WYBÓR SILNIKA

Rys. 7. Średni moment oporowy wyznacza się na podstawie wartości momentu w różnych fazach ruchu

W kolejnym kroku parametry silnika przeanalizować należy pod kątem następujących parametrów aplikacji: maksymalnej prędkości oraz maksymalnego T_max i średniego momentu oporowego T_RMS. Pierwszy z nich można wyznaczyć na podstawie przyjętego profilu ruchu.

Następnie należy obliczyć maksymalny moment oporowy T_max = T_a + T_c, który jest sumą dwóch składników: iloczynu T_a bezwładności systemu J_s i przyspieszenia a oraz momentu oporowego T_c zależnego od sił grawitacji, tarcia lub innych sił zewnętrznych. Bezwładność systemu oblicza się z kolei jako sumę bezwładności obciążenia silnika oraz bezwładności jego wirnika, czyli J_s = J_o + J_r.

Wyobraźmy sobie układ napędowy, w którym silnik ma wprawić w ruch obrotowy element w kształcie dysku. W celu obliczenia bezwładności J_o tego ostatniego należy najpierw wyznaczyć jego masę W według zależności:

W = π ⋅ (D/2)² ⋅ L ⋅ ρ,

gdzie D to średnica dysku, L - grubość dysku, a ρ - gęstość materiału z jakiego wykonano ten element. Do wyznaczenia bezwładności dysku służy z kolei formuła:

J₀ = (W ⋅ r²)/(2 ⋅ g),

gdzie r - promień dysku, natomiast g - przyspieszenie ziemskie. Po zsumowaniu wartości tej wielkości z bezwładnością wirnika i przy założeniu, że tarcie przy obrocie dysku jest pomijalnie małe można wyznaczyć maksymalny moment oporowy (T_max = T_a).

Druga wymagana wartość TRMS charakteryzuje średni moment oporowy, jaki może wystąpić w całym cyklu pracy układu napędowego. Jego wyznaczenie jest trudniejsze. W tym celu wymagana jest bowiem znajomość wartości następujących wielkości (rys. 7): momentu w czasie przyspieszania T_a, momentu podczas pracy ze stałą prędkością T_c, momentu w czasie zwalniania T_d, momentu w czasie zatrzymania T_h oraz długości przedziałów czasowych, w których prędkość: rośnie t_a, pozostaje niezmienna t_c, maleje t_d oraz jest równa zero t_h. Moment znamionowy można obliczyć, korzystając z zależności:

T_RMS = √[(T_a² ⋅ t_a + T_c² ⋅ t_c + T_d² ⋅ t_d + T_h² ⋅ t_h)/(t_a + t_c + t_h)]

Po wyznaczeniu parametrów obciążenia w odniesieniu do nich przeprowadzić należy analizę parametrów silnika według schematu przedstawionego na rysunku 8.

PRZEWYMIAROWANIE

Biorąc pod uwagę liczbę modeli serwosilników i napędów dostępnych na rynku, analiza w opisany sposób każdej możliwej kombinacji serwonapęd-obciążenie zajęłaby bardzo dużo czasu. Dlatego najczęściej na tym etapie korzysta się ze specjalnego oprogramowania, które automatyzuje ten proces, przyspiesza go i pozwala porównać większą liczbę urządzeń.

Wybierając silnik, należy pamiętać, że na jego całkowity koszt składa się cena zakupu, wydatki ponoszone na naprawy i konserwację oraz koszty operacyjne, głównie wydatki na zasilającą go energię elektryczną. Ich udział wynosi średnio odpowiednio 2%, 2% oraz aż 96%. W większości przypadków można założyć, że mniejszy moment napędowy można uzyskać w silniku o mniejszych wymiarach, a zatem tańszym. Takie urządzenie zużywa też mniej energii oraz wymaga stosowania wzmacniacza o mniejszym poborze mocy i w mniejszej cenie.

Należy zatem unikać przewymiarowywania parametrów silnika, chociaż warto przy tym zachować ich rozsądny zapas. Przede wszystkim trzeba pamiętać o tym, że komponenty mechaniczne (sprzęgła, łożyska, itp.) z czasem się zużywają. Oprócz naturalnego zużycia materiału przyczyniają się do tego m.in. warunki pracy. W rezultacie rośnie moment oporowy obciążenia silnika. Ponadto odpowiedni zapas parametrów umożliwi w przyszłości rozbudowanie systemu napędowego lub zmianę jego obciążenia bez konieczności wymiany silnika. Za dopuszczalne uznaje się przewymiarowanie nieprzekraczające 20%.

PRZETWORNIKI RUCHU

Rys. 8. Wybór silnika to proces wieloetapowy

Elementem pomiarowym w serwonapędach mogą być przetworniki ruchu różnego typu. Najpopularniejsze z nich to: resolwery i enkodery. Te pierwsze to przetworniki indukcyjne, które składają się z wirnika i stojana. Napięcia indukowane w uzwojeniach stojana są proporcjonalne do kąta obrotu wirnika, a sygnał wyjściowy jest analogowy.

Rozdzielczość przetworników tego typu zależy zatem od rozdzielczości przetwornika analogowo-cyfrowego (zwykle 14-bitowego). Resolwery charakteryzuje duża wytrzymałość na trudne warunki otoczenia, w tym wibracje, zapylenie oraz wysokie temperatury - ich wadą jest natomiast mniejsza dokładność pomiaru w porównaniu do enkoderów, a więc przetworników optycznych z cyfrowym sygnałem wyjściowym.

Ponieważ stosuje się w nich (w przypadku wersji optycznych) tarczę szklaną z naniesioną podziałką, elementy te są czułe na wibracje, zanieczyszczenia oraz obciążenia mechaniczne i wysokie temperatury. Dlatego też nieraz wykorzystuje się ich wykonania specjalne (heavy duty), w których stosowane są różne rozwiązania konstrukcyjne zwiększające wytrzymałość.

Przykładem są tarcze z tworzywa sztucznego zastępujące te szklane, wewnętrzne systemy chłodzenia przetwornika oraz wielostopniowe uszczelnienia i obudowy wykonywane w formie odlewu. Więcej informacji na ten temat znaleźć można w artykule będącym tematem numeru w kwietniu 2012 roku.

WYBÓR WZMACNIACZA

Rys. 9. Serwonapęd wieloosiowy

Najważniejsze parametry wzmacniaczy serwosystemów, które należy porównać z wymaganiami aplikacji, to: moc oraz zakresy napięć i prądów wejściowych i wyjściowych. Zbyt duże natężenie prądu wyjściowego może uszkodzić silnik, natomiast zbyt małe nie pozwoli na wytworzenie wymaganego momentu napędowego. Zbyt niskie napięcie uniemożliwi z kolei uzyskanie maksymalnej prędkości silnika. Oprócz tego niektóre aplikacje wymagają specyficznych rozwiązań.

Na przykład w wypadku napędów do sterowania silnikami bezszczotkowymi ważną kwestią jest także rodzaj komutacji elektronicznej, jaką dany wzmacniacz realizuje. Najczęściej jest to jedna z dwóch metod: sześciostopniowa lub sinusoidalna. W pierwszej klucze tranzystorowe przełączające prąd do poszczególnych uzwojeń silnika są sterowane przebiegami prostokątnymi, a w drugiej - przebiegiem sinusoidalnym. Zaletą komutacji pierwszego typu jest łatwość realizacji, a wadą - mniejsza dokładność sterowania oraz większe pulsacje momentu obrotowego, zwłaszcza przy małych prędkościach.

Bardziej złożone maszyny wymagają sterowania wieloosiowego. W takim wypadku najlepsze są systemy zintegrowane, w których jeden wzmacniacz zasila kilka silników (rys. 9). Tymi ostatnimi steruje jeden kontroler, który synchronizuje pracę poszczególnych osi. Taka konfiguracja ma liczne zalety. Jedną z nich jest oszczędność energii zasilającej dzięki wykorzystaniu energii hamowania. Mimo że zależy to od specyfiki maszyny, istnieje bowiem duże prawdopodobieństwo, że równocześnie część silników będzie przyspieszać, pobierając energię, a część będzie hamować, wytwarzając ją. Zasilanie wszystkich elementów serwosystemu z jednego źródła ogranicza również wydatki na sprzęt (pojedyncze złącza, kable, filtry, itp.).

CZĘŚĆ III - INTEGRACJA I APLIKACJE

W drugiej części artykułu omówione zostaną przykładowe aplikacje serwonapędów oraz różne kwestie związane z ich komunikacją, bezpieczeństwem i integracją w systemach.

Monika Jaworowska

Ilustracja tytułowa: Oprogramowanie Converting Toolbox firmy Siemens zawierające funkcje software’owe związane z różnymi aplikacjami serwonapędowymi - na zdjęciu wizualizacja pracy nawijarki/odwijarki.