Serwonapędy dla inżyniera

Serwonapędy często przedstawia się przez porównanie z przemiennikami częstotliwości. Te drugie przez zmianę częstotliwości oraz napięcia prądu zasilającego silnik pozwalają na sterowanie jego prędkością, momentem obrotowym i kierunkiem obrotów.

Dzięki temu znajdują zastosowanie na przykład w systemach wentylacji, pompach i mieszalnikach, w których możliwość płynnej regulacji wymienionych parametrów pracy silnika jest najważniejsza, gdyż pozwala na utrzymanie zadanej wartości wielkości takich jak ciśnienie, przepływ czy poziom medium.

CO WYRÓŻNIA SERWONAPĘDY?

Innym przykładem są aplikacje, w których dodatkowo trzeba precyzyjnie regulować pozycję wału silnika w celu przemieszczenia napędzanego nim mechanizmu między różnymi położeniami, jeżeli na przykład wielokrotnie przesuwa się on do pozycji docelowej, a potem wraca do punktu wyjścia albo podąża określoną ścieżką ruchu.

W ich przypadku przeważnie dynamika ruchów jest duża. Poza tym wymagana jest synchronizacja z innymi mechanizmami, a napęd powinien bez opóźnień reagować na zmianę zadanej prędkości, obciążenia, jak i pozostałych czynników, które wpływają na jego pracę. Spełnienie tych warunków wykracza poza możliwości przemienników częstotliwości, natomiast w przypadku serwonapędów nie stanowi problemu.

Wynika to stąd, że pracują w pętli sprzężenia zwrotnego, w której wartość zadana, na przykład kąt obrotu wału, liczba jego pełnych obrotów albo prędkość obrotowa, jest porównywana z wartością aktualną. Ewentualna odchyłka, spowodowana na przykład niespodziewaną zmianą obciążenia albo chwilowym spadkiem napięcia zasilania, jest kompensowana.

Dzięki temu na przykład sterowanie stołami obrotowymi, nalewarkami, foliarkami, maszynami do kapslowania butelek, zgrzewarkami, etykieciarkami, nawijarkami, cięciem w locie, obrabiarkami, nakładaniem kleju wzdłuż krawędzi detalu i maszynami wkręcającymi jest domeną serwonapędów. Korzysta się z nich poza tym w aplikacjach typu pick and place, wycinarkach laserowych oraz w prasach.

KOMPONENTY SERWONAPĘDÓW

W systemie serwonapędowym wyróżnia się trzy główne bloki funkcyjne. Są to sekcje: sterownika, na przykład PLC, serwowzmacniacza i serwosilnika. Pierwszy odpowiada za generowanie nastaw. W drugim są one porównywane z sygnałem z elementu pomiarowego dostarczającego informację zwrotną o skuteczności regulacji. Jest to przeważnie enkoder zamontowany w silniku. Na podstawie wyznaczonej odchyłki serwowzmacniacz, którego częścią jest przemiennik częstotliwości, steruje silnikiem w taki sposób, aby różnicę tę zniwelować.

Kompletując system serwonapędowy powinno się wybrać serwosilnik i serwowzmacniacz najlepiej pasujące do potrzeb aplikacji oraz warunków pracy pod względem parametrów pracy, wyposażenia i cech użytkowych.

Ważne parametry serwosilników to: moc, prędkość, moment siły (obrotowy) i moment bezwładności wirnika. Jeżeli trzeba zastosować przekładnię, porównując prędkość silnika z docelową prędkością wału przez niego napędzanego, można dobrać jej wymagane przełożenie.

Serwosilnik musi wprawić obciążenie w ruch, rozpędzić je w określonym czasie do zadanej prędkości, potem ją utrzymać, a na koniec zatrzymać obciążenie. Żeby to osiągnąć, trzeba wybrać model, który zapewni moment siły wystarczający do pokonania tarcia, grawitacji oraz innych chwilowych oporów.

Jakie znaczenie ma inercja serwosilnika?

Wybierając serwosilnik, trzeba mieć na uwadze to, aby zapewnić odpowiedni stosunek bezwładności (inercji) obciążenia do bezwładności wirnika silnika. Optymalna proporcja to co najwyżej 10:1. Oznacza to, że bezwładność wirnika serwosilnika powinna stanowić co najmniej 1/10 bezwładności obciążenia.

W praktyce można spotkać serwonapędy o proporcji 5:1, 2:1, 1:1, a nawet mniejszych. Im mniejszy jest ten stosunek, tym wydajność silnika jest większa. Im dokładniej dopasowane są inercje obciążenia i silnika, tym szybsza, płynniejsza i dokładniejsza jest również kontrola położenia tego pierwszego.

Jeżeli jednak nie są to priorytety, bezwładność silnika może stanowić nawet 1/100 bezwładności obciążenia. Spotykane są również proporcje większe niż 100:1. Generalnie jednak im ten stosunek jest większy, tym trudniejsze jest strojenie układu regulacji. Zbyt mała jego wartość może się natomiast wiązać z koniecznością użycia dużego, ciężkiego, a przez to zwykle droższego silnika.

JAK CZYTAĆ WYKRES MOMENTU SIŁY W FUNKCJI PRĘDKOŚCI?

Rys. 1. Charakterystyka momentu obrotowego serwosilnika w funkcji jego prędkości

W tym celu dla danego obciążenia i profilu ruchu trzeba wyznaczyć wymagane wartości średniego i maksymalnego momentu obrotowego. Następnie należy je porównać z wartościami znamionowego oraz szczytowego momentu siły w karcie katalogowej serwosilnika. Te ostatnie można też odczytać z charakterystyki momentu obrotowego serwosilnika w funkcji jego prędkości, zwykle dostępnej w jego dokumentacji. Na wykresie tym można poza tym wyróżnić obszary pracy ciągłej i chwilowej (rys. 1).

Jeżeli wymagana kombinacja momentu siły i prędkości wypadnie w obszarze pracy ciągłej, oznacza to, że będzie osiągalna bez obaw na przykład o to, że silnik mógłby się w czasie normalnej pracy przegrzać. Gdy jednak wypadnie w drugim obszarze, wówczas silnik może ją zapewnić tylko przez krótki czas, nim zacznie się przegrzewać. Można na to pozwolić w czasie rozpędzania i hamowania, jeśli później serwonapęd przez odpowiednio długi czas pozostaje w spoczynku lub pracuje z małym momentem obrotowym.

Podsumowując, najlepiej jeśli średni wymagany moment siły mieści się w zakresie pracy ciągłej, a maksymalny - w zakresie pracy chwilowej. W przypadku gdy ten drugi wypada w zakresie pracy ciągłej, serwosilnik prawdopodobnie został przewymiarowany.

Jeśli chodzi o ostatni z wymienionych parametrów to ważne jest, by zapewnić odpowiedni stosunek bezwładności (inercji) obciążenia do bezwładności wirnika serwosilnika. Szerzej wyjaśniamy to w ramce.

Obliczenia bezwładności obciążenia, średniego i maksymalnego momentu siły są skomplikowane. Wsparcie w tym zakresie może zapewnić specjalne oprogramowanie ułatwiające dobór silnika.