Чпу на сервоприводах своими руками
Добавил пользователь Владимир З. Обновлено: 05.10.2024
Обратимся к механизму, устанавливаемому в целый ряд станков и активно задействованному в автоматизации производственных процессов. Рассмотрим что значит сервопривод: устройство и принцип работы, схемы и сферы применения – все это и другие важные моменты в фокусе нашего внимания. Ознакомившись с информацией, вы будете знать, что из себя представляет данный силовой агрегат, чем он отличается от других типов, почему и когда его следует использовать.
Сразу уточним: его востребованность не ограничивается промышленным сектором, он нужен не только оборудованию. Функционирует и в приборах отопления, и в системах кондиционирования, в машинах и даже в любительских радиоустановках. Актуален везде, где необходимо задавать движение и регулировать ускорение или замедление.
Сервопривод – что это такое
Под этим понятием обычно подразумевают оснащенный электромотором механизм, который можно разместить под нужным углом и зафиксировать в одном положении. Но данное определение недостаточно емкое, поэтому его можно и нужно дополнить.
Это также силовой агрегат, управление которым реализовано через отрицательную обратную связь. Именно последняя дает возможность чутко контролировать заданные параметры перемещения. И у него просто должен быть датчик – позиции, нагрузки, скорости – и блок контроля, который поддерживает необходимые условия в автоматическом режиме.
В числе самых распространенных сегодня находятся модели, сохраняющие установленный угол и/или интенсивность выполнения технологической операции.
Устройство серводвигателя
В общем случае у него следующие функциональные узлы:
- Сам привод – мотор, превращающий электрическую энергию в механическую (силу поворота); для снижения скорости до необходимой снабжен редуктором, передающим крутящий момент.
- Энкодер – датчик обратной связи, преобразующий угол поворота в управляющий сигнал, контролирующий вращение выходного вала (на последнем закреплен инструмент или какой-то другой орган выполнения действия). Для решения данной задачи также хорошо подходит потенциометр, изменяющий свое сопротивление при перемещении бегунка, причем именно пропорционально, и за счет этого обеспечивающий точное позиционирование.
- Электронная начинка, принимающая входящие параметры, считывающая и сравнивающая значения, выполняющая операции включения/выключения – это тоже то, из чего состоит сервопривод; все ЭРЕ располагаются на печатной плате, которая и помогает поддерживать обратную связь и, по сути, является важнейшей частью двигателя.
- Проводка – подключение питания (два кабеля) и доставка сигнала контроля (еще один), обеспечивающий выставление правильного положения вала, а значит и используемого инструмента.
Как работает сервопривод
Электронная схема сравнивает реальное положение вала с запрограммированным. При этом возможно 3 состояния. И первое из них – нулевой момент, то есть полного совпадения, что значит – силовой агрегат не работает (остановлен). При втором управляющий сигнал выше опорного, это провоцирует поворот в одну сторону, при третьем – ниже, что оборачивается движением вращающейся части в другом направлении.
Таким образом, принцип работы сервомотора сводится к следующему:
- привод получает импульс на вход, допустим, команду изменения угла;
- блок управления соотносит полученный сигнал с фактическими значениями, снятыми датчиком;
- исходя из результатов анализа, данная плата выдает команду – перемещения по какому-то вектору, ускорения или замедления, – причем обязательно направленную на то, чтобы привести реальную цифру к заданной и необходимой.
Сравнение осуществляется на основании разностных величин и учитывает параметр длительности, а поэтому определяет разбежку показателей с максимальной точностью. Эта особенность дает возможность обеспечить необходимое позиционирование инструмента.
Виды сервоприводов
Их классифицируют главным образом по типу используемого двигателя, выделяя:
- синхронные – отличаются быстрым набором оборотов, а также прецизионным вращением;
- асинхронные – их ключевая черта в высокой стабильности поведения вала;
- универсальные – оснащены коллекторным силовым агрегатом, либо переменного, либо постоянного тока.
Первые особенно востребованы в автомобилестроении и активно устанавливаются в АКПП – для беспроблемного переключения передач. Также они актуальны для спецтехники, транспортирующей грузы весом свыше 100 кг. Вторые и третьи больше ориентированы на различное промышленное оборудование.
Если всесторонне рассматривать серводвигатель – что это такое, принцип работы, разновидности, – то нужно уделить внимание и его основным рабочим параметрам. В списке ключевых характеристик всех его моделей:
- крутящий момент (создаваемое усилие) – обязательно прописывается в паспорте, причем сразу в двух величинах, для разного питающего напряжения;
- вариант подаваемого импульса, ведь можно управлять с помощью как цифрового, так и аналогового сигнала;
- быстродействие – определяет время, за которое вал перемещается (по часовой стрелке или против нее) на 60 градусов;
- поддерживаемый угол поворота – обычно это либо 180 0 (полуцикл), либо 360 0 (полный); хотя сегодня есть модифицированные модели, у которых вращение осуществляется непрерывно;
- материал исполнения редукторных шестеренок – это может быть пластик, карбон, латунь или композит;
- напряжение – варьируется в диапазоне от 4,8 до 7,2 В (у основной группы силовых агрегатов);
- цвета проводов и распиновка – обычно все стандартно: черный – общий, красный – питания, белый (желтый или коричневый) – контроля.
Еще немного нюансов: устройство сервомотора может предполагать наличие двигателя с сердечником. Это не лучший вариант, так как при его функционировании появляются вибрации, которые снижают точность вращения вала. Поэтому практичнее выбирать модели, у которых кинетическая энергия ротора на практике будет минимальной, даже несмотря на то, что они стоят несколько дороже. Это особенно актуально в случаях с эксплуатацией ЧПУ-станков, выполняющих сложные детали.
И несколько слов о редукторе: он может быть шестеренчатым или червячным. Первый сегодня более востребован, так как доступнее по цене и достаточно эффективно снижает частоту вращения, обеспечивая нужный крутящий момент. Второй, несмотря на лучшее передаточное число, выпускается и встречается реже, так как его производство оборачивается более серьезными затратами.
Еще один важный фактор различия видов – габаритные размеры, а именно соотношение ДхШхВ и вес. В соответствии с ними выделяют три группы силовых агрегатов:
- малые – 22 на 15 на 25 мм и до 25 г;
- стандартные (средние) – 40 на 20 на 37 мм и до 80 г;
- большие – 49 на 25 на 40 мм и до 90 г.
Следующее различие – по интерфейсу:
- аналоговые – импульсы обрабатывает микросхема;
- цифровые – сигналы считывает процессор.
Решая, для чего нужен сервопривод, помните, что нюансы – в начинке, а внешнее исполнение может быть абсолютно одинаковым.
Также разнообразие моделей можно разделить по материалу шестеренок – на такие группы:
- с пластиковыми (нейлоновыми) – легкими, стойкими к износу, но не к большим нагрузкам;
- с карбоновыми – более прочными, при этом не обладающими значительным весом, но и стоящими в несколько раз дороже предыдущих;
- с металлическими (латунными, титановыми) – тяжелыми, выдерживающими даже самый серьезный крутящий момент, но стирающимися друг о друга.
И, наконец, существуют варианты с сердечником (коллекторные) и без него. У первых есть полый ротор в несколько секций, между которыми появляется вибрация в процессе вращения. Поэтому они менее точны, чем те, чья подвижная часть полая, а также тяжелее и обеспечивают более долгий отклик, правда, и стоят дешевле.
Применение сервоприводов
Сегодня они широко используются в самых разных областях:
- в робототехнике и при создании манипуляторов; чтобы управлять ими, в свою очередь, берут аппаратно-программные средства ардуино;
- для реализации системы теплого пола – они помогают автоматически регулировать температуру, понижая или повышая ее по мере необходимости;
- в автомобилестроении – для интеграции с замками, подачи жидкости на печку, переключения скоростей в АКПП;
- в грузовом оборудовании – задают режимы захвата, подъема, транспортировки, опускания и отпускания предметов самого разного веса и габаритов.
Это далеко не все возможные сферы и ниши – данные силовые агрегаты, по сути, актуальны везде, где только требуется точно контролировать движение вала.
Особенности устройства сервопривода переменного тока
Это подвид синхронной модели, у которого ротор вращается с той же частотой, какая присуща магнитному полю, созданному обмотками статора. На последний направляется трехфазное напряжение, запускающее весь процесс функционирования.
На подвижной части закреплен энкодер, разрешающая способность которого сравнительно высокая. От него поступает один сигнал на первый вход, а от электронной платы – другой, на второй. Данная пара сравнивается, и разница между ними является показателем рассогласования, отталкиваясь от которого необходимо задать команду подачи соответствующего вольтажа для скорейшего наступления нулевого момента.
Плюсы и минусы
Рассматриваемые силовые агрегаты обладают целым набором особенностей, и, если сравнивать их с шаговыми, можно выделить ряд достоинств.
В числе объективных преимуществ:
Использование сервопривода не тотальное только потому, что он также обладает некоторыми недостатками.
В списке относительных минусов:
Ясно, что преимущества оказывают гораздо более важное влияние, и именно они обуславливают значительную степень востребованности в самых различных сферах.
Режимы управления
Работа сервопривода может осуществляться в трех разных форматах. Рассмотрим каждый из них.
Контроль положения
Здесь нужно сохранять заданный угол поворота вала, подавая последовательность сигналов. Пусть они идут с контроллера – таким образом, можно обеспечить точное позиционирование, что особенно актуально для узлов производственных станков.
Обратите внимание, с помощью совокупности импульсов не проблема задать информацию не только о положении в пространстве, но и о векторе вращения или скорости движения. Сделать это можно одним из трех способов – направляя напряжение:
- со сдвигом фазы на 90 градусов;
- сразу на два входа (SIGN, PULSE – стандартные названия);
- с перемещением по часовой стрелке или против.
Контроль скорости
Здесь сервоуправление – это увеличение или уменьшение аналогового сигнала на дискретную величину при его подаче на соответствующие обмотки. А если он еще и разнополярный, тогда не составляет труда быстро менять направление вращения.
Данный режим напоминает эксплуатацию асинхронного силового агрегата с преобразователем частоты. Потому что в ее рамках требуется постоянно выполнять разгон и замедление, задавать минимумы и максимумы и тому подобное. Главное – реализовывать не слишком сложный алгоритм, чтобы не превращать рядовую практическую задачу в непосильный труд программирования.
Контроль момента
В данном случае назначение сервопривода – обеспечивать стабильное число оборотов, вне зависимости от того, вращается двигатель или нет. Эта цель достигается путем подачи или дискретного сигнала, или аналогового двухполярного. Метод более чем актуален для оборудования, в процессе эксплуатации требующего смены давления, прижима или других параметров.
Внимание, силовой агрегат должен быть дополнительно оснащен встроенным датчиком тока, ведь именно последний и оценивает значение текущего момента, чтобы потом электроника могла сравнить его с необходимой величиной.
Процесс рекуперации
Зачастую запускается при переключении режимов работы сервомотора: что это такое? Это возвратная энергия, которая выделяется при смене знака (направления движения) относительно вращающего момента. Обычно она не слишком большая, но все равно собирается на конденсаторах, увеличивая, таким образом, напряжение на звене постоянного тока.
В тех же случаях, когда данное неравенство абсолютных значений достигнет серьезной отметки, пороговый уровень емкости шины будет пробит. И тогда все излишки будут сброшены в тормозной резистор.
Мы постарались рассмотреть все особенности данных механизмов и подчеркнуть удобство и перспективность их использования. Предлагаем также взглянуть на схемы сервоприводов, фото и видеоролики на эту тему – чтобы вы могли дополнить свое представление.
Вчера вечером с друганом после пивка , придумали одну вещь а что если взять простой моторчик от стеклоподьемника подкинув которуму электронику от шариковой мышки + какой нибудь драйвер, можно получить сервопривод!?
Или еще шла паралельная идея взять оптроный от мышки подчемить их к МК(PIC,AVR без разници) в мк сразуже вшить step/dir и вуаля.
Ну что скажите на наши неодыкватные идеи ? можно такое забацать?
а я и не претендую на потент, а в гугле смотрел ну не то что я хотел.
вот схематически наша идея на МК:
Конктретную ссылку тогда можете дать просто я на такое или подобие такого не натыкался, натыкался на полность автаномные контроллеры но мне это не подходит. Плиазззз.
а сможет он долго работать? вот стартер точно не сможет - перегреется быстро даже если 250а найти. он предназначн для большого крутящего момента но кратковременно! а стеклоподъемник? у него там небось втулки вместо подшипников (предположение) - рессурс думаю малый в любом случае
Внутри этих тем куча ссылок на другие разработки и проекты.
despad писал(а): Конктретную ссылку тогда можете дать просто я на такое или подобие такого не натыкался, натыкался на полность автаномные контроллеры но мне это не подходит. Плиазззз.
Ага с мк понятно нашел точто я рисовал ATmega8+L298! Теперь другое направление если взять обычный контроллер step/dir(ну например ие11+ид1 или L297) и отдельно контроллер от шариково мышки искпользовать как энкодер - такое реально(просто для интереса)
Так вы хотите получить гибридный контроллер ШД? Типа, за мотор там ШД, но ещё и ОС на энкодере? Ню такие современные есть в продаже, и раньше юзали в допотопных матричкиках.
Но тема ж вроде начиналась за DC-моторы..
Не стОит оно того. Проще сразу сигнал с энкодера мыши заводить на контроллер, управляющий ШД. Т.к. в нашем случае, сам контроллер мыши - лишнее звено.
а понял сегодня вечером попробую сваять такое чудо, потом выложу отчет что получилось.
А еще последний вопрос на чпу такой садельный сервопривод применять можно с редуктором от родного стклоподьемника с передаточным числом 8 к 1?
Современные привода и сервопривода металлорежущих станков
Современные привода и сервопривода металлорежущих станков
Всем Добрый день!
Решил описать привода и сервопривода которые ставлю на станки при модернизации или оживлении.
Зачастую бывает станок с уже установленными двигателями, но с пустым шкафом, чтоб не менять двигатели (подготовка посадочного места и муфты), подбираем под них привод.
1. Станок 16А20Ф3С15 с установленными двигателями постоянного тока (болгарского производства), МР132 11кВт(шпиндель) и 13Н*м и 23Н*м оси Х и Z соответственно.
Спасибо братьям болгарам, а точнее фирма Arteh, производит по сей день привода для таких двигателей.
MDC- привод для шпиндельного двигателя, довольно прост в установке, требует наличия отдельного трансформатора для питания обмотки возбуждения двигателя, управление двухзонное, при больших оборотах происходит снижение тока возбуждения. Есть возможность настройки параметров тахогенератора(перемычками). Также желателен входной дроссель.
SDC- привод для осевых моторов, требует наличия понижающего трансформатора, т.к. моторы как правило не на 380В, и так же прост в установке и наладке.
Собственно оба привода, перенесенные на современную элементную базу, Кемрос и Кемток соответственно .
Управление приводами аналоговое (+-10В) направление+шаг не поддерживает, нет эмуляции энкодера, т.к. привод его не использует, для установки ЧПУ энкодеры ставят отдельно.
У этих приводов один большой плюс, на станке остаются родные двигатели.
Цена SDC-34.3 -350 евро(на одну ось) и MDC- 1100 евро (11 кВт) и 1300 евро(30 кВт)
Цена комплекта около 2700 американских рублей (две оси + шпиндель + энкодеры)
Фланец двигателя не цельный и внутренность фланца стала проворачиваться вместе с резольвером, ЧПУ стало выбивать по рассогласованию.
через время, я думаю, оно бы и провода пообрывало, вовремя заметили.
Болгарам мотор не отправляли, очень поджимали сроки сдачи станка.
стоимость комплекта мало зависит от мощности и составляет около 1400 европейских рублей.
В остальном нормальный привод, у нас один из клиентов, теперь в требованиях на модернизацию указывает только эти привода.
4.Сервопривод и двигатель INVT (китай)
В зависимости от мощности у двигателей разные размеры, под нашу задачу уже пришлось переделывать посадочное место и муфту.
Также от мощности зависят и габариты самого привода.
Очень плохо, что по умолчанию дают только трех метровые кабеля для подключения двигателя к приводу, пришлось удлинять. И процессе удлинения, напарник попутал два провода энкодера и именно питание, распечатка разъемов, как оказалось, не попадает ни в один из проводов.
Большой плюс, что у датчика (оптический), есть защита. Поменяли провода и все заработало
При подключении двигателя тоже строго нужно соблюдать фазировку.
Управление как аналоговое так и направление+шаг.
Эмулятор энкодера 2500 имп. на оборот (можно поделить, задается параметрами привода.
Настройка практически не отличается от настройки частотника.
цена около 1000 американских рублей за 4 кВт
5. Серводвигатели и привод Kollmorgen AKD
От мощности габариты двигателя меняются только линейные, размер самого привода меняется очень резко.
В комплекте 10 метров кабелей, для подключения двигателя к приводу.
Никаких органов управления приводом снаружи нет, все через программу и сетевой кабель.
управление аналоговое, CAN, и еще много всего.
эмулятор энкодера количество импульсов на оборот можно задавать разное, мы использовали 10000,
можно задать масштаб аналогового задания.
Требует очень точной установки, не допускает не соосности, иначе мотор будет выть, очень слабый подшипник с обратной стороны вала двигателя, при не соосности быстро рассыпается и тянет за собой энкодер двигателя.
В остальном из опыта применения самый удачный привод, кроме его цены.
Стоимость около 5000 американских рублей за 4 кВт
6. Привод постоянного тока DCreg 4 (Santerno, Италия)
На фото выше рядом с Kollmorgen.
Ставили на шпиндель мощностью 30кВт, очень удобен в настройке. Все с пульта. Не требует отдельного трансформатора на питание обмотки возбуждения. Необходим входной дроссель(брали у них же)
Стоимость около 3000 американских рублей.
Цены даны не с точностью до копейки, а для оценки порядка.
Недавно я сделал руку-робота, а сейчас я решил добавить к нему захватывающее устройство, работающее на мини сервоприводе. Я решил сделать два варианта, чтобы посмотреть, как он будет лучше работать с прямой или круглой шестеренкой. Мне понравился больше вариант с круглой шестерней, так как его изготовление заняло всего 2 часа, и зазор между шестернями был совсем небольшим.
Сначала я вырезал детали на фрезерном станке:
Я собрал детали с помощью шурупов 2×10 мм.
А вот как мини-сервопривод присоединяется к захватывающему устройству:
Как работает захватывающее устройство с сервоприводом:
И вот теперь, когда все собрано и механическая часть тоже практически готова, мне осталось только доделать электронную часть работы! Я выбрал Arduino для контроля моего робота, и сделал схему (она справа) для соединения Arduino с сервоприводом.
Схема на самом деле очень проста, она просто дает сигналы на Arduino и обратно. Существует также разъем для инфракрасного приемника и некоторые разъемы для источника питания и 4-х подключений к остальным (неиспользованным) контактам Arduino. Таким образом, можно подключить еще один выключатель или датчик.
А вот как рука-манипулятор двигается:
НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ
Приобретение предприятием фрезерного станка с ЧПУ для изготовления фасадов из МДФ поднимает вопрос о необходимости переплачивать за те или иные механизмы и силовые агрегаты, установленные на дорогостоящем и высокотехнологичном оборудовании. Для позиционирования силовых агрегатов станков с ЧПУ используют, как правило, шаговые двигатели и серводвигатели (сервоприводы).
Шаговые двигатели – дешевле. Однако сервоприводы обладают широким рядом достоинств, в том числе высокой производительностью и точностью позиционирования. Так что же выбрать?
Что такое шаговый электродвигатель
Шаговый электродвигатель – это безщеточный синхронный электродвигатель постоянного тока, имеющий несколько обмоток статора. При подаче тока в одну из обмоток ротор поворачивается, а затем фиксируется в определенном положении. Последовательное возбуждение обмоток через контроллер управления шаговым двигателем позволяет вращать ротор на заданный угол.
Шаговые электродвигатели широко применяются в промышленности, так как имеют высокую надежность и длительный срок службы. Главное преимущество шаговых двигателей – точность позиционирования. При подаче тока на обмотки ротор провернется строго на определенный угол.
Положительные стороны шагового двигателя
·Устойчивость в работе;
·Высокий крутящий момент на малых и нулевых скоростях;
·Быстрый старт, остановка и реверс;
·Работа под высокой нагрузкой без риска выхода из строя;
·Единственный механизм износа, влияющий на длительность эксплуатации – подшипники;
Отрицательные стороны шагового двигателя
·Высокий уровень шума;
·Возможность появления резонанса;
·Постоянный расход электроэнергии вне зависимости от нагрузки;
·Падение крутящего момента на высоких скоростях;
·Отсутствие обратной связи при позиционировании;
·Низкая пригодность к ремонту.
Что такое серводвигатель (сервопривод)
Серводвигатель (сервопривод) – это электрический мотор с управлением через обратную отрицательную связь, которая позволяет точно управлять параметрами движения, чтобы достичь необходимой скорости или получить нужный угол поворота. В состав серводвигателя входят непосредственно сам электродвигатель, датчик обратной связи, блок питания и управления.
Конструктивные особенности электродвигателей для сервопривода мало чем отличаются от обычных электродвигателей имеющих статор и ротор, работающих на постоянном и переменном токе, с щетками и без щеток. Особую роль здесь играет датчик обратной связи, который может быть установлен как непосредственно в самом двигателе и передавать данные о положении ротора, так и определять его позиционирование по внешним признакам. С другой стороны, работа серводвигателя немыслима без блока питания и управления (он же инвертор или сервоусилитель), который преобразует напряжение и частоту тока, подаваемого на электродвигатель, тем самым управляя его действием.
Положительные стороны серводвигателя (сервопривода)
·Высокая мощность при малых размерах;
·Высокий крутящий момент;
·Быстрый разгон и торможение;
·Постоянное и бесперебойное отслеживание положения;
·Низкий уровень шума, отсутствие вибраций и резонанса;
·Широкий диапазон скорости вращения;
·Высокая скорость разгона;
·Стабильная работа в широком диапазоне скоростей;
·Малая масса и компактная конструкция;
·Низкий расход электроэнергии при малых нагрузках.
Отрицательные стороны серводвигателя (сервопривода)
·Требовательность к периодическому обслуживанию (например, с заменой щеток);
·Сложность устройства (наличие датчика, блока питания и управления) и логики его работы.
Сервопривод или шаговый двигатель?
Сравнивая характеристики сервопривода и шагового двигателя, следует обратить внимание, прежде всего, на их производительность и стоимость.
Для производства фасадов МДФ на небольшом предприятии, работающем с малыми объемами, думаю, нет необходимости переплачивать за установку на фрезерный станок с ЧПУ дорогостоящих серводвигателей. С другой стороны, если предприятие стремится выйти на максимально возможные объемы производства, то дешевить на низкопроизводительных шаговых двигателях для ЧПУ не имеет смысла.
Серводвигатели используются не только в авиамоделизме и робототехнике, их можно так же использовать в устройствах бытового назначения. Небольшие размеры, высокая производительность, а так же проста управления серводвигателем делают их наиболее подходящими для осуществления дистанционного управления различными устройствами.
Совместное применение серводвигателей с радиомодулями примема-передачи не создает никаких трудностей, достаточно на стороне приемника просто подключить к серводвигателю соответствующий разъем, содержащий питающее напряжение и управляющий сигнал, и дело сделано.
Сервоприводы своими руками
Ниже представлена достаточно простая схема генератора на основе интегральной микросхемы 74HC00.
Данная схема позволяет осуществлять ручное управление серводвигателями путем подачи управляющих импульсов шириной 0,6 до 2 мс. Схему можно применить, например, для поворота небольших антенн, наружных прожекторов, камер видеонаблюдения и т.д.
Управления серводвигателем. Описание контроллера
Основой схемы является микросхема 74HC00 (IC1) представляющая собой 4 логических элемента И-НЕ. На элементах IC1A и IC1B создан генератор, на выходе которого образуются импульсы с частотой 50 Гц. Эти импульсы активируют RS-триггер, состоящий из логических элементов IC1C и IC1D.
Например, сервопривод Futaba S3003 изменяет угол вращения вала на 90 градусов за счет управляющих импульсов продолжительностью от 1 до 2 мс. Если мы изменим ширину импульса от 0,6 до 2 мс, то угол поворота составит до 120 °. Компоненты в схеме подобраны таким образом, что выходной импульс находится в диапазоне от 0,6 до 2 мс, и поэтому угол установки составляет 120 °. Серводвигатель S3003 от Futaby имеет достаточно большой крутящий момент, и ток потребления может составлять от десятков до сотен мА в зависимости от механической нагрузки.
Конструкция
Принцип работы
Вентильные электродвигатели
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.
Сервопривод
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.
Сервопривод своими руками
Те есть, в зависимости от конфигурации контуров скорости и положения подбирается соответствующий сервоконтроллер и сервопривод (не в любом сервоконтроллере можно реализовать контур положения!).
Как выбрать сервопривод
Основные функции сервосистем
- Позиционирование (Positioning)
- Интерполяция (Interpolation)
- Синхронизация, электронный редуктор (Gear)
- Точное поддержание скорости вращения (шпиндель станка)
- Электронный кулачок (Cam)
- Программируемый логический контроллер.
Компоненты сервосистемы
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
- Специальный софт Motion Control для планшетного ПК с пользовательским интерфейсом (HMI)
- Programmable Automation controller (PAC) с функцией управления перемещением
- 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
Компактные бесщёточные серводвигатели с возбуждением от постоянных магнитов (вентильные), обеспечивающие высокую динамику и точность.
Приводы главного движения и шпинделей инструментальных станков.
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.
Читайте также: