган устанавливается дополнительный датчик положения (который подключается к сервоконтроллеру) для прямого измерения координаты.

Те есть, в зависимости от конфигурации контуров скорости и положения подбирается соответствующий сервоконтроллер и сервопривод (не в любом сервоконтроллере можно реализовать контур положения!).

• Позиционирование (Positioning)
• Интерполяция (Interpolation)
• Синхронизация, электронный редуктор (Gear)
• Точное поддержание скорости вращения (шпиндель станка)
• Электронный кулачок (Cam)
• Программируемый логический контроллер.

В общем случае сервосистема (Motion Control System) может состоять из следующих устройств:

• Серводвигатель (Servo Motor) с круговым датчиком обратной связи по скорости (он же может выполнять функцию датчика положения ротора)
• Серворедуктор (Servo Gear)
• Датчик положения исполнительного механизма (например, линейный датчик координаты оси подач)
• Сервопривод (Servo Drive)
• Сервоконтроллер (Motion Controller)
• Операторский интерфейс (HMI).

Варианты аппаратно-программной реализации сервосистемы

• Сервосистема на базе ПЛК (PLC-based Motion Control)
• Функциональный модуль управления перемещением добавляется в корзину расширения ПЛК
• Автономный сервоконтроллер
• Сервосистема на базе ПК (PC-based Motion Control)
• Специальный софт Motion Control для планшетного ПК с пользовательским интерфейсом (HMI)
• Programmable Automation controller (PAC) с функцией управления перемещением
• Сервосистема на базе привода (Drive-based Motion Control)
• Преобразователь частоты со встроенным сервоконтроллером
• Опциональное программное обеспечение, которое загружается в привод и дополняет его функциями управления движением
• Опциональные платы с функциями управления движением, которые встраиваются в привод.

Типы серводвигателей

• Синхронные Компактные бесщёточные серводвигатели с возбуждением от постоянных магнитов (вентильные), обеспечивающие высокую динамику и точность.
• Асинхронные Приводы главного движения и шпинделей инструментальных станков.
• Прямой привод (Direct Drive)

Прямой привод не содержит промежуточных передаточных механизмов (шарико-винтовых пар, ремней, редукторов):

• Линейные двигатели (Linear Motors) могут поставляться вместе с профильными рельсовыми направляющими
• Моментные двигатели (Torque Motors) — синхронные многополюсные машины с возбуждением от постоянных магнитов, с жидкостным охлаждением, ротор с полым валом. Обеспечивают высокую точность и мощность на низких оборотах.

Преимущества серводвигателей

• Высокое быстродействие, динамика и точность позиционирования
• Высокомоментные
• Малоинерционные
• Большая перегрузочная способность по моменту
• Широкий диапазон регулирования
• Бесщёточные.

Преимущества линейных приводов

Отсутствие кинематических цепей для преобразования вращательного движения в линейное:

• Меньше инерционность
• Нет зазоров
• Меньше температурные и упругие деформации
• Меньше износ и снижение точности при эксплуатации
• Меньше потери на трение – выше КПД.

Точность

Микронная точность требуется в металлообрабатывающих станках с ЧПУ, а в штабелёрах достаточно и сантиметра. От точности зависит выбор серводвигателя и сервопривода.

• Точность позиционирования
• Точность поддержания скорости
• Точность поддержания момента.

Приводы и двигатели постоянного тока

Электродвигатели

Справочник | Приводное и электротехническое оборудование | Техпривод

Отличительной особенностью сервопривода является возможность управления через отрицательную обратную связь с использованием заданных параметров. Все оборудование данного типа можно разделить на две группы – сервоприводы постоянного тока и трехфазные сервоприводы переменного тока.

Устройство сервоприводов постоянного тока

Как правило, сервоприводы постоянного тока используются в маломощных устройствах позиционирования. Классическая область их применения – робототехника.

Конструкция современных сервоприводов довольно проста, но при этом весьма эффективна, так как позволяет обеспечить максимально точное управление движением. Сервопривод состоит из:

• двигателя постоянного тока
• шестерни редуктора
• выходного вала
• потенциометра
• платы управления, на которую подается управляющий сигнал

Двигатель и редуктор образуют привод. Редуктор используется для снижения скорости вращения двигателя, которую необходимо адаптировать для практического применения. К выходному валу редуктора крепится необходимая нагрузка. Это может быть качалка, вращающийся вал, тянущие или толкающие механизмы.

Для того, чтобы угол поворота превратить в электрический сигнал, необходим датчик. Его функции в сервоприводе постоянного тока с успехом выполняет потенциометр. Он выдает аналоговый сигнал (как правило, от 0 до 10 В) с дискретностью, ограниченной АЦП (аналогово-цифровым преобразователем), на который поступает этот сигнал.

Самой важной деталью сервопривода, пожалуй, является электронная плата сервоусилителя, которая принимает и анализирует управляющие импульсы, соотносит их с данными потенциометра, отвечает за запуск и выключение двигателя.

Принцип работы

Принцип действия устройств основан на использовании импульсного сигнала, который имеет три важные характеристики – частоту повторения, минимальную и максимальную продолжительность. Именно продолжительность импульса определяет угол поворота двигателя.

Импульсные сигналы, получаемые сервоприводом, имеют стандартную частоту, а вот их продолжительность в зависимости от модели может составлять от 0,8 до 2,2 мс.

Параллельно с поступлением управляющего импульса активируется работа генератора опорного импульса, который связан с потенциометром.

Тот, в свою очередь, механически сопряжен с выходным валом и отвечает за корректирование его положения.

Электронная схема анализирует импульсы с учетом длительности и на основе разностной величины определяет разницу между ожидаемым (заданным) положением вала и реальным (измеренным при помощи потенциометра). Затем производится корректировка путем подачи напряжения на питание двигателя.

Основные положения устройства

Если продолжительность опорного и управляющего импульсов совпадает, наступает так называемый нулевой момент. В это время двигатель сервопривода не работает, вал привода находится в исходном (неподвижном) положении.

При увеличении длительности управляющего импульса плата фиксирует разбежку показателей, двигатель получает напряжение и приходит в движение. В свою очередь, редуктор начинает воздействовать на выходной вал, который поворачивается таким образом, чтобы достигнуть увеличения продолжительности опорного импульса. Как только он сравняется с управляющим импульсом, двигатель прекратит свою работу.

При уменьшении длительности управляющего импульса происходит все то же самое, только с точностью до наоборот, так как двигатель начинает вращаться в обратную сторону. Как только импульсы сравнялись, двигатель останавливается.

Сервопривод переменного тока

В сервоприводах переменного тока используется синхронный двигатель с мощными постоянными магнитами. В таких двигателях частота вращения ротора совпадает с частотой вращения магнитного поля, наводимого в обмотке статора.

Принцип работы сервопривода на основе трехфазного синхронного электродвигателя состоит в следующем. На обмотки статора поступает трехфазное напряжение, которое создает внутри него вращающееся магнитное поле. Это поле взаимодействует с постоянными магнитами, расположенными в роторе. В результате ротор вращается с частотой магнитного поля.

На валу ротора закреплен энкодер с высокой разрешающей способностью. Сигнал от него поступает по отдельному кабелю на специальный вход сервоусилителя. В то же время на управляющий вход сервоусилителя подается сигнал управления.

В результате сравнения этих двух сигналов выделяется сигнал рассогласования, величина которого прямо пропорциональна разнице между целевыми и актуальными показателями вращения двигателя.

На основании данного сигнала формируется трехфазное напряжение с такими параметрами, которые обеспечивают максимально быстрое уменьшение рассогласования до нуля.

Режимы управления

Существуют три основных режима работы сервопривода переменного тока.

Режим управления положением. Главное в этом режиме – контроль за углом поворота вала ротора. Управление производится последовательностью импульсов, которые могут приходить, например, с контроллера. Этот режим используется для точного позиционирования различных узлов технологического оборудования.

Комбинация импульсов для управления положением может передавать информацию не только по положению, но также по скорости и направлению вращения двигателя.

Для этого могут использоваться три типа сигналов: 1) квадратурные импульсы (со сдвигом фаз на 90 градусов), 2) импульсы вращения по или против часовой стрелки, действующие поочередно и 3) импульсы скорости и потенциал направления, подающиеся на два входа.

Как правило, во всех сервоусилителях входы управления именуются как PULSE, SIGN.

Режим управления скоростью. В данном случае управление производится аналоговым сигналом. Значения скорости также могут переключаться на фиксированные величины подачей сигналов на соответствующие дискретные входы. В случае использования разнополярного аналогового управляющего сигнала возможна смена направления вращения серводвигателя.

Режим управления скоростью схож с работой асинхронного двигателя, управляемого преобразователем частоты. Задаются такие параметры, как время разгона и замедления, максимальная и минимальная скорости и другие.

Режим управления моментом.

В этом режиме двигатель может вращаться либо стоять на месте, но при этом момент на валу будет заданным. Управление может производиться дискретным либо аналоговым двухполярным сигналом. Этот режим может использоваться для машин, где необходимо менять усилие прижима, давление и т. п.

Оценка текущего момента двигателя, необходимого для управления, производится за счет встроенного датчика тока.

Процесс рекуперации

Рекуперация происходит при изменении направления (знака) момента нагрузки по отношению к вращающему моменту серводвигателя. Если энергия рекуперации невелика, она накапливается на конденсаторах звена постоянного тока, повышая напряжение на них.

Если разница абсолютных значений моментов нагрузки и серводвигателя составляет значительную величину, напряжение на конденсаторах шины постоянного тока может превысить пороговый уровень. В этом случае энергия рекуперации сбрасывается в тормозной резистор.

Другие полезные материалы: Выбор оптимального типоразмера электродвигателя Сервопривод или шаговый двигатель? Принципы программирования ПЛК

Сервопривод или шаговый двигатель? Как работают и что выбирать

В станках с числовым программным управлением (фрезерные, токарные, карусельные станки, машины плазменной резки и т.д.) для перемещения исполнительных элементов (суппортов, кареток и т.д.) используется шаговый привод или сервопривод. В этой статье немного объясним о их работе, принципиальных различиях и когда какой уместно применять.

Шаговый привод 

Представляет собой шаговый электродвигатель с блоком управления. При подаче электрического импульса ротор двигателя совершает угловое перемещение на строго определенную величину. Современные шаговые электродвигатели обеспечивают до 400 шагов на один оборот. Это позволяет позиционировать инструмент (резец, плазменный резак) с точностью до десятых миллиметра.

Как достоинства шаговых приводов следует отметить:

• высокая точность в сочетании с более простой конструкцией;
• доступная цена, вытекающая из простоты исполнения.

Главный недостаток шагового привода – проблема пропуска шага. Это происходит по ряду причин:

• нагрузка на валу превышает допустимое;
• неправильно задаными параметрами реза в управляющей программе – слишком резкое ускорение или торможение, без учета веса портала;
• скорость вращения ротора попадает в зону резонанса со станком.

Пропуск шага может приводить к некорректному позиционирования резака, и соответственно отклонению реза от заданной программы.

Сервопривод (Сервомотор)

Принципиальное отличие — наличие датчика обратной связи.  Сервопривод обмениваеться данными с управляющей программой в реальном времени. Отклонение от заданных координат моментально регистрируеться, и контроллер станка автоматически компенсирует погрешность.

Наличие этого дополнительно элемента (датчика) позволяет:

• достигнуть максимальной точности позиционирования и качество продукции. С учетом механического люфта, износа деталей,   теплового расширения (что важно в станках большой мощности, в том числе и машинах плазменной резки);

• обеспечить максимально высокую скорость обработки, с автоматическим учетом инерционности движущихся узлов;
• снизить затраты на электроэнергию, в сервоприводе они пропорциональны сопротивлению перемещения, а в шаговом приводе номинал напряжения постоянный.

Шаговый привод vs сервопривод

Из приведенного выше можно понять сильные и слабые стороны этих приводов. Мы постараемся дать рекомендации, в каких случаях целесообразнее применять тот или иной вариант.

1. Бюджет. Если он критичен, выбор однозначно в пользу шагового привода. Но стоит учесть будущую оплату труда оператора чпу. Работа с шаговыми двигателями подразумевает более высокий уровень умений и квалификации.
2. Мощность станка. Чем больше мощность, тем крупнее перемещаемые узлы и детали, и тем более мощные требуются шаговые двигатели. А это более высокие инерционные нагрузки, и меньше нагрузки в резонансных зонах. Это может повлиять на точность обработки.  Кроме того, при увеличении скорости у шагового электродвигателя резко уменьшается момент, а у сервоприводов он постоянен.  Если говорить о станках плазменной резки  с ЧПУ, то здесь эти эти факторы не столь критичны. Это более существенно для токарных станков, где движутся не только исполнительные механизмы (суппорта), но и сама заготовка.
3. Сложность обслуживания. Здесь шаговые привода смотрятся симпатичнее. Сервопривод имеет десятки параметров, требующих настройки, а значит и более высокой квалификации персонала (программистов, электронщиков, наладчиков). Надежные поставщики обычно берут сервис этих узлов на себя. Об этом стоит задуматься если вы приобретаете станок зарубежом, или когда будет сложно обеспечить доступ третьих лиц.
4. Производительность. По данному критерию сервопривода существенно превосходят шаговые. Особенно если речь идет о производстве габаритных деталей. При  небольших перемещаемых и обрабатываемых массах эта разница несущественна (например, если это небольшой 3Д принтер, то разница будет крайне несущественна)
5. Шум. Шаговые привода работают громче и может ощущаться вибрация. Это может приносить неудобства для небольших предприятий. В ряде случаев могут возникнуть проблемы с надзорными органами по допустимому уровню шума.