Поддержание положения в сервоприводе: подчинённое регулирование vs шаговый режим

Сравнение с шаговым двигателем

Другим вариантом точного позиционирования приводимых элементов без датчика обратной связи является применение шагового двигателя. В этом случае схема управления отсчитывает необходимое количество импульсов (шагов) от положения репера (этой особенности обязан характерный шум шагового двигателя в дисководах 3,5″ и CD/DVD при попытках повторного чтения). При этом точное позиционирование обеспечивается параметрическими системами с отрицательной обратной связью, которые образуются взаимодействующими между собой соответствующими полюсами статора и ротора шагового двигателя. Cистема управления шаговым двигателем, активизирующая соответствующий полюс статора, формирует cигнал задания для соответствующей параметрической системы  .

Так как датчик обычно контролирует приводимый элемент, электрический сервопривод имеет следующие преимущества перед шаговым двигателем:

• не предъявляет особых требований к электродвигателю и редуктору — они могут быть практически любого нужного типа и мощности (а шаговые двигатели, как правило, маломощны и тихоходны);
• гарантирует максимальную точность, автоматически компенсируя:
  • механические (люфты в приводе) или электронные сбои привода;
  • постепенный износ привода, шаговому же двигателю для этого требуется периодическая юстировка;
  • тепловое расширение привода (при работе или сезонное), это было одной из причин перехода на сервопривод для позиционирования головок в жестких дисках;
  • обеспечивая немедленное выявление отказа (выхода из строя) привода (по механической части или электронике);
• большая возможная скорость перемещения элемента (у шагового двигателя наименьшая максимальная скорость по сравнению с другими типами электродвигателей);
• затраты энергии пропорциональны сопротивлению элемента (на шаговый двигатель постоянно подаётся номинальное напряжение с запасом по возможной перегрузке);

Недостатки в сравнении с шаговым двигателем

• необходимость в дополнительном элементе — датчике;
• сложнее блок управления и логика его работы (требуется обработка результатов датчика и выбор управляющего воздействия, а в основе контроллера шагового двигателя — просто счётчик);
• проблема фиксирования: обычно решается постоянным притормаживанием перемещаемого элемента либо вала электродвигателя (что ведёт к потерям энергии) либо применение червячных/винтовых передач (усложнение конструкции) (в шаговом двигателе каждый шаг фиксируется самим двигателем).
• сервоприводы, как правило, дороже шаговых.

Сервопривод, однако, возможно использовать и на базе шагового двигателя или в дополнение к нему до некоторой степени совместив их достоинства и устранив конкуренцию между ними (сервопривод осуществляет грубое позиционирование в зону действия соответствующей параметрической системы шагового двигателя, а последняя осуществляет окончательное позиционирование при относительно большом моменте и фиксации положения).

P.S.:

Проблемы фиксирования никакой нет в сервоприводе в отличие от шагового. Высокоточное позиционирование и удержание в заданной позиции обеспечивается работой электрической машины в вентильном режиме, суть которого сводится к её работе в качестве источника силы. В зависимости от рассогласования положения (и других координат электропривода) формируется задание на силу. При этом несомненным преимуществом сервопривода является энергоэффективность: ток подается только в том необходимом для того объеме, чтобы удержать рабочий орган в заданном положении. В противоположность шаговому режиму, когда подается максимальное значение тока, определяющее угловую характеристику машины. Угловая характеристика машины аналогична при малых отклонениях механической пружине, которая пытается «притянуть» рабочий орган в нужную точку. В шаговом приводе чем больше рассогласование положения, тем больше сила при неизменном токе.

Общие сведения

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

Шаговые двигатели

Шаговые двигатели состоят из ротора с постоянными магнитами и неподвижного статора, в котором расположены обмотки. Когда ток проходит через обмотки статора, он генерирует магнитный поток, который взаимодействует с магнитным полем ротора и приводит ротор в движение. Шаговые двигатели имеют очень большое количество полюсов, обычно 50 или более. Драйвер шагового двигателя последовательно подает напряжение на каждый полюс, так что ротор вращается с определенным шагом. Из-за очень большого количества полюсов движение кажется непрерывным.

Шаговые электродвигатели имеют ряд положительных качеств. Поскольку они генерируют пошаговое движение, для них, как правило, не требуется замкнутая система регулирования, что избавляет от необходимости установки энкодера или тахогенератора, что положительно сказывается на цене установки. Большое количество полюсов позволяет им генерировать очень высокий крутящий момент при нулевой скорости. Они компактны и в целом экономичны (рисунок ниже).

С другой стороны,
шаговые электродвигатели имеют ограничения по скорости. Они обычно работают с
максимальной  эффективностью всего при
1200 об / мин или ниже. Хотя они генерируют высокий крутящий момент при нулевой
скорости, крутящий момент падает при увеличении скорости (график ниже).
Например, двигатель, создающий момент 3 кгс·м  при
нулевой скорости, может выдать только 1.5 кгс·м при 500 об / мин и всего 0.3 кгс·м при 1000 об / мин.

Теоретически можно
использовать редуктор для увеличения крутящего момента, но именно здесь малая
скорость шаговых двигателей становится проблемой. Добавление редуктора 10: 1 к
шаговому двигателю со скоростью 1200 об / мин может повысить крутящий момент на
порядок, но также снизит скорость до 120 об / мин. Если двигатель используется
для шарико-винтового привода или чего-либо подобного, он, вероятно, не будет
обеспечивать достаточную скорость для удовлетворения потребностей механизма.

https://youtube.com/watch?v=r_V8vIuEPws

Как правило, шаговые двигатели не изготавливаются в типоразмерах, превышающих NEMA 34, при этом большинство применений относятся к размерам двигателей NEMA 17 или NEMA 23. В результате практически невозможно найти шаговые двигатели, способные производить крутящий момент от 28 до 57 кгс·м.

На графике зеленым
показана зависимость момент шагового двигателя от скорости, красным – зависимость
максимального момент серводвигателя от скорости и синим – момент серводвигателя
от скорости.

Шаговые двигатели также имеют ограничения по производительности. Вы можете представить себе шаговый двигатель как пружинно-массовую систему. Двигатель должен преодолеть трение, чтобы начать вращение и переместить нагрузку, после чего ротор машины не контролируется. В результате команда продвижения на пять шагов может привести к повороту двигателя только на четыре шага или шесть шагов.

Однако, если система электропривода
дает команду двигателю продвинуться на 200 шагов и он сделает это за несколько
шагов, ошибка составит несколько процентов. Хотя мы используем шаговые
электродвигатели с разрешением от 25 000 до 50 000 шагов на оборот, но поскольку
двигатель представляет собой систему с пружинно-массовой нагрузкой, наш обычный
диапазон составляет от 2000 до 6000 отсчетов за оборот. Тем не менее, при этих
разрешениях даже ошибка в 200 шагов соответствует доле градуса.

Добавление энкодера позволит системе точно отслеживать движение, но не сможет преодолеть базовую физику работы электрической машины. Для приложений, требующих повышенной точности позиционирования и разрешения, серводвигатели обеспечивают лучшее решение.

Схема и типы сервоприводов

Принцип работы сервопривода основан на обратной связи с одним или несколькими системными сигналами. Выходной показатель подается на вход, где сравнивается его значение с задающим действием и выполняются необходимые действия – например, выключается двигатель. Самым простым вариантов реализации является переменный резистор, который управляется валом – при изменении параметров резистора меняются параметры питающего двигатель тока.

В реальных сервоприводов механизм управления гораздо сложнее и использует встроенные микросхемы-контроллеры. В зависимости от типа используемого механизма обратной связи выделяют аналоговые и цифровые сервоприводы. Первые используют что-то, похожее на потенциометр, вторые – контроллеры.

Вся схема управления серво находится внутри корпуса, управляющие сигналы и питание подаются, как правило, идут по трем проводам: земля, напряжение питания и управляющий сигнал.

Сервопривод непрерывного вращения 360, 180 и 270 градусов

Выделяют два основных вида серводвигателей – с непрерывным вращением и с фиксированным углом  (чаще всего, 180 или 270 градусов). Отличие серво ограниченного вращения заключается в механических элементах конструкции, которые могут блокировать движение вала вне заданных параметрами углов. Достигнув угла 180, вал окажет воздействие на ограничитель, а тот отдаст команду на выключение мотора. У серводвигателей непрерывного вращения таких ограничителей нет.

Материалы шестерней сервопривода

У большинства сервоприводов связующим звеном между валом и внешними элементами является шестеренка, поэтому очень важно, из какого материала она сделана. Наиболее доступных вариантов два: металлические или пластмассовые шестерни

В более дорогих моделях можно найти элементы из карбона и даже титана.

Пластмассовые варианты, естественно, дешевле, проще в производстве и часто используются в недорогих моделях серво. Для учебных проектов, когда сервопривод делает несколько движений, это не страшно. Но в серьезных проектах использование пластмассы невозможно, в виду очень быстрого снашивания таких шестеренок под нагрузкой.

Металлические шестеренки надежнее, но это, безусловно, сказывается как на цене, так и на весе модели. Экономные производители могут сделать часть деталей пластмассовыми, а часть  металлическими, это тожно нужно иметь в виду. Ну и, естественно, что в самых дешевых моделях даже наличие металлической шестеренки не является гарантией качества.

Титановые или карбоновые шестерни – самый предпочтительный вариант, если вы не ограничены бюджетом. Легкие и надежные, такие сервоприводы активно используются для создания моделей автомобилей, дронов и самолетов.

Преимущества серводвигателей

Широкое использование сервоприводов связано с тем, что они обладают стабильной работой, высокой устойчивостью к помехам, малыми габаритами и широким диапазоном контроля скорости. Важными особенностями сервоприводов являются способность увеличивать мощность и обеспечение обратной информационной связи. И этого следует, что при прямом направлении контур является передатчиком энергии, а при обратном – передатчиком информации, которая используется для улучшения точности управления.

Отличия серво и обычного двигателя

Включая или выключая обычный электрический двигатель, мы можем сформировать вращательное движение и заставить двигаться колеса или другие предметы, прикрепленные к валу. Движение это будет непрерывным, но для того, чтобы понять, на какой угол повернулся вал или сколько оборотов он сделал, потребуется устанавливать дополнительные внешние элементы: энкодеры. Сервопривод уже содержит все необходимое для получения информации о текущих параметрах вращения и мжет самостоятельно выключаться, когда вал повернется на необходимый угол.

Отличия серво и шагового мотора

Важным отличием серводвигателя от шагового двигателя является возможность работать с большими ускорениями и при переменной нагрузке. Также серводвигатели обладают более высокой мощностью. Шаговые двигатели не обладают обратной связью, поэтому может наблюдаться эффект потери шагов, в серводвигателях потери шагов исключены – все нарушения будут зафиксированы и исправлены. При всех этих явных преимуществах серводвигатели являются более дорогостоящими приборами, чем шаговые двигатели, обладают более сложной системой подключения и управления и требуют более квалифицированного обслуживания

Важно отметить, что шаговые двигатели и сервоприводами не являются прямыми конкурентами – каждое из этих устройств занимает свою определенную сферу применения

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.

Шаговый режим vs подчиненное регулирование: практика

Шаговый режим vs подчиненное регулирование: сравнение в динамике

Способы отладки ПО микроконтроллеров в электроприводеРис. 7. Осциллограмма реакции на импульсный наброс нагрузки в «шаговом» режиме работы – к двигателю приложен вектор тока фиксированной амплитуды и фазы. Фиолетовым показано отклонение ротора от заданного положения в электрических градусах (для перехода в механические делить на 4), голубым показана амплитуда тока статора, красным – частота вращения вала. В одной клетке по оси времени 21 миллисекунда.Рис. 8. Осциллограмма реакции на импульсный наброс нагрузки с трехконтурной системой подчиненного регулирования. Фиолетовым показано отклонение ротора от заданного положения в электрических градусах (для перехода в механические делить на 4), голубым показан текущий ток статора по оси q (моментообразующий ток), синим – его задание, а красным – текущая частота вращения. В одной клетке по оси времени 21 миллисекунда.Рис. 9. Осциллограмма реакции на импульсный наброс нагрузки с трехконтурной системой подчиненного регулирования. Фиолетовым показано отклонение ротора от заданного положения в электрических градусах (для перехода в механические делить на 4), голубым – выход пропорциональной части ПИД регулятора положения, красным – интегральной, синим – дифференциальной частей. В одной клетке по оси времени 21 миллисекунда.Рис. 10. Осциллограмма реакции на импульсный наброс нагрузки с трехконтурной системой подчиненного регулирования. Коэффициенты регулятора положения повышены в полтора раза.Рис. 11. Осциллограмма реакции на импульсный наброс нагрузки с трехконтурной системой подчиненного регулирования. Токоограничение поднято с 5А до 7А.

Что выбрать: шаговый или серводвигатель?

Статья, которая поможет разобраться в чем отличие серводвигателя от шагового двигателя.

1. Бюджет
   Если Вы жестко ограничены в бюджете, возможно, выбора как такового и нет. Шаговые двигатели значительно дешевле серводвигателей. Однако, такая закономерность действует только до определенного момента. Начиная с двигателей с размером фланца 110мм, стоимость приводов на шаговых моторах и сервоприводов Darxton серии DXS уже сопоставима.
2. Размер станка.
   Чем больше станок, тем более крупные шаговые двигатели ему требуются. Резонанс больших шаговых двигателей может привести к пропуску шагов и снижению чистоты обработки. Рекомендация : Если рабочее поле станка превышает 1.2 м2, или масса портала превышает 50 кг, мы настоятельно рекомендуем использовать серводвигатели.
3. Сложность настройки
   Сервосистемы имеют десятки настраиваемых параметров, требуют больше внимания и более высокую квалификацию оператора. Если Вы ищете простое решение «включил и работай» — возможно, вам лучше использовать шаговые двигатели.

4. Наличие нагрузки на передачу в момент остановки

   Так, на ось Z для удержания шпинделя обычно лучше подходят шаговые двигатели — для них удержание самый эффективный режим, вал фиксируется в положении удержания совершенно неподвижно, а высоких скоростей и ускорений по Z как правило не требуется. Сервопривод в таких условиях будет совершать микроколебания, что нежелательно.Аналогично, если двигатель планируется к установке на поворотную ось, где требуется медленное вращение, и после каждого углового шага следует серия движений шпинделя вдоль заготовки — шаговый двигатель лучше справится с удержанием.

5. Необходимость достигать высоких ускорений

   Если есть такая необходимость — альтернативы серводвигателям нет. Шаговые двигатели весьма инертны, и попытка быстро разогнать его приведет к т.н. «срыву» — пропуску шагов или остановке вала. Тогда как сервоприводы способны кратковременно увеличить ток обмоток в 3-4 раза от номинального значения, чтобы развить больший момент и, соответственно, большее ускорение

6. Вероятность заклинивания механики
   Если вероятность заклинивания механической системы велика (например, в случае приводных актуаторов систем открывания ворот), серводвигатели использовать нежелательно — шаговые двигатели просто будут пропускать шаги, в то время как сервопривод в случае неправильной настройки может повредить передачу или обмотки собственного двигателя.
7. Звук
   Шаговые двигатели при работе издают весьма сильный гул. Если для Вас низкий уровень шума критичен — следует использовать сервоприводы.

В общем же случае построения фрезерного или иного станка с ЧПУ, сервоприводы предпочтительней шаговых, за счет своих многочисленных преимуществ. Если Вы не смогли определиться что выбрать: шаговый или серводвигатель, изучите таблицу отличий.

Применение

Сервоприводы применяются для точного (по датчику) позиционирования (чаще всего) приводимого элемента в автоматических системах:

• управляющие элементы механической системы (заслонки, задвижки, углы поворота)
• рабочие органы и заготовки в станках и инструментах

Сервоприводы вращательного движения используются для:

• Промышленных роботов.
• Станков с ЧПУ.
• Полиграфических станков.
• Промышленных швейных машин.
• Упаковочных станков.
• Приборов.
• Авиамоделирования.

Сервоприводы линейного движения используются, например, в автоматах установки электронных компонентов на печатную плату.

Серводвигатель

Сервомотор для авиамоделизма

Серводвигатель — сервопривод с мотором, предназначенный для перемещения выходного вала в нужное положение (в соответствии с управляющим сигналом) и автоматического активного удержания этого положения.

Серводвигатели применяются для приведения в движение устройств управляемых поворотом вала — как открытие и закрытие клапанов, переключатели и так далее.

Важными характеристиками сервомотора являются динамика двигателя, равномерность движения, энергоэффективность.

Серводвигатели широко применяются в промышленности, например, в металлургии, в станках с ЧПУ, прессо-штамповочном оборудовании, автомобильной промышленности, тяговом подвижном составе железных дорог.

В основном в сервоприводах использовались 3-полюсные коллекторные двигатели, в которых тяжелый ротор с обмотками вращается внутри магнитов.

Первое усовершенствование, которое было применено — увеличение количества обмоток до 5. Таким образом, вырос вращающий момент и скорость разгона. Второе усовершенствование — это изменение конструкции мотора. Стальной сердечник с обмотками очень сложно раскрутить быстро. Поэтому конструкцию изменили — обмотки находятся снаружи магнитов и исключено вращение стального сердечника. Таким образом, уменьшился вес двигателя, уменьшилось время разгона и возросла стоимость.

Ну и наконец, третий шаг — применение бесколлекторных двигателей. У бесколлекторных двигателей выше КПД, так как нет щёток и скользящих контактов. Они более эффективны, обеспечивают большую мощность, скорость, ускорение, вращающий момент.

Заключение

Автоматическое управление бытовыми и производственными системами прочно вошло в нашу жизнь. В последнее время стал широко применяться привод под управлением программируемых блоков различного назначения типа ардуино.

Это позволило создать принципиально новые любительские летающие радиоуправляемые устройства, роботы, детские игрушки. В промышленности сервопривод применяют в станках, на экскаваторе, на квадроцикле и т.д. Сегодня невозможно представить нашу жизнь без сервоприводов.

На видео представлена работа аналоговых сервоприводов sg90 в модели робота-паука:

Материалы по теме:

• Что такое ротор и статор в двигателе
• Как работает счетчик электроэнергии
• Как сделать автоматические ворота своими руками

Опубликовано:
29.07.2019
Обновлено: 29.07.2019