Сервоприводы с современными синхронными электродвигателями
Если
еще совсем недавно синхронные электродвигатели применялись только в
электроприводах большой мощности (во многих книгах экономически целесообразной
мощностью называется мощность в 100 кВт и выше), при отсутствии необходимости
регулировать частоту вращения и при длительном режиме работы, то в настоящее
время эти, казавшиеся незыблемыми аксиомы, рушатся как карточный домик.
Сейчас современные синхронные двигатели в составе сервоприводов могут с успехом
использоваться абсолютно во всех областях. И вполне может так сложится, что,
как когдато частотно-регулируемый асинхронный электропривод в современных
станках за очень короткое время практически полностью вытеснил двигатели
постоянного тока из их традиционных областей применения, так и синхронный
сервопривод может уже в самом ближайшем будущем стать эффективной заменой
уже вполне привычном нам асинхронным электродвигателям, работающим в комплекте
с частотными преобразователями. К этому есть все предпосылки. Единственное, что
пока сдерживает триумфальное шествие синхронных сервоприводов - это их цена.
Давайте разберемся, чем так привлекательны современные сервоприводы
использующие синхронные электродвигатели.
Что такое сервопривод
Сервопривод - это система привода, которая в широком диапазоне регулирования
скорости обеспечивает динамичные, высокоточные процессы и обеспечивает хорошую
их повторяемость. Это система, предназначенная для отработки момента, скорости
и позиции с заданной точностью и динамикой. Классический сервопривод состоит из
двигателя, датчика позиции и системы управления, имеющей три контура
регулирования (по позиции, скорости и тока).
Где применяется сервопривод
Слово "серво" произошло от латинского слова "servus", что
переводится как слуга, раб, помощник. В машиностроительных отраслях они были
преимущественно вспомогательными приводами (приводы подач в станках, приводы
роботов и т.п.). Однако сегодня ситуация изменилась, теперь и главные приводы
реализуются с использованием сервотехники.
В настоящее время, сервоприводы применяются там, где недостаточно точности
регулирования обычных общепромышленных преобразователей частоты. Применение
высококачественных сервоприводов необходимо в высокопроизводительном
оборудовании, где главным критерием является производительность. Сервоприводами
оснащаются прецизионные системы поддержания скорости и позиционирования
промышленных роботов и высокоточных станков. Сервоприводы также устанавливаются
на координатно-сверлильных станках, на различных технологических транспортных
системах, на различных вспомогательных механизмах и др. В приводах подач
современных станков с ЧПУ обеспечивающих перемещения рабочих органов станка, на
сегодняшний день применяются в основном шаговые двигатели либо сервоприводы.
Достоинства сервопривода:
1. Плавность и точность перемещений доступны даже на низких скоростях,
разрешающая способность может выбираться пользователем в зависимости от
решаемой задачи
2. Бесшумность работы
3. Надежность и безотказность, а следовательно, возможность использовать его в
ответственных, не терпящих отказа устройствах.
4. Легкость монтажа конструкции.
Недостатки сервопривода:
1. Высокая стоимость
2. Сложность настройки, которая иногда делает применение сервопривода
необоснованным.
То есть, сервоприводы на базе синхронного электродвигателя (серводвигателя), в
настоящее время, наиболее целесообразно применять там, где требуется привод с
высокой точностью и большой максимальной скоростью. Двигатель такого привода
имеет встроенный датчик положения вала сигнал с которого подаётся на серво
усилитель, а это существенно повышает точность и динамику сервопривода. Для
создания одно или много координатных систем позиционирования используется
специальный контроллер позиционирования.
Синхронные серводвигатели — это трехфазные синхронные электродвигатели с
возбуждением от постоянных магнитов и датчиком положения ротора. Отличительная
особенность синхронных серводвигателей - высокая выходная мощность при любой
скорости в сочетании с небольшими размерами. Их основным достоинством является
очень низкий момент инерции ротора относительно крутящего момента. Это
позволяет реализовать очень высокое быстродействие. Достижимо время разгона на
номинальную частоту вращения за десятки миллисекунд и реверс с полной скорости
в пределах одного оборота вала двигателя.
Устройство и принцип работы синхронных электродвигателей с датчиком положения
ротора очень хорошо рассмотрены в статье д.т.н. В. Понкратова "Вентильный
электропривод: от стиральной машины до металлорежущего станка и
электровоза" ("Электронные компоненты", #2 2007).
Серводвигатели могут различаться формой, размерами и конструкцией - от
больших низкоскоростных прямопри-водных роторных двигателей с большим крутящим
моментом до компактных устройств с малоинерционым ротором, обеспечивающим
оптимальный разгон и торможение, безкорпусных двигателей, линейных двигателей,
создающих большую тяговую силу при огромных ускорениях и скоростях.
Современные качественные серводвигатели выпускаются большим количеством
производителей за рубежем. Фактически, каждая фирма выпускающая частотные
преобразователе имеет в своем каталоге и ряд моделей севроприводов и
севрводвигателей для них. Наииболее популярные модели синхронных
серводвигателей выпускают немецкая LENZE (один из европейских лидеров в
технологии привода и комплектных систем управления), Siemens, OMRON, Mitsubishi
Electric, DELTA ELECTRONIСS и т. д.. На выпуске оригинальных моделей
сервоприводов специализируются такие компании, как, Fagor Automation,
Sew-Eurodrive, Rockwell Automation, Emerson Control Techniques, Baldor Electric
и многие другие.
Управление серводвигателем осуществляется при помощи специального блока,
который получает сигналы от датчика обратной связи, встроенного в сервомотор.
Блок управления обычно имеет множество опций для работы от ПК, встроенные
интерфейсы позволяют использовать его в промышленности. Многочисленные
настройки и нюансы работы обычно загружаются в привод через ПК. Далее возможна
автономная работа и управление без компьютера.
Конкретный пример: сервоприводы семейства ‘Position Servo’ компании Lenze
построены по принципу «все в одном». От простого управления моментом до
возможностей встроенного контроллера PLC. Возможны различные режимы управления:
моментом, скоростью вращения, ведущим-ведомым с электронным редуктором.
Перегрузочная способность – 300% от номинального тока в течение 2 секунд.
Высокоскоростной обмен данными осуществляется по интерфейсам Ethernet или
CANopen, датчики обратной связи – энкодер или резольвер. Сервоприводы Position
Servo весьма компактны – привод на ток 12 А имеет габаритные размеры всего лишь
115 мм
х 190 мм
х 190 мм.
По цене – сервопривод с синхронным вентильным двигателем на 3460 Вт, 3000
об.мин. (макс. 5000 об.мин.), степени защиты IP65 стоит 2300 рублей.