Поддержание положения в сервоприводе: подчинённое регулирование vs шаговый режим
После выхода предыдущих статьей о векторном управлении электродвигателями поступило много вопросов о позиционном приводе – как приводом отрабатывать заданное положение? Как работает сервопривод в современных станках, как использовать сигнал с датчика положения, чем отличается шаговый привод от сервопривода с подчиненным регулированием? Давайте всё покажу в виде картинок и видео.
Итак, что же такое сервопривод с контуром положения? Для начала посмотрите вот это. Чтобы было видно графики на фоне советую смотреть в полноэкранном режиме.
Трехконтурная структура управления
Система управления стремится поддерживать заданное положение вала ротора. Я вношу возмущающее воздействие, отвожу ротор от заданного положения, но после отпускания вала он снова вмиг возвращается к заданию. Даже если его «закрутить» на несколько оборотов, система управления открутит эти несколько оборотов назад, причем с очень хорошей динамикой — такой, что движение даже не успевает попасть в кадры видео. На заднем фоне виден график работы привода: красным показан ток двигателя (пропорционален моменту), зеленым отображается текущее положение вала ротора, а желтым – задание положения. Максимальный разрешенный момент (ток) у двигателя в этом эксперименте был ограничен в три раза от максимального, на полном я бы не смог его так легко удерживать.
Как работает такая система управления? Это классическая трехконтурная система подчиненного регулирования с последовательной коррекцией, показанная на рис.1.
Рисунок 1. Трехконтурная система подчиненного регулирования
Почему подчиненного? Потому что каждый вложенный контур «подчиняется» заданию вышестоящего. В системе три контура, перечисляю начиная с внутреннего: конур тока (момента), контур скорости (частоты вращения), контур положения. Соответственно, каждый контур с помощью своего регулятора поддерживает на заданном уровне свою величину. В данном случае использовался ПИ-регулятор для токов, П-регулятор для скорости и ПИД-регулятор для положения. Никакой магии типа фаззи-логики, линейно-квадратичных регуляторов и прочего.
Почему именно три контура и именно таких? Попробую объяснить, как обычно, «на пальцах». Если мы хотим регулировать положение, то лучшее, чем мы можем для этого управлять – это скорость (частота вращения), потому что именно скорость напрямую влияет на изменение положения (скорость – это производная от положения), а все остальные величины (ток, напряжение и прочее) влияют на положение более сложным образом, более трудным для регулирования. Далее, если мы теперь хотим регулировать скорость, то лучшее, чем можем управлять – это момент двигателя, так как момент определяет ускорение привода, и оно также самым простым математическим законом связано со скоростью. Так как для двигателя момент — это ток (для двигателя постоянного тока это справедливо в явном виде, а для двигателей переменного тока справедливо для моментообразующего тока в векторном управлении), то для регулирования момента нужно управлять напряжением на инверторе преобразователя, потому что ток и напряжение тоже связаны в первом приближении через простое дифференциальное уравление.
Если какой-либо внутренний контур опустить, то… положение регулироваться будет, но будет регулироваться плохо, не с таким быстродействием, как в трехконтурной системе. Если выкинуть, например, контур тока, заставив регулятор скорости воздействовать напрямую на напряжение инвертора, то останется бесконтрольным момент привода (ток) – он будет меняться как хочет, переходные процессы будут пущены на самотёк. К сожалению, некоторые ардуиноводы делают структуру, показанную на рис.2.
Рис.2. То, как не нужно регулировать положение привода.
Такая структура работает отвратительно (медленно и качается), хотя как-то работает – ПИ-регулятор всё вытянет.
Постоянный и переменный ток: в чем разница для контура положения?
В чем разница в регулировании положения для двигателей постоянного тока и для двигателей переменного тока? В способе поддержания момента. В двигателе постоянного тока достаточно поставить один регулятор тока, который воздействует на напряжение якорной обмотки – получится регулирование момента. В двигателях переменного тока (например, синхронной машине с постоянными магнитами и асинхронном двигателе) придется применять векторное управление. Что это такое и как работает уже было подробно рассмотрено в статьях Векторное управление электродвигателем «на пальцах» и Векторное управление для асинхронного электродвигателя «на пальцах». Также, как и для двигателя постоянного тока, векторное управление позволяет регулировать момент на двигателе. Далее сверху «навешиваются» такие же регуляторы скорости и положения. Итоговая работоспособность контура положения не зависит от типа двигателя (меняются лишь незначительные нюансы).
Шаговый режим работы
Для синхронных машин с постоянными магнитами существует еще один вариант отработки положения – так называемый «шаговый» режим работы. Двигатели, для него оптимизированные, соответственно, называются шаговыми. Не все шаговые двигатели – синхронные машины с магнитами, но большая их часть именно такая (бывают еще шаговики индукторного типа). Как это работает? В двигатель просто подается постоянный ток в нужные фазы. И всё. Ротор под действием «магнитной пружины» сам встаёт в соответствующее току положение. Если нужно поменять положение вала, то вектор тока нужно поворачивать — плавно или дискретно зависит уже от «драйвера» шагового двигателя (с микрошагом или без). Про то, как работает синхронный двигатель, и где там в нем магнитная пружина уже было рассказано в статье.
Шаговый режим хорош тем, что кроме контура тока ему ничего не нужно – ни датчик положения, ни даже микроконтроллер. Система управления для такого режима собирается из трех с половиной микросхем и применяется во всех ЧПУ станках любительского (и не очень) уровня. В чем минусы? Положение поддерживается тоже отвратительно. Поддержанием положения в таком режиме занимается сам двигатель – в статор подается постоянный ток, а ротор стремится встать в соответствующее положение. Можно представить два прямоугольных магнита на одной оси, проходящей через их середину (рис 3). Одним магнитом мы управляем (статорный ток), а второй – ротор, болтается сам по себе и стремится повернуться согласно первому, параллельно ему.
Рис. 3. Шаговый режим работы синхронной машины
Момент на роторе в таком режиме изменяется по закону синуса от угла рассогласования между этими двумя магнитами. В согласованном положении момент равен нулю (на ротор не действует нагрузка), на 90 градусах (магниты перпендикулярны) момент двигателя максимален и стремится повернуть ротор в согласованное положение. А амплитуда этого синуса изменения момента зависит от величины поданного тока.
Число пар полюсов
Рис.4. Одна пара полюсов vs две пары полюсов.
Если пытаться провернуть такой двигатель с двумя парами полюсов с поданным постоянным током в фазы, то момент на роторе вырастет до максимального не за четверть оборота (90 градусов, как в одной паре полюсов), а за восьмую часть оборота (45 механических градусов). У двигателя будет два устойчивых положения ротора на механическом обороте. Для удобства описания процессов в двигателе вводят понятие «электрического оборота» – то, насколько надо провернуть ротор, чтобы магниты ротора одного полюса встали на место таких же от другого полюса, т.е. чтобы сделать один «шаг». Тогда говорят, что ротор провернулся на 360 электрических градусов, а чтобы перевести это в механические, надо поделить на число пар полюсов. На электрическом обороте поведение всех двигателей в плане управления одинаково, независимо от числа пар полюсов. Увеличение числа пар полюсов создает лишь эдакий «электрический редуктор» – можно взять машину с одной парой полюсов и поставить дальше четырехкратный понижающий редуктор, а можно взять машину с четырьмя парами полюсов и получить, грубо говоря, то же самое.
Шаговый режим vs подчиненное регулирование: теория
Для шаговых двигателей число пар полюсов делают очень большим – 50, 100 и более. В этом случае естественные возможности по поддержанию положения получаются очень хорошими – если гарантировать, что момент нагрузки никогда не превышает максимальный момент двигателя, то положение без всяких датчиков положения будет поддерживаться с точностью (±360/(число_пар_полюсов*4)) механических градусов. Правда, цена за это – сильное ухудшение показателей двигателя в массогабаритном плане и КПД. Если сравнить по мощности шаговый двигатель с сотней пар полюсов и такого же габарита синхронный двигатель с небольшим количеством пар полюсов, то длительно-допустимая мощность у шаговика будет в разы меньше. А еще из-за увеличения числа пар полюсов у шаговиков есть проблема с работой на больших частотах вращения. Частоту тока в них приходится подавать в количество_пар_полюсов раз большую, чем в «обычную» синхронную машину, что даёт частоты тока порядка килогерца и более – там и потери на перемагничивание железа огромные, и не всякая система управления такое может.
Кроме того, шаговики не обеспечивают хорошей динамики разгона и торможения, так как при разгоне двигатель должен перебороть два момента: момент нагрузки, а также динамический момент на разгон маховой массы и рабочего органа. И если сумма всех моментов превысит максимальный момент двигателя, он пропустит шаг, что для ЧПУ недопустимо. Поэтому шаговики разгоняют и тормозят обязательно плавно, с большим запасом между суммарным моментом на валу и максимальным моментом двигателя, чтобы не пропускать шаги.
Стоит также отметить, что в шаговом режиме при приложении к ротору нагрузки он всегда будет поддаваться и отклоняться от заданного положения на некоторый угол, каким бы ни был поданный в двигатель ток. Также при резком пропадании нагрузки возможны колебания – ротор на магнитной пружине будет качаться туда-сюда. Если с нагрузкой не повезет, и она будет импульсная, то она может совпасть внутренней частотой колебаний ротора, раскачать его, после чего ротор выпадет из синхронизма – двигатель «пропустит шаг».
Что же делать, если для решения задачи нужно и хорошо поддерживать положение, и получить динамичный, высокоскоростной привод? Не использовать шаговики! А использовать «обычную» синхронную машину с небольшим числом пар полюсов в качестве серводвигателя, установить датчик положения и построить трехконтурную систему управления. В векторной системе управления никаких «шагов» уже нет – теряться нечему. В шаговом режиме через двигатель всегда требуется пропускать большой ток, а в векторном режиме с трехконтурной структурой управления ток течет только тогда, когда к валу приложена нагрузка. Точность поддержания положения в системе подчиненного регулирования чаще всего определяется точностью датчика положения ротора. Чем точнее датчик, тем качественнее получается работа контура положения. А современные датчики положения бывают очень точны – сотни тысяч меток на один механический оборот. Это на порядки лучше, чем дают шаговые двигатели с самым сильным дроблением шага.
Шаговый режим vs подчиненное регулирование: практика
Рис. 5. Отладочный комплект для управления электродвигателем VectorCARD К1921ВК01Т
Серводвигатель – Leadshine ACM601V36-1000. Трехфазная синхронная машина с постоянными магнитами на 100Вт, 4 пары полюсов, напряжение питания 36В, номинальный ток 4А, пиковый 11А. Датчик положения – встроенный инкрементальный энкодер на 1000 периодов квадратурного сигнала (или, что то же самое, 4000 фронтов (меток) по двум каналам A и B суммарно).
Инвертор – шестиключевой инвертор на полевых транзисторах из комплекта DRV8301-HC-EVM Texas Instruments.
Контроллер – отладочная плата VectorCARD К1921ВК01Т на отечественном микроконтроллере К1921ВК01Т ОАО «НИИЭТ» (ARM Cortex-M4F, 100МГц).
Общая структура векторного трехконтурного подчиненного регулирования, создана программно, показана на рис. 6. 
Рис. 6. Трехконтурная структура с векторным управлением синхронным двигателем: контура токов (момента), скорости, положения.
Если кому-то эта структура кажется страшной, то всё, что обведено в зеленую рамку было до основания разобрано в статье Векторное управление электродвигателем «на пальцах». По своему принципу структура ничем не отличается от структуры рис. 1.
Частота ШИМ задана равной 20кГц, частота обсчета структуры управления (всех трех контуров) – 10кГц. Датчики тока – шунтового типа, установлены последовательно с нижними ключами инвертора. Ресурсы микроконтроллера по производительности вычислений загружены чуть более, чем на половину.
Шаговый режим vs подчиненное регулирование: сравнение в статическом режиме
Сначала сравним шаговый режим работы и трехконтурную систему подчиненного регулирования с векторным управлением «в статике». Зададим одно и то же положение ротора, а затем будем плавно увеличивать момент нагрузки на валу. В шаговом режиме работы подадим номинальный ток 4А, а в векторном режиме работы поставим токоограничение 4А. Что мы ожидаем увидеть?
В шаговом режиме работы ток будет постоянным как по фазе, так и по амплитуде, а положение ротора должно «прогибаться» на магнитной пружине под нагрузкой. Так как число пар полюсов равно 4, то максимум момента должен достигаться при отклонении 360/4/4 = 22.5 механических градусов от первоначального согласованного положения.
Что будет в трехконтурной системе управления? Регулятор положения в этом опыте – ПИД (пропорционально – интегрально – дифференциальный). Ключевая буква здесь «И» – он имеет интегральную составляющую. Это значит, что до тех пор, пока между заданным положением и текущим есть хоть какое-то рассогласование, интегратор регулятора будет интегрировать и увеличивать свой выход, пока ошибка не придет в ноль. Это значит, что если нагружать вал медленно, так, чтобы интегратор успел наинтегрировать и скомпенсировать ошибку (т.е. в статическом режиме), то вал будет стоять в одном и том же положении «мёртво». Но когда запас по току (моменту) привода будет исчерпан (задание на ток дойдет до ограничения 4А) привод сразу начнет поддаваться и отклоняться от задания (тем не менее, всё время будет тянуть с максимальным моментом по направлению к заданию).
Для отслеживания текущего положения вала ротора удобно наблюдать сигнал ошибки с датчика положения (разница между заданием и текущим положением), а также ток статора. При проведении опыта осциллограмма с этими данными будет видна на заднем фоне. Для наблюдения текущего момента нагрузки в опыте использован высокоточный специализированный динамометр, который я достал из ящика кухонного стола. Вот, собственно, сам опыт (чтобы было что-то видно — полный экран!):
Видео подтверждает сказанное. В векторной трехконтурной системе управления ротор стоял неподвижно, пока я не «выбрал» доступные 4А тока, а потом ротор стал отклоняться. В разомкнутой по положению структуре с постоянным током ротор легко поддался внешнему моменту. Так как число пар полюсов этого двигателя равно 4, то ротор отклонился более, чем на 20 градусов от задания.
Шаговый режим vs подчиненное регулирование: сравнение в динамике
Всё становится интереснее в динамике. Что если приложить импульсную, ударную нагрузку? Здесь получается соревнование двух принципиально разных систем. В векторной системе управления быстродействие зависит напрямую от быстродействия трехконтурной структуры управления. Чем жестче настроены регуляторы, чем быстрее частота обсчета структуры, чем точнее и быстрее датчики, тем лучше получится реакция на возмущение в динамике. В шаговом режиме работы система управления «отдыхает». Она создала вектор тока – это всё, что от неё нужно. Всю реакцию на возмущающее воздействие обеспечивает сам двигатель. Момент на валу при отклонении вала ротора возникает «мгновенно», так как это, по сути, взаимодействие двух магнитов. Но момент увеличивается пропорционально синусу от электрического угла отклонения, а значит, такая система будет иметь определенную жесткость. В общем, это обычная «магнитная пружина». Сравнение в динамике – это очень хороший показательный опыт для трехконтурной системы управления. Если она медленная, то она не сможет показать результат лучше, чем разомкнутая структура. Да, в статике трехконтурная структура может выбрать ошибку по положению в ноль интегральной частью регулятора, но в динамике может и «просесть» сильнее, чем обычный шаговый режим работы. Проверим?
Для проведения этого опыта я воспользовался мерным грузом, который нашел в своем шкафу с инструментами, а также ниткой, привязанной к штанге, которая имеет консольное закрепление на муфте двигателя. Сбрасывая груз вниз с фиксированной высоты, получаем ударную импульсную нагрузку на вал ротора. Можно наблюдать, насколько отклонится вал ротора от задания в момент удара. Вот видео эксперимента:
Вначале включен шаговый режим работы с фиксированным вектором тока. Я показываю, как ротор прогибается под воздействием момента нагрузки, как, пересилив момент нагрузки, можно перескочить в другое фиксированное положение. Затем провожу эксперимент по сбросу груза. Далее то же самое для трехконтурной структуры управления. Заметили ли вы, насколько меньше отклонился вал ротора на видео в трехконтурной системе управления? Или, может быть, больше? Я нет.
Если бы похожее видео снимал канал Дискавери, они обязательно установили бы высокоскоростную камеру для красивых сравнительных кадров. Однако у нас есть инструмент поточнее – датчик положения ротора и микроконтроллер. Нужно просто снять осциллограмму ошибки отработки положения в момент приложения импульсной нагрузки. Как это делается подробно описано в статье Способы отладки ПО микроконтроллеров в электроприводе. Если кратко, то микроконтроллер по определенному событию записывает точки осциллограммы в массив, а затем осциллограмма скачивается на компьютер и отображается. Я в софте контроллера установил триггер захлопывания осциллограммы, когда ошибка по положению больше определенной уставки, вписав для этого пару строк кода на Си. После чего на компьютере я получил вот такую осциллограмму для шагового режима работы с током 5А:
Рис. 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.
В осциллограф я добавил три переменных системы управления: ошибка по положению, ток статора, частота вращения вала. Из осциллограммы видно, что ток статора оставался постоянным и равным 5А, ударная нагрузка внесла лишь небольшое возмущение в него (за счет ЭДС вращающегося двигателя). А вот положение скакнуло сильно. Максимальное отклонение положения вала от задания составило 36 электрических градусов (или 9 механических). Наблюдается затухающий колебательный режим ротора после удара. Я провел несколько таких опытов, убеждаясь в повторяемости. Все осциллограммы получились схожи – благо, что при наличии нужного инструментария время на проведение опыта и получение осциллограммы (в том виде, как вставлена в статью) составляет секунд 5-10.
Теперь посмотрим, что покажет трехконтурная структура управления (рис. 8). Предварительно я настроил у неё все регуляторы на среднее быстродействие.
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.
Здесь процесс поинтереснее. Помимо, собственно, положения, я добавил в осциллограф еще всяких величин, по которым видно работу подчиненного регулирования. В начальный момент времени всё равно нулю: ошибка равна нулю, скорость, ток статора и его задание. На ротор не действует сил, он покоится за счет своей силы трения. Но изолента в этот момент уже неумолимо летит вниз, веревочка разматывается… В определенный момент длина нити выбирается, груз ударяет по валу, положение начинает меняться, ошибка (обратная связь регулятора положения) выстреливает вверх, вместе со скоростью вала. В ответ на это трехконтурная система резко наращивает момент на приводе, пытаясь вернуть его в первоначальное положение. Спустя пять миллисекунд после удара момент на двигателе достигает максимально-разрешенного (ток 5А), после чего положение нехотя начинает меняться в обратную сторону, скорость меняет знак. Перелетев нулевую точку и совершив пару колебаний, система приходит к заданию.
Видно, как задание на ток статора (синее) немного опережает текущее значение (голубое), но задержка менее миллисекунды, что говорит о высоком быстродействии контура тока. Однако в задании тока видна некоторая «пушистость» и «иголки», особенно под конец переходного процесса. Что это и откуда? Давайте рассмотрим, что выдает при этом процессе регулятор положения – выход его пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих. Роняю изоленту еще раз, вот они:
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.
Посмотрите, как отрабатывают переходной процесс все три части ПИД регулятора. Осциллограмма – как из учебника, но эта – живая, настоящая и свежая, только из двигателя. Выход пропорциональной части прямо пропорционален ошибке. Интегральная часть – это интеграл от ошибки, смотрите как он наинтегрировал «вниз» от первого большого колебания и потом нехотя приходит к нулю. Дифференциальная часть – это производная от ошибки. Но так как датчик положения инкрементальный и всего лишь на 1000 меток, то изменение каждой метки – событие. Поэтому положение для системы управления меняется дискретно, скачками, а значит и производная от такого изменения будет «игольчатой». Или даже импульсной, прямоугольной, шумной – что мы и видим.
Но постойте… Производная от положения – это же скорость! Пролистайте выше до рис. 8 и сравните тот график скорости с графиком дифференциальной части рис.9. То же самое, но без шума! Потому что скорость вращения модулем обработки инкрементального энкодера определяется более грамотно – аппаратной частью микроконтроллера, засекающего время между метками датчика. Та же самая «производная» от положения, но более правильно измеренная.
Какая же мораль? Не все составляющие регулятора одинаково полезны. То, что делает дифференциальная составляющая регулятора положения, теоретически должно делаться нижестоящим контуром скорости. Раз она мне понадобилась для более качественной настройки, то это означает лишь, что я недонастроил промежуточный контур скорости.
Ах, да. С чего мы там начали? С ошибки по положению. В разомкнутом по положению режиме работы ошибка была 36 электрических градусов (9 механических), а в трехконтурной системе подчиненного регулирования с данной настройкой регуляторов она равна 21 электрический градус (5.2 механических). Лучше, да. А можно еще лучше? Давайте задерем еще коэффициенты регулятора положения. Повышаю всё – Kп, Kи, Kд раза в полтора. Смотрим:
Рис. 10. Осциллограмма реакции на импульсный наброс нагрузки с трехконтурной системой подчиненного регулирования. Коэффициенты регулятора положения повышены в полтора раза.
Ошибка уменьшилась, да… 18 электрических градусов. Но что мы видим? Система управления практически сразу уперлась в токоограничение. Она хотела бы приложить ток больше 5А, но я поставил ограничение 5. Почему? Чтобы по-честному сравнить с разомкнутой системой управления, у которой тоже ток был 5А. Только вот получилось нечестно: векторная система управления создает ток только когда ей это нужно (когда надо реализовать момент), а разомкнутая система «гонит» заданный ток всегда. С точки зрения нагрева и потерь для двигателя гораздо предпочительнее векторая система управления.
Разрешим векторной системе «поддать» току? Хотя бы на короткое время. По паспорту двигатель допускает 11А. Разрешим 7А, чтобы оценить результат.
Рис. 11. Осциллограмма реакции на импульсный наброс нагрузки с трехконтурной системой подчиненного регулирования. Токоограничение поднято с 5А до 7А.
Ошибка всего 15 электрических градусов! Это в 2,5 раза меньше, чем в разомкнутой по положению системе управления. Но смотрите, что это там в конце графика? «Иголки» в задании тока… и они продолжаются и продолжаются, что я слышу акустически – двигатель «звенит». Это называется автоколебаниями – слишком сильно задрал коэффициенты регулятора.
Замкнутые контура и их шумы
В начале видео показан шум от контура тока. Был включен только контур тока с двумя регуляторами токов. В двигателе появился шум, который мой коллега сравнил с шумом от трубы, по которой течет вода. Похоже на «белый» шум. Этот шум рождается из-за шума измерений токов фаз. Регуляторы тока из-за сравнительно большой пропорциональной составляющей (необходима для требуемого быстродействия) ловят все небольшие флуктуации измерения тока и усиливают их, передавая на задание напряжения инвертора. Т.е. изначально ток в двигателе ровный и не шумит, но шумит его измерение, регуляторы тока пытаются его скомпенсировать, «дергают» за напряжение инвертора, тем самым заставляя реальный ток в двигателе на самом деле «шуметь». На осциллограмме это видно вот так:
Рис. 12. Осциллограмма переходного процесса скачка задания (1А) регуляторов тока и их последующий «шум». Показана обратная связь по регуляторам токов (сигнал с АЦП) и выход регуляторов, подающийся на инвертор. В одной клетке по оси времени 4.2мс.
На осциллограмме показан не только шум, но и переходной процесс регуляторов тока при включении. Ток отрабатывается менее чем за 1мс, а переходной процесс близок к настройке на технический оптимум. Шум в измерении тока порядка +-0.02А приводит к изменению выходного напряжения на 20% от текущего, что и слышится как шум. Если в 10 раз замедлить регуляторы, то можно получить такую картину:
Рис. 13. Осциллограмма переходного процесса скачка задания (1А) регуляторов тока с заниженным в 10 раз Кп и Ки по отношению к настройке на технический оптимум. В одной клетке по оси времени 4.2мс.
Регуляторы токов стали мягкие и тихие, как вата, и им абсолютно неинтересно реагировать на какой-то там шум в аналоговом канале – как, впрочем, и на собственное задание…
Далее в видео показаны различные звуки от регулятора положения. Опытов там много, покажу последний случай – автоколебания при чрезмерно завышенном Кп регулятора положения. Так как датчик положения инкрементальный, при большом Кп изменение положения всего на одну метку заставляет «бешеный» регулятор сильно нервничать, подкидывая задание на контур скорости, и, соответственно, на ток. Как-то так:
Рис. 14. Автоколебания контура положения с чрезмерно завышенным Кп. Фиолетовым и красным показан моментообразующий ток статора (задание и фактический), голубым – положение с энкодера в метках (инкрементах), синим – выход регулятора положения (задание на контур скорости).
Видно, как при изменении положения всего на одну метку (один «тик» датчика положения) система управления подкидывает задание тока на 0,3А. Это немалый момент, учитывая номинал двигателя 5А, что приводит к началу движения и, соответственно, колебаниям. На видео видно, как «страшно» звучат автоколебания, хотя положение скачет на одну безобидную метку туда-сюда.
В связи с этим возникает философский вопрос: какие колебания и шумы страшны, а на какие не стоит обращать внимания? Всё зависит от объекта – где применяется сервопривод. Если это трехкоординатный станок с редуктором и люфтами, рука-манипулятор для сварки или быстродействующий сервопривод какого-то рулевого механизма – то там «звон» не так страшен. В таких применениях только именно акустический шум может вызывать недовольство, но на технический процесс едва ли что-то из показанного в видео повлияет. А вот если это прямой привод позиционирования каких-нибудь там подложек на кремниевой фабрике или если это прямой привод микроскопа – вот там шумы не допускаются никакие «от слова совсем». Не то что скрипы контура положения от энкодера, но и даже тот едва слышимый шум от контура тока уже может быть проблемой. Потому что всё это передается на рабочий орган и приведет к нарушению техпроцесса.
Да, нужно сказать, что все те звуки, которые показаны в видео – это не просто звуки. Если схватиться за вал, то все они ощущаются, и очень хорошо. Человеческие пальцы очень чувствительны – гораздо лучше многих датчиков. Даже ощущается тот шум «текущей воды» от регуляторов тока. Точно так же, как от трубы водопровода. Поэтому для задач сервопривода, которые взаимодействуют с человеком, шумы и колебания тоже нежелательны. Представьте себе симулятор самолета с наклоняющейся кабиной, где привода под ней хрустят и стонут.
Как с шумами бороться? Ну, с контуром положения более-менее понятно – нужно ставить более точный датчик. Энкодер из этих опытов на 1000 меток – это датчик «курам на смех» в сфере высокоточного сервопривода. Там если ставят энкодер, то порядка сотни тысяч меток. А чаще ставят аналоговый датчик положения, который выдает синусно/косинусный сигнал. Применяя хорошее АЦП и оверсемплинг (измеряя гораздо чаще, чем это надо, а потом усредняя результат) можно получить еще на порядок большие точности, чем дает энкодер.
Что делать с шумом АЦП в контуре тока? Во-первых, искать источник шума. В данном приводе источник шума был найден – это DC/DC, делающий из входного силового питания приборное 5В и установленный на плате инвертора. Разводка платы не совсем удачная, и DC/DC «фонит» на все рядом проходящие дорожки платы. Сам же АЦП микроконтроллера гораздо менее шумный, чем шум от этого DC/DC. Во-вторых, можно применять тот же оверсемплинг, если производительность АЦП это позволяет. В-третьих, нужно правильно выбирать диапазон измерений. Я работал с двигателем на 5А от преобразователя на 60А. Соответственно, полный диапазон АЦП по измерению тока тоже близок к 60А. Если бы диапазон был 20А, то тот же шум на аналоговый канал после преобразования в амперы оказался бы в три раза меньше.
Но шум от АЦП – это ещё не все. Я не показал в видео один из главных шумов, который не слышно – шум от ШИМ. Частота ШИМ в этих опытах была установлена равной 20кГц – на границе слышимости. Но это не значит, что на вал ротора эти вибрации не передаются. Нужно измерить пульсацию тока в двигателе, вызванную данной частотой ШИМ, пересчитать её в момент, а затем уже можно оценить, «пройдет» она на вал или нет. На рисунке 15 показаны пульсации тока в фазе двигателя, измеренные внешним датчиком и осциллографом.
Рис. 15. Пульсации тока в фазе двигателя при частоте ШИМ 20кГц. Величина пульсаций 0.3А.
Пульсации тока в 0.3А довольно значительны. Вернее, были бы значительны, если бы мы этим приводом собрались позиционировать кремниевые подложки на фабрике Intel. Благо, конкретно таким типам двигателей это не светит и о проблеме можно забыть. Но что делать, если нужно сделать более серьезный привод? Для начала можно увеличить частоту ШИМ. Современные силовые полевые транзисторы могут обеспечить частоту переключений до 500кГц. Однако тут есть… три проблемы.
Первая проблема — с увеличением частоты ШИМ увеличивается влияние так называемого «мёртвого времени» (некоторые называет его бестоковой паузой, но это неправильно – ток там течёт). Это время, когда нижний транзистор инвертора уже выключился, а верхний еще не включился (и наоборот). Это время одно и то же для одного типа транзисторов, и в процентах к периоду ШИМ оно становится всё больше с повышением частоты ШИМ. Мёртвое время искажает выходное напряжение инвертора, добавляя регуляторам тока нелинейности в инверторе.
Вторая проблема – с увеличением частоты ШИМ все сложнее генерировать эту самую ШИМ микроконтроллером. Микроконтроллер делает ШИМ с помощью аппаратного таймера, который «тикает» на единицу с каждым тактом микроконтроллера. Уставкой сравнения с таймером программист выбирает, на какое время открыть ключ. Что выйдет в такой системе с микроконтроллером на 100МГц и частотой ШИМ 500кГц? Делим одно на другое, получаем 200 квантов (дискрет) задания уставки. 200 уставок задания напряжения для ШИМ – это негодно «от слова совсем». Для сервопривода нужно минимум на два порядка больше. Для этого некоторые производители микроконтроллеров встраивают в свои изделия так называемый ШИМ высокого разрешения – позволяют отсчитать время открытия ключа с дискретностью по времени в несколько раз лучше, чем один такт микроконтроллера. В данном микроконтроллере такая возможность есть, однако включить ШИМ высокого разрешения мешает третья проблема.
Третья проблема – датчики токов. В используемом инверторе они шунтового типа и стоят последовательно с нижними ключами инвертора. А это значит, что измерить ток в фазе можно только в тот момент времени, когда открыт нижний ключ. А это значит, что запуск АЦП нужно синхронизировать с работой ШИМ и производить измерение строго в тот момент, когда приоткрывается нижний ключ. Проблема в том, что переходные процессы в аналоговых цепях не успевают закончиться, если частота ШИМ очень высока – ток начинает измеряться с ошибкой. В общем, всё сложно…
Есть принципиально другой путь – некоторые производители сервоприводов вообще отказываются от ШИМ и делают аппаратный контур тока либо на ПЛИС, либо вообще на операционных усилителях, работающих в линейном режиме и рассеивающих на себе всю лишнюю энергию, которую призван экономить ШИМ. Но это уже совсем-совсем другая история.
Выводы
Требования к сервоприводам очень разные – кому-то хватает шагового режима управления для простого медленного ЧПУ станка (цена вопроса драйвер+двигатель пара тысяч рублей), кому-то нужно такое качество поддержания положения, что даже шум контура тока становится проблемой. Данная статья «по верхам» рассказывает о некоторых аспектах работы системы подчиненного регулирования и качества работы контура положения, чтобы познакомить читателя с чем-то, кроме всем известных «шаговиков». Качество работы сервопривода, показанного в данных опытах, на самом деле, очень посредственное, главным образом из-за низкого разрешения датчика положения ротора. При использовании датчика с хорошим разрешением качество регулирования заметно возрастает.
Реклама
Данные опыты были проведены на отладочном комплекте VectorCARD K1921BK01T от ООО «НПФ Вектор», построенного на базе отечественного motorcontrol микроконтроллера K1921BK01T ОАО «НИИЭТ» (ARM Cortex-M4F, 100МГц). В отладочный комплект входит всё оборудование, показанное в видео статьи, включая программное обеспечение микроконтроллера в исходных кодах с этой самой трехконтурной системой подчиненного регулирования, а также ПО для наблюдения осциллограмм любых переменных системы управления.
Серводвигатели или шаговые двигатели. Что лучше для ЧПУ станка?
Станки с ЧПУ в основном используют шаговые или серводвигатели для своих осей.
Хотя оба двигателя могут управлять движением режущих инструментов и осей, в чем разница между ними?
Вместо того, чтобы углубляться в их теоретические различия, я расскажу вам о каждом важном отличии, имеющем практическое значение с точки зрения применения ЧПУ.
1. Размер фрезерного станка с ЧПУ
Размер фрезерных станков с ЧПУ играет жизненно важную роль при выборе двигателя.
Если вы хотите настроить фрезерный станок с ЧПУ с небольшой площадью основания и небольшой рабочей зоной, шаговый двигатель может быть лучше, чем сервопривод.
Как правило, шаговые двигатели используются для привода компонентов линейного перемещения, таких как ременный привод, ходовой винт и шариковый винт фрезерных станков с ЧПУ с максимальной площадью резания 4 х 4 фута.
Некоторые промышленные фрезерные станки с ЧПУ начального уровня с площадью резания 4 x 8 футов и 5 футов x 10 футов также используют шаговые двигатели, что помогает снизить стоимость.
В больших фрезерных станках с ЧПУ размер порталов велик и склонен к изгибу, для предотвращения изгиба используется более тяжелая конструкция.
В таких случаях серводвигатель является более подходящим выбором.
Серводвигатели
Еще одним фактором является размер самого двигателя. Из-за сложной конструкции серводвигатели крупнее и тяжелее шаговых двигателей.
Это означает, что для небольших приложений с ЧПУ степперы являются лучшим выбором.
2. Управление двигателем
Шаговые двигатели перемещаются на заданное количество шагов с каждым импульсом, и контроллер не может узнать, двигался ли двигатель.
Принимая во внимание, что серводвигатель имеет замкнутый контур управления, что означает, что двигатель отправляет информацию о своем положении и направлении обратно в контроллер.
Таким образом, контроллер может проверить, не произошла ли какая-либо ошибка. Это может иметь решающее значение при работе с дорогостоящими заготовками.
Например, предположим, что вы делаете 2-дюймовый пропил на дорогостоящей заготовке, и что-то заклинило ваши линейные приводы или портал.
Если вы используете шаговые двигатели, двигатель пропустит несколько шагов и продолжит резку, а поскольку он пропустил шаги, он остановится и не будет резать до 2 дюймов.
Вам придется выбросить заготовку (или перепрофилировать ее) и начать с новой.
Принимая во внимание, что если вы используете сервоприводы, контроллер знает, как далеко на самом деле переместилась ось, и будет продолжать движение, пока не завершит весь разрез.
Что ж, это также означает, что контроллер для серводвигателя сложнее и дороже, чем контроллер для шагового двигателя.
Другой вариант достижения хороших результатов при низких затратах — использование шаговых двигателей с обратной связью.
Эти двигатели не такие дорогие, как серводвигатели, и обладают всеми характеристиками шагового двигателя с дополнительным преимуществом предотвращения ошибок.
Например, ToAUTO имеет шаговый двигатель NEMA 23 с обратной связью. Он имеет датчики положения, которые обеспечивают обратную связь для коррекции положения.
Так что, если вы хотите делать точные разрезы на заготовках для приложений, где любая ошибка может иметь катастрофические последствия, серводвигатели идеальны.
Однако программирование сервопривода сложнее, чем программирование шагового двигателя, что делает шаговые двигатели лучшим выбором для начинающих.
Шаговый двигатель с контроллером
3. Скорость и крутящий момент
Шаговые двигатели эффективно работают при 1200 об/мин или ниже и могут создавать высокий крутящий момент на низких скоростях.
Вы можете найти шаговые двигатели с удерживающим моментом, как правило, от 30 до 1500 унций на дюйм.
Но этот крутящий момент уменьшается по мере увеличения скорости двигателя, иногда до 80% при очень высоких оборотах.
Серводвигатели работают со скоростью более 2000 об/мин и доступны с гораздо более высоким номинальным крутящим моментом, чем шаговые двигатели, что делает их быстрее, чем шаговые двигатели.
Самое замечательное в серводвигателях то, что они способны обеспечивать постоянный крутящий момент во всем диапазоне скоростей.
Понятно, что сервоприводы имеют лучшие характеристики крутящего момента по сравнению с шаговыми двигателями, поэтому, если вы хотите использовать действительно тяжелые шпиндели, вам могут понадобиться сервоприводы.
Кроме того, если вы используете тяжелые порталы вместе с тяжелым шпинделем, вам следует рассмотреть возможность использования сервоприводов для увеличения скорости.
Кроме того, сервоприводы лучше работают при динамических нагрузках.
Это означает, что сервоприводы стабильно работают с разными материалами и настройками резки, поскольку они падают под разными нагрузками.
Но это не означает, что шаговые двигатели всегда являются плохим выбором для больших ЧПУ.
Шаговый двигатель NEMA 34 может работать со шпинделем мощностью 7 л.с. на фрезерном станке с ЧПУ из алюминия и стали и при этом достигать высокой скорости около 1000 дюймов в минуту.
Крутящий момент. Шаговые двигатели и серводвигатели
Еще одно существенное различие между ними — время, затрачиваемое на нарезку. Двигатели не могут мгновенно достичь полной скорости, им требуется время, чтобы разогнаться до полной скорости и остановиться.
Когда дело доходит до ускорения и торможения, сервоприводы быстрее на несколько миллисекунд по сравнению с шаговыми двигателями.
Несколько миллисекунд не будут иметь значения, если вы изготавливаете детали с быстрым циклом и с минимальным количеством изменений направления резки.
Но когда вы изготавливаете детали, для которых шпиндель должен часто менять направление, двигатели должны останавливаться, а затем ускоряться в новом направлении.
В таких случаях эти миллисекунды складываются, и существует значительная разница во времени выполнения проекта между сервоприводами и шаговыми двигателями.
Вывод таков: если вы работаете в производственной среде, где скорость производства имеет большое значение, вам следует использовать сервоприводы.
4. Удержание крутящего момента
Удерживающий момент определяет способность вала двигателя оставаться на месте, когда катушки находятся под напряжением.
Шаговый двигатель не будет вращаться без входного сигнала, пока крутящий момент на валу двигателя меньше удерживающего момента двигателя.
Принимая во внимание, что в серводвигателе удерживающий момент практически отсутствует. Так как же серводвигатель удерживает нагрузку на месте?
Механизм обратной связи в серводвигателе обнаруживает любое изменение положения вала и мгновенно корректирует положение вала. Он в основном колеблется в удерживаемом положении, но колебания незначительны.
Но когда сервоприводы настроены неправильно, они производят вибрации и шум при удержании груза в стационарном положении.
Удерживающий момент является основным фактором, когда вам нужно удерживать груз в вертикальном направлении, например, в случае шпинделя на оси Z.
Это особенно важно, когда вы используете шарико-винтовые пары для линейного перемещения.
Внутреннее трение в шарико-винтовых передачах низкое, и они могут иметь обратный привод.
Это означает, что если вы используете шариковый винт на оси Z и поднимаете шпиндель вверх, вес шпинделя может опустить шариковый винт вниз.
Чтобы предотвратить это, двигатель, соединенный с компонентом линейного перемещения, должен иметь достаточный удерживающий момент, чтобы предотвратить обратное движение нагрузки компонентов линейного перемещения.
Использование шагового двигателя с достаточным удерживающим моментом — простой и легкий способ добиться этого.
Сервоприводы могут выполнять такую же хорошую работу, но вам потребуется тщательно настроить контроллер, чтобы предотвратить ненужные вибрации и шум, которые могут повредить другие компоненты вашей сборки.
Шаговый двигатель с шариковым винтом
5. Входная мощность и эффективность
Шаговые двигатели работают от постоянного тока и обычно работают на полную мощность независимо от нагрузки. Шаговые двигатели имеют КПД около 70%.
С другой стороны, вы можете найти сервоприводы, которые работают от источника переменного или постоянного тока, и они потребляют мощность, пропорциональную нагрузке, которую они несут, поэтому сервоприводы могут давать 80-90% эффективности.
Энергопотребление — это фактор, который следует учитывать, когда вы работаете в производственной среде, и дополнительные деньги, которые вы тратите на сервоприводы, могут сэкономить вам деньги на счетах за электроэнергию.
Однако, если объемы вашего производства невелики, а нагрузки меньше, инвестиции в сервопривод не имеют реальной экономической выгоды, что делает шаговые двигатели лучшим выбором.
6. Точность и воспроизводимость
Разрешение двигателей с ЧПУ является фактором, влияющим на точность и повторяемость фрезерных станков с ЧПУ.
Как правило, разрешение шаговых двигателей зависит от количества шагов.
Типичный шаговый двигатель имеет 200 шагов, что означает, что он поворачивается на 1,8 градуса за каждый полученный импульс.
Если вы используете микрошаг, вы можете улучшить это разрешение. Например, если вы используете микрошаг 1/8, разрешение станет 0,225 градуса на 200-шаговом двигателе.
Кроме того, шаговые двигатели часто предпочитают из-за их простой конструкции и системы с разомкнутым контуром, которые практически не требуют настройки. Следовательно, они обеспечивают хорошую точность без особой настройки.
С другой стороны, сервоприводы используют энкодер для определения положения вала двигателя, а разрешение двигателя зависит от энкодера и способности контроллера точно регулировать напряжение и ток.
Например, если серводвигатель имеет разрешение 1000 импульсов/об, это показывает, что контроллер сможет определять каждые 0,36 градуса поворота вала двигателя.
Теоретически сервоприводы имеют бесконечное разрешение, но вам необходимо правильно настроить их и поддерживать энкодер и контроллер в хорошем состоянии для достижения очень высокой точности.
Для любительских приложений, где вам не требуется высокая точность и прецизионность, степперы являются вполне разумным выбором.
Однако шаговые двигатели могут пропускать шаги и вызывать ошибочные сокращения, когда они нагреваются из-за непрерывной работы.
Серводвигатели имеют лучшую точность позиционирования, чем шаговые двигатели.
Это связано с тем, что серводвигатели имеют замкнутый контур управления, что позволяет им корректировать свои движения.
Вы также можете получить хорошую повторяемость от серводвигателей, если они повернуты правильно. Их повторяемость также зависит от качества используемого энкодера.
Вращающийся энкодер для определения положения вала
7. Шум
Шум может быть проблемой при работе с ЧПУ.
Шаговые двигатели могут быть немного шумными по сравнению с серводвигателями.
Чтобы преодолеть это, вы можете использовать драйверы шаговых двигателей с поддержкой микрошагов, что помогает снизить уровень шума.
Вы можете найти шаговые драйверы, которые могут управлять микрошагом до 1/128, чтобы значительно снизить уровень шума и обеспечить плавное движение вала на низких скоростях.
Кроме того, микрошаг устраняет влияние резонансной частоты, которая вызывает вибрации в шаговых двигателях.
Однако микрошаг может создавать меньший крутящий момент, который может составлять около 70% крутящего момента, создаваемого при полношаговом управлении.
Вы можете использовать серводвигатели для устранения шума и вибраций двигателя, но вам все равно придется беспокоиться о шуме фрезерного станка/шпинделя.
Как правило, шум фрезера/шпинделя перевешивает все остальное, и это делает шум двигателя незначительным.
8. Срок службы и техническое обслуживание
Шаговые двигатели состоят из меньшего количества компонентов, и подшипник — единственная быстроизнашивающаяся деталь, которую можно заменить.
Серводвигатели используют энкодеры и редукторы в качестве основных компонентов, что делает их механически сложными.
Следовательно, шаговые двигатели требуют меньше обслуживания по сравнению с серводвигателями.
Однако шаговые двигатели более подвержены повреждениям из-за механических ошибок, таких как перегрузка и заедание, чем серводвигатели.
9. Стоимость
Стоимость часто является основной причиной выбора шаговых двигателей, а не сервоприводов.
Типичный сервопривод как минимум в три раза дороже шагового двигателя того же размера и мощности.
Это связано со сложностью его конструкции.
Шаговые двигатели используют систему без обратной связи и имеют простую конструкцию, исключающую сложность и дополнительную стоимость.
Кроме того, контроллеры серводвигателей используют сложные схемы для достижения высокой производительности.
Драйверы шаговых двигателей недороги по сравнению с сервоприводами из-за их простой конструкции и доступности.
В целом дополнительные компоненты и сложная система делают систему серводвигателя дорогостоящей.
Серводвигатель с драйвером
Однако в условиях промышленного производства дополнительные затраты оправдываются более высокой эффективностью системы серводвигателя.
Кроме того, сервоприводы производят детали, которые имеют меньше брака и сокращают потери сырья.
10. Заключение
Рассмотренные выше функции должны помочь вам решить, какой двигатель выбрать для настройки вашего фрезерного станка с ЧПУ.
В первую очередь, какой двигатель вы выберете, зависит от вашего бюджета и типа работы, которую вы будете выполнять.
На мой взгляд, для приложений, не требующих сверхвысокой точности, например, в деревообработке, шаговые двигатели — хороший выбор.
Для сравнения: в большинстве фрезерных станков с ЧПУ стоимостью менее 25 000 долларов используются шаговые двигатели, а не серводвигатели.
Шаговые двигатели обычно могут обеспечивать скорость подачи от 50 до 1000 дюймов в минуту, в то время как сервоприводы могут работать со скоростью более 2500 дюймов в минуту.
Если вам нужна очень высокая точность и высокая скорость производства, лучшим выбором будет сервопривод.
Вы также можете рассмотреть шаговый двигатель с обратной связью, который хорошо предотвращает ошибки из-за пропущенных шагов и может быть хорошим вариантом, когда вам нужно недорогое решение для работы с дорогими заготовками.
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Почему в большинстве фрезерных станков с ЧПУ вместо серводвигателей используются шаговые двигатели?
Шаговые двигатели имеют небольшую площадь и простую конструкцию, идеально подходящую для небольших приложений, таких как фрезерные станки с ЧПУ. Они также дешевле, чем серводвигатели.
Почему серводвигатели дороже шаговых двигателей?
В серводвигателях используются редкоземельные магниты, которые дороже, чем обычные магниты, используемые в шаговых двигателях. Серводвигатели также имеют энкодер или резольвер и редуктор. Следовательно, общая компоновка делает серводвигатели механически более сложными и более дорогими, чем шаговые двигатели.
Могу ли я самостоятельно заменить энкодер моего серводвигателя?
Самостоятельно заменить энкодер в серводвигателе очень сложно. Для этого требуется найти смещение между энкодером и положением ротора, и лучше всего это может сделать обученный обслуживающий персонал.
Могу ли я добавить внешний энкодер к своим шаговым двигателям?
Вы можете добавить внешние энкодеры к своим шаговым двигателям. Энкодер позволяет отслеживать положение и скорость вала двигателя. Добавление энкодера к шаговому двигателю оказывает значительное влияние на производительность двигателя.
Могу ли я модернизировать свой фрезерный станок с ЧПУ с помощью шагового двигателя с обратной связью?
Да. Но если вы используете драйвер шагового двигателя без обратной связи с шаговым двигателем с обратной связью, вы не сможете подключить энкодер двигателя к драйверу. Следовательно, вам также необходимо обновить драйвер шагового двигателя.
Сервопривод или шаговый двигатель?
В случаях, когда необходима высокая точность работы исполнительных механизмов, используют асинхронный электродвигатель с энкодером обратной связи. Однако в промышленных станках с особыми требованиями к точности позиционирования подобное оборудование не справится с задачами в силу ряда конструктивных недостатков — низкого момента на малых скоростях, проскальзывания ротора, инерции при разгоне и торможении. В таких случаях используются сервоприводы и шаговые двигатели. Рассмотрим преимущества и недостатки обоих типов приводов.
Сервоприводы
В состав сервопривода входят серводвигатель и электронный блок управления (сервоусилитель или сервопреобразователь). В качестве серводвигателей наиболее широко применяют синхронные трехфазные электродвигатели, в которых установлены мощные постоянные магниты для улучшения динамических характеристик. Обязательным компонентом сервопривода также является энкодер. Как правило, он превосходит по своим параметрам обычные энкодеры, поставляемые отдельно. Его разрешение может достигать сотен тысяч импульсов на оборот, за счет чего достигается сверхточное позиционирование. Для примера, разрешение встроенных энкодеров сервоприводов Delta ASD-A2 составляет 1 280 000 имп/об.
Сервоусилитель получает два сигнала управления — сигнал задания скорости (или угла поворота) и сигнал обратной связи с энкодера. В результате сервопривод обеспечивает движение какой-либо механической нагрузки с большой точностью не только по скорости вращения, но и по углу поворота, который может быть выдержан до долей градуса.
Шаговые двигатели
Шаговый двигатель — это особый вид многофазного синхронного двигателя, дискретное вращение которого производится путем подачи импульсов напряжения на нужные обмотки статора. При этом ротор не имеет обмоток и состоит из магнитного материала.
Основной параметр шагового двигателя — его шаг, или количество шагов на оборот. Для одного полного оборота ротора необходимо строго определенное количество импульсов. Чем меньше шаг, тем большую точность позиционирования может обеспечить данный шаговый двигатель.
Управляющие импульсы формируются специальным драйвером, который получает задание с контроллера. При этом обратной связи не требуется, поскольку путем подсчета импульсов всегда можно узнать, на какой угол повернулся вал шагового двигателя, и сколько оборотов он сделал.
Преимущества сервоприводов
- Мощность серводвигателей может достигать 15 кВт, в то время как мощность шагового электродвигателя, как правило, не превышает 1 кВт.
- Бесшумность работы благодаря принципу действия и сверхточному исполнению конструкции.
- Скорость вращения в сервоприводах может достигать 10000 об/мин, в некоторых случаях и больше. У шаговых двигателей номинальная скорость вращения обычно не превышает 1000 об/мин вследствие падения момента и увеличения вероятности ошибок.
- Высокая энергоэффективность. Потребляемая мощность сервопривода пропорциональна нагрузке на валу. Для шагового электродвигателя потребляемая мощность одинакова вне зависимости от нагрузки.
- Наличие обратной связи обеспечивает точной информацией о повороте вала в любой момент времени. В шаговых двигателях возможно проскальзывание при перегрузке, накопление ошибки и потеря позиционирования.
- Большая плавность хода. В шаговых двигателях добиться плавности можно только путем применения специальных методов управления.
Преимущества шаговых двигателей
- Меньшая цена при одинаковой мощности в силу более простой конструкции двигателя и драйвера.
- Возможность работы на экстремально низких оборотах без ухудшения характеристик и применения редукторов.
- Более точное позиционирование, обусловленное конструкцией двигателя.
- Отсутствие необходимости в обратной связи.
- Для фиксации вала двигателя при останове достаточно снять с него напряжение. При останове серводвигателя необходимо расходовать мощность на удержание либо использовать электромеханический тормоз.
Применение
В промышленном оборудовании для выполнения задач позиционирования имеет смысл использовать и асинхронные двигатели с обратной связью, и сервоприводы, и шаговые двигатели.
Сервоприводы устанавливаются в тех узлах оборудования, где требуется точное позиционирование механизмов для их синхронизации с другими узлами. В частности сервоприводы широко используют в обрабатывающих станках.
Шаговые двигатели нашли наибольшее применение в станках с ЧПУ и в робототехнике.
На практике встречаются производственные линии, в которых в различных узлах используются все три типа электродвигателей.
Сравнение сервоприводов и шаговых двигателей
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.
Виды и характеристики
Серводвигатели выпускаются в самых разных вариантах, позволяющих использовать их во многих областях. Основные конструкции разделяются на коллекторные и бесколлекторные, предназначенные для работы от постоянного и переменного тока.
Кроме того, каждый сервомотор может быть синхронным и асинхронным. Синхронные устройства обладают способностью задавать высокоточную скорость вращения, а также углы поворотов и ускорение. Эти приводы очень быстро набирают номинальную скорость вращения. Сервоприводы в асинхронном исполнении управляются за счет изменения параметров питающего тока, когда его частота меняется с помощью инвертора. Они с высокой точностью выдерживают заданную скорость даже при самых низких оборотах.
В зависимости от принципиальной схемы и конструкции, сервоприводы могут быть электромеханическими и электрогидромеханическими. Первый вариант, включающий редуктор и двигатель, отличается низким быстродействием. Во втором случае действие происходит очень быстро за счет движения поршня в цилиндре.
Каждый сервопривод характеризуется определенными параметрами:
- Крутящий момент или усилие, создаваемое на валу. Считается наиболее важным показателем работы сервопривода. Для каждой величины напряжения существует собственный крутящий момент, отражаемый в паспорте изделия.
- Скорость поворота. Данный параметр представляет собой определенный период времени, который требуется, чтобы изменить позицию выходного вала на 600. Эта характеристика также зависит от конкретного значения напряжения.
- Максимальный угол поворота, на который может развернуться выходной вал. Чаще всего эта величина составляет 180 или 3600.
- Все сервоприводы разделяются на цифровые и аналоговые. В зависимости от этого и осуществляется управление сервоприводом.
- Питание серводвигателей. В большинстве моделей используется напряжение от 4,8 до 7,2В. Питание и управление осуществляется с помощью трех проводников.
- Возможность модернизации в сервопривод постоянного вращения.
- Материалы для редуктора могут использоваться самые разные. Шестерни изготавливаются из металла, карбона, пластика или комбинированных составов. Каждый из них обладает своими преимуществами и недостатками. Например, пластиковые детали плохо выдерживают ударные нагрузки, но устойчивы к износу в процессе длительной эксплуатации. Металлические шестерни, наоборот, быстро изнашиваются, зато они обладают высокой устойчивостью к динамическим нагрузкам.
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.
Плюсы и минусы сервомоторов
Благодаря унифицированным размерам, эти устройства легко и просто устанавливаются в любые конструкции. Они безотказны и надежны, каждый из них работает практически бесшумно, что имеет большое значение при их эксплуатации на сложных и ответственных участках. Даже на невысоких скоростях можно добиться точности и плавных перемещений. Каждый сервопривод может быть настроен персоналом, в зависимости решения тех или иных задач.
Читать также: Группы признаков классификации сварки
В качестве недостатков отмечаются определенные сложности при настройках и сравнительно высокая стоимость.
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.
Исполнительный и специальный Сервопривод
Исполнительный сервоприод работает под управлением контроллера движения, имеет ограниченный набор функций и настроек, прост в работе. В следствии этого исполнительный сервоприод является более экономичным. Рассмотрим исполнительные cервоприводы на примере синхронных cервоприводов Mecapion.
Исполнительный сервопривод Mecapion
Синхронные Сервоприводы Mecapion (ex. Metronix) – базовый продукт для системных решений в области промышленной автоматизации давно знакомый российским потребителям.
Основные особенности cервоприводов Metronix
диапазон мощностей от 0,03 до 11 кВт
встроенный комплект рекуператора, позволяющий возвращать энергию в сеть, и встроенный ключ сброса энергии при динамических торможениях
тестовый режим работы преобразователей частоты
функции устранения вибраций при вращении двигателя и его останове позволяют исключить работу преобразователя частоты в колебательном режиме как при наладке, так и в эксплуатации
возможность использования как относительных, так и абсолютных инкрементальных датчиков положения
выбор режима работы системы управления – управление по скорости или по моменту
наличие расширенного пакета программного обеспечения позволяет легко и быстро менять функции преобразователя частоты и решать на его базе различные технические задачи (в т. ч. по реализации управления приводами подачи)
наличие в линейке продукции Metronix двигателей с полым валом позволяет исключить из кинематической схемы промежуточное устройство – соединительную муфту
программируемые выходы позволяют строить системы с высокой степенью защиты от различных нештатных ситуаций и с максимальной информативностью для оператора
Серия VS – стандартная общепромышленная, реализует управление по скорости, моменту (±10 В) и положению (step/dir).
Преобразователи частоты серии VS могут работать в следующих режимах:
управление позицией при использовании внешнего контроллера, задающего последовательность импульсов.
управление скоростью по аналоговому входу или дискретным входам.
управление моментом по аналоговому входу в режиме ограничения максимального момента.
Специальная серия VP предназначена для выполнения специальных задач:
линейно-координатное позиционирование с возможностью выбора до 64 позиций шестью дискретными входами (VP1), типичная сфера применения – обеспечение линейного перемещения в системах с трансмиссией на ШВП
угловое позиционирование с возможностью выбора до 32 позиций пятью дискретными входами (VP2), типичная сфера применения – поворотные столы, роторные конвейерные линии, устройства автоматической смены инструмента и т. п.
позиционирование с использованием подачи дотягивания (VP3), типичная сфера применения – упаковочные машины, всевозможные виды подающих устройств с позиционированием как по сигналу с энкодера на валу двигателя, так и по по метке внешнего дискретного датчика
программируемое пошаговое позиционирование с возможностью выбора до 8 программ тремя дискретными входами (VP5), каждая программа может иметь до 100 шагов (позиций), сохраняемых в памяти преобразователя частоты
для связи преобразователя частоты VS и персонального (промышленного) компьютера используется встроенный СОМ-порт, при необходимости через конвертор RS232/RS485 преобразователи частоты можно объединить в сеть
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.
Двигатели с постоянными магнитами
Рисунок 4 — Ротор
Двигатели с постоянными магнитами состоят из статора, который имеет обмотки, и ротора, содержащего постоянные магниты. Чередующиеся полюса ротора имеют прямолинейную форму и расположены параллельно оси двигателя. Благодаря намагниченности ротора в таких двигателях обеспечивается больший магнитный поток и, как следствие, больший момент, чем у двигателей с переменным магнитным сопротивлением. Такой двигатель имеет величину шага 30°. При включении тока в одной из катушек, ротор стремится занять такое положение, когда разноименные полюса ротора и статора находятся друг напротив друга. Для осуществления непрерывного вращения нужно включать фазы попеременно. На практике двигатели с постоянными магнитами обычно имеют 48—24 шага на оборот (угол шага 7,5—15°). Двигатели с постоянными магнитами подвержены влиянию обратной Э.Д.С. со стороны ротора, котрая ограничивает максимальную скорость.
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.
Сервопривод непрерывного вращения
Сервоприводы обычно имеют ограниченный угол вращения в 180 градусов. В данном случае рассмотрим «модифицированную» серву с неограниченным углом поворота оси.
ТТХ со страницы продавца
размер:40*20*37.5+5мм приводной вал вес:38 г длина провода: 320 мм
скорость:0.19sec/60 degree (4.8 В) 0.22sec/60 degree (6 В) скорости скорее всего перепутаны, на 6 вольт серва должна быть быстрее крутящий момент: 5kg. cm. at (4.8 В) 5.5kg.cm.at (6 В) напряжение:4.8 В-6 В
комплект поставки стандартный
4 качалки разных форм 4 втулки, 4 резиновых демпфера и 4 шурупа для крепления сервы и ещё один мелкой шуруп для крепления качалки на вал убежал с фотографии 
Внешний вид внушает доверие, на ощупь тоже ничего, небольшие косяки литья только в районе крепёжных ушей, чуть криво наклеена наклейка(тавтология да!). Провод мягкий, коннектор хороши сидит на пинах.
Ну а теперь вскрытие:
Кто не знал как оно работает: в корпусе есть мотор, плата управления и переменный резистор по положению которого серва определяет угол оси. Редуктор в этой серве пластиковый, ресурс меньше чем у металлического и нагрузок больших не любит. Втулка под центральную ось медная или из какого-то её сплава. На выходном валу стоит подшипник. Смазки можно добавить
Мозги, управляющие направлением и скоростью вращения, переменный резюк и электродвигатель.
А сейчас, внимание, «лайфхак», как сделать из обычной сервы, серву постоянного вращения
в оригинале переменник своей осью втыкается в выходной вал изнутри сервы, в модифицированной вал откушен\обломан судя по всему на этапе сборки, резистор выставлен в центральное положение, чтобы вал в покое не вращался. Если пойти дальше его можно выкинуть совсем и заменить на 2 одинаковых постоянных резистора, на управляющую плату удобно поставить что-нибудь смд-шное.
Итого: серва как серва, не космос, но и не ширпотреб, можно найти дешевле и с металлическим редуктором
ps Как правильно отметили в комментах, совсем забыл упомянуть как управляется сервомашинка, на серву подаётся питание 5-6 вольт и ppm-сигнал по третьему проводу.
самые распространённые варианты управления: 1) сервотестер подключаем питание с одной стороны, с другой выход на 3 «потребителя»(сервы, моторы итд) питание и PPM-сигнал, ручкой можно регулировать скорость и направление вращения сервы 2) RC-аппаратура на выходах приёмника тот-же ppm-сигнал. 3) рулить ардуинкой
Pps В результате «модификации» серва потеряла обратную связь, мозги не знают реального положения вала и направление вращения, учитывайте этот момент если собираетесь ее купить.
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
Доцифровая эра
Название Le-Servomoteur впервые использовалось Жозефом Фарко в 1868 году для описания гидравлических и паровых двигателей, применяемых в судостроении. Фактическое значение этого слова утрачено со временем, но можно предположить, что оно представляло собой каламбур из французского cerveau (мозг) и латинского servus (служить). В широком смысле этот термин был введён не для подчёркивания полезности или сложности моторов, а акцентировал внимание на их свойстве служить командам комплекса управления движителем. То есть привод имеет обратную связь с остальной системой и откликается на её сигналы.
В 1898 году Тесла экспериментировал с беспроводным управлением моделями кораблей, оснащёнными контакторными серводвигателями, а в 1911 Хобарт уже поместил термин «серводвигатель» в свой словарь. К 1915 году это слово прочно закрепилось в среде англоязычных инженеров-электриков, несмотря на французское происхождение. Дальнейшее развитие технологии до Второй мировой войны происходило более чем стремительно: