Szczegółowe wyjaśnienie trzech głównych punktów kontrolnych serwa, silnika krokowego i konwersji częstotliwości!

Część peryferyjna robotów przemysłowych zajmująca się sterowaniem ruchem obejmuje głównie trzy części: sterowanie serwomechanizmem, sterowanie krokowe i sterowanie konwersją częstotliwości. Odpowiedzmy po kolei na te punkty kontrolne.
sterowanie serwem
1, Zasada działania serwomotorów prądu przemiennego
Wirnik wewnątrz serwomotoru jest magnesem trwałym, a trójfazowa energia elektryczna U/V/W sterowana przez sterownik tworzy pole elektromagnetyczne. Wirnik obraca się pod wpływem tego pola magnetycznego. Jednocześnie wbudowany enkoder silnika przekazuje sygnał zwrotny do sterownika, a sterownik porównuje wartość sprzężenia zwrotnego z wartością docelową, aby dostosować kąt obrotu wirnika. Dokładność serwomotoru zależy od dokładności enkodera (liczby linii).
2, Skład i klasyfikacja systemów serwo
Kompozycja:
System serwo to ogólny termin określający systemy sterowania, które wykorzystują pozycję i kąt jako zmienne sterujące. Systemy związane z pozycją i kątem, takie jak prędkość, prędkość kątowa, przyspieszenie i siła, są również zawarte w systemie serwo.
Klasyfikacja:
1. Klasyfikacja według struktury sterowania: pętla otwarta i pętla zamknięta.
2. Klasyfikacja według elementów napędowych:
A. Układ serwo silnika krokowego.
B. Układ serwo silnika prądu stałego.
C. Układ serwo silnika prądu przemiennego.
3, Charakterystyka serwomotorów (AC)
1 Wysoka dokładność pozycjonowania, zwykłe serwomotory mogą osiągnąć 0,036 stopnia
2 Szybki czas reakcji.
3 Sterowanie jest wygodne i elastyczne, a system sterowania jest łatwy do wdrożenia.
4 Dostępnych jest wiele modeli, a różne typy można wybierać w zależności od różnych środowisk zastosowań.
5 Zapewnij pełną kontrolę w pętli zamkniętej, która może monitorować stan pracy w odpowiednim czasie i wprowadzać odpowiednie korekty i zmiany.
4, Struktura systemu serwo

5, Kroki wyboru sterowania serwo
1. Określ specyfikacje mechaniczne, obciążenie, sztywność i inne parametry.
2. Potwierdź parametry działania, takie jak prędkość ruchu, skok, czas przyspieszania i zwalniania, cykl, dokładność itp.
3. Wybierz bezwładność silnika, bezwładność obciążenia, bezwładność konwersji osi silnika i bezwładność wirnika.
4. Wybierz prędkość obrotową silnika.
5. Wybierz znamionowy moment obrotowy silnika. Moment obciążenia, moment przyspieszania i zwalniania, chwilowy maksymalny moment obrotowy i rzeczywisty moment obrotowy.
6. Wybierz mechaniczną rozdzielczość położenia silnika.
7. Wybierz model silnika w oparciu o powyższe.
6, Zastosowanie sterowania serwo

Kontrola krokowa
1, Zasada działania silników krokowych
Silnik krokowy to siłownik, który przetwarza impulsy elektryczne na przemieszczenie kątowe. Gdy sterownik krokowy odbierze sygnał impulsowy, napędza silnik krokowy, aby obrócił się o stały kąt (zwany „kątem kroku”) w ustawionym kierunku, a jego obrót przebiega krok po kroku pod ustalonym kątem. Przemieszczenie kątowe można kontrolować poprzez kontrolowanie liczby impulsów w celu uzyskania dokładnego pozycjonowania; Jednocześnie prędkość i przyspieszenie obrotu silnika można kontrolować poprzez kontrolowanie częstotliwości impulsów, osiągając w ten sposób cel regulacji prędkości. Silniki krokowe mogą być stosowane jako specjalny typ silników do celów sterujących i są szeroko stosowane w różnych sterownikach w otwartej pętli ze względu na ich charakterystykę braku kumulowanego błędu (dokładność 100%).

2, Klasyfikacja silników krokowych
Do powszechnie stosowanych silników krokowych zalicza się obecnie reaktywne silniki krokowe (VR), silniki krokowe z magnesami trwałymi (PM), hybrydowe silniki krokowe (HB) i jednofazowe silniki krokowe.
Silniki krokowe z magnesami trwałymi są zazwyczaj dwufazowe, mają mały moment obrotowy i objętość oraz kąt kroku wynoszący zwykle 7,5 stopnia lub 15 stopni;
Reaktywne silniki krokowe są zazwyczaj trójfazowe i mogą osiągać wysoki moment obrotowy. Kąt krokowy wynosi zazwyczaj 1,5 stopnia, ale zarówno hałas, jak i wibracje są znaczące. Obwód magnetyczny wirnika reaktywnego silnika krokowego jest wykonany z miękkich materiałów magnetycznych, a na stojanie znajdują się wielofazowe uzwojenia wzbudzenia, które wytwarzają moment obrotowy wykorzystując zmiany przewodności magnetycznej.
Hybrydowy silnik krokowy odnosi się do połączenia zalet silników z magnesami trwałymi i silników reaktywnych. Jest on podzielony na dwie fazy i pięć faz: kąt kroku dwóch faz wynosi zazwyczaj 1,8 stopnia, podczas gdy kąt kroku pięciu faz wynosi zazwyczaj 0,72 stopnia. Ten typ silnika krokowego jest najczęściej stosowany.
3, układ silnika krokowego

1. Terminologia wskaźników statycznych silników krokowych
A. Numer fazy: Liczba par cewek wzbudzających, które generują różne pola magnetyczne N i S. Powszechnie reprezentowana przez liczbę uderzeń mb: Liczba impulsów lub stanu przewodzenia wymaganych do zakończenia okresowej zmiany pola magnetycznego jest reprezentowana przez n lub odnosi się do liczby impulsów wymaganych, aby silnik obrócił się o kąt podziałki zębów.
C. Kąt kroku: odpowiednio do sygnału impulsowego, kąt obrotu wirnika silnika jest przesunięty θ Reprezentują.
D. Moment pozycjonujący: Moment blokujący sam wirnik silnika, gdy silnik nie jest włączony (spowodowany harmonicznymi w kształcie zęba pola magnetycznego i błędami mechanicznymi).
mi. Moment statyczny: Moment blokujący wał silnika, gdy silnik nie obraca się przy znamionowym statycznym działaniu elektrycznym.
2. Wskaźniki dynamiczne i terminologia silników krokowych
A. Dokładność kąta kroku: Błąd pomiędzy wartością rzeczywistą a teoretyczną wartością kąta kroku dla każdego obrotu silnika krokowego.
B. Utrata stopnia: Liczba kroków wykonanych przez silnik podczas pracy, która nie jest równa teoretycznej liczbie kroków. Nazywa się to krokiem tracącym.
C. Kąt niewspółosiowości: Kąt, pod jakim oś zęba wirnika jest przesunięta w stosunku do osi zęba stojana.
D. Maksymalna częstotliwość rozruchu bez obciążenia: maksymalna częstotliwość, przy której silnik może zostać uruchomiony bezpośrednio bez obciążenia przy określonej formie napędu, napięciu i prądzie znamionowym.
mi. Maksymalna częstotliwość robocza bez obciążenia: maksymalna częstotliwość prędkości silnika bez obciążenia przy określonej formie jazdy, napięciu i prądzie znamionowym.
F. Charakterystyka częstotliwości momentu obrotowego roboczego: Krzywa zależności pomiędzy wyjściowym momentem obrotowym a częstotliwością mierzoną przez silnik podczas pracy w określonych warunkach testowych nazywana jest charakterystyką częstotliwościową momentu roboczego.
4, Wybór silnika krokowego
1. Wybór kąta kroku: Kąt kroku silnika zależy od wymagań dokładności obciążenia.
2. Dobór momentu statycznego: Dobór momentu statycznego opiera się na obciążeniu roboczym silnika. Ogólnie rzecz biorąc, moment statyczny powinien mieścić się w zakresie 2-3-krotności obciążenia tarcia.
3. Wybór prądu: Ze względu na różne parametry prądu, charakterystyka działania znacznie się różni. Prąd silnika można wyznaczyć na podstawie charakterystyki częstotliwości momentu obrotowego.

5, Niektóre cechy silników krokowych
1. Dokładność ogólnego silnika krokowego wynosi 3-5% kąta kroku i nie kumuluje się.
Maksymalna dopuszczalna temperatura na powierzchni silnika krokowego wynosi z reguły powyżej 130 stopni Celsjusza.
Moment obrotowy silnika krokowego będzie się zmniejszał wraz ze wzrostem prędkości.
4. Silnik krokowy może normalnie pracować na niskich obrotach, jednak po przekroczeniu pewnej prędkości nie może się uruchomić i towarzyszy temu gwiżdżący dźwięk.
5. Silniki krokowe należy stosować w sytuacjach niskich prędkości - prędkość nie powinna przekraczać 1000 obrotów na minutę.

VI Porównanie wydajności dwóch typów silników
1. Różna dokładność sterowania
Kąt kroku pięciofazowego hybrydowego silnika krokowego wynosi zwykle {{0}},72 stopnia i 0,36 stopnia. Dokładność sterowania serwomotoru prądu przemiennego jest gwarantowana przez enkoder obrotowy na tylnym końcu wału silnika. W przypadku silnika ze standardowym enkoderem 2500 linii jego odpowiednik impulsu wynosi 360 stopni /10000=0.036 stopnia, a dokładność serwomotoru jest wyższa niż silnika krokowego.
2. Różne charakterystyki niskich częstotliwości
Silniki krokowe są podatne na wibracje o niskiej częstotliwości przy niskich prędkościach. Serwosilnik prądu przemiennego pracuje bardzo płynnie i nie ma wibracji nawet przy niskich prędkościach.

3. Różne możliwości przeciążenia
Silniki krokowe na ogół nie mają zdolności przeciążeniowej. Serwosilniki prądu przemiennego mają dużą zdolność przeciążania.
4. Różne wyniki operacyjne
Sterowanie silnikiem krokowym odbywa się w pętli otwartej. Jeśli częstotliwość rozruchu jest zbyt wysoka lub obciążenie jest zbyt duże, łatwo jest spowodować utratę kroku lub zablokowanie wirnika. Jeśli prędkość podczas zatrzymywania jest zbyt duża, łatwo jest spowodować przeregulowanie. Układ serwonapędu AC sterowany jest w pętli zamkniętej, a sterownik może bezpośrednio próbkować sygnał sprzężenia zwrotnego z enkodera silnika. Wewnętrzna struktura pętli położenia i prędkości generalnie nie powoduje utraty stopnia ani przeregulowania silnika krokowego, a wydajność sterowania jest bardziej niezawodna.
5. Różna wydajność reakcji na prędkość
Przyspieszenie silnika krokowego od prędkości spoczynkowej do prędkości roboczej (zwykle kilkaset obrotów na minutę) zajmuje 200-400 milisekund. Wydajność przyspieszania układu serwo AC jest dobra. Biorąc za przykład serwomotor Panasonic MSMA 400 W AC, przyspieszenie od prędkości statycznej do prędkości znamionowej 3000 obr./min zajmuje tylko kilka milisekund i można go stosować w sytuacjach kontrolnych, które wymagają szybkiego startu i zatrzymania
6. Różne charakterystyki częstotliwości momentu obrotowego
Wyjściowy moment obrotowy silnika krokowego maleje wraz ze wzrostem prędkości i gwałtownie maleje przy wyższych prędkościach. Serwosilnik prądu przemiennego wytwarza stały moment obrotowy.
Podsumowując, systemy serwo AC przewyższają silniki krokowe pod wieloma względami. Jednak w niektórych sytuacjach o niskim zapotrzebowaniu silniki krokowe są często używane jako silniki wykonawcze. Dlatego w procesie projektowania układu sterowania należy kompleksowo uwzględnić wiele czynników, takich jak wymagania i koszty sterowania, oraz wybrać odpowiednie silniki sterujące.

Sterowanie zmienną częstotliwością
1, Wprowadzenie do General Motors
Trójfazowy silnik klatkowy prądu przemiennego jest najpopularniejszym typem silnika indukcyjnego, a jego budowa i właściwości są następujące:

感应电机的构造示意图

Schemat ideowy budowy silnika

2, Zasada i skład przetwornic częstotliwości
Przetwornica częstotliwości to urządzenie sterujące, które może łatwo i swobodnie zmieniać prędkość silnika prądu przemiennego. Metoda zmiany prędkości silnika prądu przemiennego jest następująca.
Przetwornica częstotliwości reguluje prędkość poprzez zmianę częstotliwości zasilania silnika prądu przemiennego:

变频器的构成如下:

1. Przetwornica (prostownik)
Mostek prostowniczy diodowy jest szeroko stosowany, jak pokazano na rysunku 1, który przekształca zasilacz o częstotliwości sieciowej w zasilacz prądu stałego. Można również zastosować dwa zestawy falowników tranzystorowych, aby utworzyć falownik odwracalny, który dzięki odwracalnemu kierunkowi mocy może wykonywać pracę regeneracyjną.
2. Obwód fali płaskiej
W wyprostowanym napięciu stałym prostownika występuje napięcie pulsujące o wartości 6-krotności częstotliwości zasilania, a pulsujący prąd generowany przez falownik powoduje również zmiany napięcia stałego. Aby stłumić wahania napięcia, stosuje się cewki indukcyjne i kondensatory, które pochłaniają pulsujące napięcie (prąd). Gdy pojemność urządzenia jest mała, jeśli istnieje margines w komponentach składających się z zasilacza i obwodu głównego, można pominąć indukcyjność i zastosować prosty obwód o fali płaskiej.
3. Falownik
W przeciwieństwie do prostowników, falowniki przekształcają prąd stały na prąd przemienny o wymaganej częstotliwości, umożliwiając sześciu urządzeniom przełączającym przewodzenie i wyłączanie przez określony czas, co daje w rezultacie 3-fazową moc wyjściową prądu przemiennego.
4. Obwód hamulcowy
Gdy w obszarze hamowania regeneracyjnego używany jest silnik asynchroniczny (z ujemnym współczynnikiem poślizgu), energia regeneracyjna jest magazynowana w kondensatorze obwodu fali płaskiej, powodując wzrost napięcia stałego. Ogólnie rzecz biorąc, energia zgromadzona przez bezwładność układu mechanicznego (w tym silnika elektrycznego) jest większa niż energia zmagazynowana przez kondensator. Gdy wymagane jest szybkie hamowanie, można zastosować falownik odwracalny, aby zapewnić sprzężenie zwrotne do źródła zasilania lub skonfigurować obwód hamowania (przełącznik i rezystor) w celu zużycia energii regeneracyjnej, aby zapobiec wzrostowi napięcia w obwodzie prądu stałego.
3, Cel zastosowania i przeznaczenie przetwornic częstotliwości
Napęd o zmiennej prędkości składający się z przetwornicy częstotliwości i silnika prądu przemiennego nazywany jest napędem z przetwornicą częstotliwości, a jego funkcje funkcjonalne są następujące. Mogą istnieć między nimi wzajemne korelacje, ale tak naprawdę nie ma jednoznacznej klasyfikacji. Ta tabela ma charakter wyłącznie informacyjny.