Logotype ServoStar Gear ServoStar
  • +7 (495) 532 53 46
    Вернуться

    Функциональные возможности современного сервопривода

    Современный сервопривод представляет собой сложное интеллектуальное устройство. Помимо задач движения, выполняемых с помощью современных методов с высокой точностью, сервоприводы выполняют множество вспомогательных задач: контроль силовых токов, регулировка напряжения питания в динамических режимах, контроль температуры двигателя и системы управления, отслеживание аварийных ситуаций и адекватная реакция на них. Именно наличие таких функций увеличивает надежность и срок службы приводов и систем, построенных на их основе, уменьшает эксплуатационные расходы, упрощает пусконаладочные работы. Данная статья содержит обзор функциональных возможностей современных сервоприводов.

    Современный сервопривод представляет собой многосенсорное интеллектуальное устройство. Как правило, в состав привода входят следующие датчики:

    Датчик позиции — квадратурный или синусный энкодер. Он используется в контуре позиционирования, для расчета текущей скорости вращения, а также при вычислении электрического угла в алгоритме векторного управления.
    Датчики токов в обмотках двигателя обеспечивают замкнутое регулирование контура тока. Замкнутое регулирование обеспечивает высокие динамические характеристики привода, и увеличивают надежность сервопривода.
    Датчик короткого замыкания. Данный датчик, по сути, представляет собой релейный датчик тока привода. Отличительной особенностью от обычного датчика тока является его быстродействие. Датчик предназначен для мгновенного отключения обмоток от силового напряжения в случае пробоя обмоток, короткого замыкания силового напряжения на землю, выхода из строя силовых ключей системы управления и в других аварийных ситуациях.
    Датчики температуры двигателя и системы управления предотвращают перегрев привода.
    Датчик напряжения питания двига теля. С помощью данного датчика система управления обеспечивает безопасное торможение. Известно, что при торможении двигатель переходит в генераторный режим, в результате резкого торможения большой инерционной нагрузки привод вырабатывает большую величину энергии.Часть выработанной приводом энергии поглощается накопительными емкостями блока питания, однако большая ее часть передается в сеть, повышая напряжение питания (Рис. 1). Повышение напряжения, в свою очередь, может привести к выходу из строя, как самого привода, так и внешнего оборудования, использующего ту же сеть питания. Поэтому современный привод при торможении отслеживает текущее напряжение и в случае превышения заданного значения переходит в режим стабилизации напряжения. Для этого, как правило, используются тормозные резисторы со схемой управления, которые гасят на себе лишнюю выработанную двигателем энергию.

    Функциональные возможности современного сервопривода

    Рис. 1. Поведение напряжения при резком торможении двигателя.

    Одним из ключевых аспектов системной интеграции, который учитывают интеграторы, это время установки и наладки готовой системы. Важнейшие качества, которыми должен обладать каждый узел в целевой системе — это простота согласования устройств, простота их настройки и возможность сквозного анализа работы всех узлов.

    В недалеком прошлом приводы получали задание на управление по скорости от контроллера верхнего уровня по аналоговому интерфейсу ±10В. Несмотря на явные недостатки данных интерфейсов, к которым можно отнести ограничение длинны кабеля управления, влияние помех на качество управления, усложнение кабельной топологии, отсутствие диагностики и пр., современные сервоприводы, как правило, имеют подобные интерфейсы для обратной совместимости. Однако заслуженную популярность приобрели цифровые линии связи, которые в рамках одной шины могут предоставить возможность объединять множество устройств и передавать не только данные управления, но и сигналы обратной связи датчиков, расположенных в приводах, передавать диагностическую информацию о состоянии привода, позволяют создавать полноценную распределенную систему. Преимущества такого подхода очевидны: увеличение надежности, простота монтажа, улучшение качества управления, увеличение расстояния между узлами. На сегодняшний день в мире существует множество стандартных интерфейсов, такие как CANOpen, ProfiBUS, EtherCAT, Sercos, PowerLink и другие. При выборе приводов с данными стандартами системный интегратор может быть уверен, что устройства даже разных производителей в состоянии взаимодействовать между собой без промежуточных шлюзов, поскольку и транспортный уровень данных протоколов, и прикладной строго унифицирован.

    Второй аспект системной интеграции — это настройка и мониторинг системы. Для решения данной задачи в комплект с приводом поставляется дополнительное программное обеспечение, с помощью которого пользователь может выбрать и настроить требуемые режимы работы привода, а также выполнить анализ качества настройки. Для целей анализа во многие сервоприводы входит программный осциллограф, который позволяет пользователю анализировать динамические параметры привода в процессе выполнения рабочих циклов. В качестве анализируемых данных могут выступать: токи, протекающие в обмотках двигателя, напряжение питания, скорость вращения, текущая позиция и т.п.

    Программный осциллограф сервопривода разделен на две части:

    первая часть, входящая в состав самого привода, которая выполняет захват и накопление данных, а также может подавать на привод тестовые воздействия (например, приращение скорости для анализа качества настройки контура скорости и тока).
    вторая часть, расположенная на компьютере, выполняет прием и графическое отображение параметров.

    Как правило, осциллографы могут работать в двух режимах, в непрерывном режиме и в режиме с накоплением. В непрерывном режиме, привод с заданной частотой передает в ПК текущие значения требуемых параметров. Данный режим позволяет анализировать относительно медленные процессы, например, изменение позиции, скорости, что связано с ограниченной пропускной способностью канала связи и невысоким быстродействием графических компонент установленных на ПК. Второй режим отличается высоким разрешением по времени и позволяет анализировать такие параметры как токи обмоток, параметры управляющего ШИМ сигнала, так и специфические внутренние параметры сервопривода. Высокое разрешение обеспечивается за счет буферизации накопленной информации с последующей передачей данных после завершения эксперимента.

    Например, программное обеспечение Мотомастер, входящее в комплект поставки сервоприводов серии СПШ10, поставляемых компанией ЗАО «Сервотехника» (Рис. 2), позволяет анализировать до трех параметров в режиме реального времени с разрешением до 25 мкс. При этом существует возможность одновременного съема информации с нескольких приводов, таким образом, позволяя пользователю анализировать поведение всей системы.

    Функциональные возможности современного сервопривода

    Рис. 2. Окно осциллографа программы Мотомастер

    Кроме сбора информации о состоянии привода, о возникших системных событиях, сервоприводы позволяют провести полную диагностику и быстрое устранение неисправностей, возникших в процессе работы. Как правило, такие приводы имеют энергонезависимую память, в которую записывают историю работы привода, которая заметно упрощает поиск неисправностей.

    Помимо встроенных датчиков приводы в состоянии обрабатывать внешние датчики, которые могут выдавать информацию в цифровом и аналоговом виде. Например, при работе приводов в составе таких систем, как координатные столы и манипуляторы, у механической системы имеются ограничения крайних позиций. Как правило, для предотвращения аварийных ситуаций такие системы оснащены концевыми датчиками или датчиками выхода из рабочей зоны. Современный сервопривод имеет цифровые входы, которые могут использоваться для ввода информации с данных датчиков. При этом система управления отслеживает аварийную ситуацию, которая может возникать при выходе из строя системы управления верхнего уровня или потери связи с ней. Схем реакции на возникновение данного события может быть множество.

    Повышенную гибкость современным сервоприводам придает дополнительный программный компонент – программируемый логический контроллер (ПЛК). ПЛК представляет собой интерпретатор программ пользователя, которые сохраняются в энергонезависимой памяти самого привода. Например, в сервоприводах серии СПШ10 обеспечивается высокая гибкость обработки концевых и других датчиков, т.к. схема обработки определяется пользовательской программой. Один из возможных алгоритмов обработки описывается в примере №1.

    Функциональные возможности современного сервопривода

    Аналогично сервоприводы обрабатывают аналоговые датчики, в качестве которых могут выступать датчики уровня жидкости, датчики давления и пр.

    Кроме того, с помощью встроенного ПЛК можно реализовать: управление внешним оборудованием с помощью портов вывода, обмениваться сообщениями между приводами по цифровым шинам, такими как CAN. Данные возможности позволяют разрабатывать распределенные системы и при этом, в ряде случаев, обойтись без использования Пример №2. Программа позиционирования внешних контроллеров верхнего уровня. Одна из интересных особенностей, заложенных в функционал привода серии СПШ10, это наличие таблицы данных размером 1500 32х битных значений, расположенного в энергонезависимой памяти системы управления. Данный массив доступен программам пользователя и может быть использован произвольно. Например, выполнять позиционирование рабочего органа в заданных точках, что проиллюстрировано в примере №2.

    Функциональные возможности современного сервопривода

    При этом формирование таблицы может осуществляться как с помощью записи из ПК, так и в режиме обучения. В режиме обучения инженер выполняет последовательное позиционирование привода в заданные позиции (с помощью джойстика или с помощью ручного перемещения рабочего органа), механизма осуществляется по заранее сфори запоминает позицию с помощью подачи мированной сложной траектории движения. импульса на порт ввода привода (например, Данная функция очень удобна при использос помощью кнопки). При этом одновременно вании в таких системах как вращающийся может программировать сколь угодно много нож, «летающие» ножницы, упаковочные приводов, запоминая, таким образом, двух, автоматы, автоматы равномерной намотки трех и более мерную позицию рабочего ор-троса на барабан и множестве других. гана. Уменьшение износа, как самого привода,

    При этом формирование таблицы может осуществляться как с помощью записи из ПК, так и в режиме обучения. В режиме обучения инженер выполняет последовательное позиционирование привода в заданные позиции (с помощью джойстика или с помощью ручного перемещения рабочего органа), и запоминает позицию с помощью подачи импульса на порт ввода привода (например, с помощью кнопки). При этом одновременно может программировать сколь угодно много приводов, запоминая, таким образом, двух, трех и более мерную позицию рабочего органа. Следует заметить, что классическая архитектура для решения таких задач предполагает, помимо приводов, наличие контроллера верхнего уровня, который формирует траектории движения для каждого из привода.

    Более продвинутым вариантом синхронизации осей является CAM функция или так называемый «электронный кулачек», которая поддерживается в приводах компаний Control Technics, Bosh Rexroth, Siemens. Один из приводов выступает в роли мастера, который передает свою текущую позицию оставшимся приводам. Остальные приводы табличным методом определяют соответствие между позицией мастера и своей позиции. При этом каждый ведомый привод выполняет требуемую интерполяцию (линейную, круговую и сплайн интерполяцию) при движении из точки в точку. В результате движение исполнительного механизма осуществляется по заранее сформированной сложной траектории движения. Данная функция очень удобна при использовании в таких системах как вращающийся нож, «летающие» ножницы, упаковочные автоматы, автоматы равномерной намотки троса на барабан и множестве других. Уменьшение износа, как самого привода, так и исполнительного механизма, приводимого в движение сервоприводом обеспечивается за счет наличия внутреннего интерполятора, который реализует функцию плавного разгона и торможения. Данная функция обеспечивает управление ускорением сервопривода. При этом переход в целевую позицию может выполняться как показано на Рис. 3.

    Функциональные возможности современного сервопривода

    Рис. 3. График скорости при использовании функции плавного разгона и торможения.

    В последних версиях многих сервоприводов все чаще появляется дополнительная особенность внутреннего интерполятора контроллера – так называемая s-кривая разгона и торможения. Данная функция реализована в приводах компании Control Technics, в приводах серии СПШ10. Данная функция обеспечивает плавное изменение ускорения, т.е. контролирует вторую производную скорости, т.е. рывок. При этом графики изменения скорости и ускорения привода выглядят, как показано на Рис. 4. Реализация данной функции стала возможна только благодаря развитию специализированных сигнальных процессоров с большой вычислительной мощностью, т.к. для выполнения расчета точки начала останова необходимо решать сложную систему уравнений с частотой 500-2000 Гц.

    Функциональные возможности современного сервопривода

    Рис. 4. График скорости при использовании s-кривой.

    Наличие такой функции в большей степени снижает износ механической системы с одной стороны и увеличивает быстродействие системы с другой. Рассмотрим подробнее переходный процесс, происходящий в системе, из состояния покоя. Для примера возьмем обычный линейный модуль, реализованный на базе шарико-винтовой передачи (ШВП). В начальный момент вращения привод осуществляет поворот каретки ШВП, при этом из-за наличия люфта некоторый угол поворота каретка не касается винта. По завершению прохождения люфтовой зоны каретка на скорости стыкуется с винтом, в результате происходит механический удар, который уменьшает срок службы передачи. Поэтому инженеры-технологи настраивают ускорение приводов таким образом, чтобы в момент удара скорость вращения было минимальной. Однако, после выхода системы в нормальную зону движения, ускорение желательно увеличить, чтобы выполнить переход в заданную позицию максимально быстро, чтобы повысить производительность системы. Аналогично можно описать и процесс торможения или стабилизации скорости, при которых инерция массы винта и полезной нагрузки приводит к тому, что винт «обгоняет» каретку и, пройдя люфтовую зону, врежется в каретку. Решением данной задачи является введение ограничения рывка, т.е. управление ускорением в момент старта, останова и стабилизации скорости. В результате, рассогласование скоростей между кареткой и винтом в момент контакта становится минимальна, что снижает износ ШВП. С другой стороны после перехода в нормальный режим движения ускорение можно плавно увеличить до величины допустимой данной ШВП. В результате скорость выполнения переходного процесса заметно возрастает без увеличения износа оборудования.

    Современные сервоприводы отнюдь не ограничиваются перечисленными функциональными возможностями. Кроме того, можно с уверенностью сказать, что вслед за развитием микроэлектроники, появлением новых методов управления, новых технологий связи, будет не только увеличиваться точность и скорость отработки задающего воздействия, но и расширяться их функциональные возможности.

    Источник: //controlengrussia.com/innovatsii/funkcionalnye-vozmozhnosti-sovremennogo-servoprivod/