Pohonnatechnika.cz

 

Domů / ŠKOLA / Škola - Servo

Základní informace o servo technologii



Slovo SERVO ( Latinské Servus) znamená otroka. Slovo servo poskytuje velmi široký výklad. Zde se budeme pouze zabývat  elektrickým servosystémem.

Typické servo se skládá z následujících částí:

• Servomotor
• Zdroj vstupního signálu pro nastavení  rychlosti a /nebo pozice
• Pohonná  elektronika
• Řídící elektronika

Pohonná – silová - elektronika  je často nazývána servozesilovač  a spolu s řídící elektronikou má úkol neustále kontrolovat hodnotu vstupního signálu  a provést korekci skutečné rychlosti , aby rozdíl mezi skutečnou a požadovanou hodnotou byla co nejmenší.  Hranici mezi silovou částí  a řídící elektronikou je někdy obtížné určit, protože většina zesilovačů se také obsahuje  řídící elektroniku.

Většina servopohonů dnes obsahuje take PLC jednotku. Toto je specifické pro jednotlivé výrobce a nebudeme se tím zde zabývat.



Servo systém se skládá ze dvou nebo tří  řídících obvodů  (smyček ):

1.  Proudová smyčka, velmi rychlý  vnitřní obvod, který řídí proud do vinutí motoru, a tím přímo ovlivňuje točivý moment motoru.

2.  Rychlostní  smyčka je nadřazená  proudové smyčce. Zde vstupuje do systému  nějaká forma externího  senzoru, např. stejnosměrný  tachogenerátor.  Signál z tachogenerátoru je údaj o skuteřné rychlosti . Ten se srovnáná  s hodnotou požadované hodnoty, která může pocházet  z potenciometru, řídícího  systému nebo polohovacího systému.  Tato smyčka je pomalejší než proudová smyčka. Touto kombinací se získá rychlostní servo pro přesnou regulaci rychlosti ve velkém regulačním rozsahu.

3.  Polohovací smyčka  srovnává skutečnou hodnotu z pozičního senzoru  s požadovanou hodnotou a řídí proudovou a rychlostní smyčku aby bylo dosaženo minimální odchylky.

Proudová smyčka je často zcela proporcionální.  To se dobře hodí, jelikož  rychlá reakce je důležitější než aby aktuální hodnota produ byla zcela přesná.

Rychlostní  smyčka  má často interující trend, aby zajistila stabilní a přesné otáčky. Smyčce velmi usnadňuje práci pokud je rychlost je rychlost tak blízko očekávané rychlosti, jak je to jen možné. Rychlostní smyčka mívá filtr kterým lze snížit účinek nedostatečné mechanické tuhosti  nebo mezery mezi  dvěma osami poháněného systému.

Polohová smyčka obsahuje často několik termínů: proporcionální, integrální, diferenciální, rychlostně  - feedforward  a někdy i další varianty, které  výrobcem systému bylo zjištěno, že dávají dobré výsledky. Polohová smyčka je nejpomalejší ze všech. Je nadřazená všem ostatním , a musí proto počkat na výsledek změn v rychlostní  smyčce než múže vydat pokyny pro hodnoty pozice.

Je dobré si uvědomit, že servo je systém   řízený odchylkami . Je tedy nutné mít  odchylku mezi skutečnou a požadovanou hodnotu aby se motor uvedl do  pohybu. To znamená, že dokonalé sledování pozice neexistuje. Jedinou otázkou je, zda chyba je dostatečná aby  mohly být vyhodnocena  pro konkrétní akci.  U servo-pohonů, které pracují metodou „ z bodu do bodu“ se obvykle nehledí  na přesnost  při pohybu, ale zaměřuje se na dosažení  požadované přesnosti při zastavení  motoru. Při řízení, jehož průběh je dán nějakou křivkou, jako je v střihacím nebo řezacím stroji,je  velikost chyby při pohybu rozhodující pro výsledek.

Servo, musejí být vytrimováno  tak, aby chyba nikdy přesáhla  specifikaci stroje. Někdy je třeba  udělat kompromis v rychlosti  aby se dosáhlo dostatečné přesnosti.

Obrázek níže ukazuje princip kompletního pozičního systému se servomotorem.  Některé systémy minou rychlostní smyčku, řídí moment motoru a ne otáčky. Toho se dosáhne řízením proudu místo řízení  otáček (točivý moment je úměrný proudu).

Tyto serva jsou často vhodná pro ”z bodu do bodu ” systémy. Naproti tomu nejsou vhodná pro serva, které vyžadují velmi stabilní rychlostí, jako například pro napájení motorů ve strojích pro opracování – soustruhy, frézy ap.

Existují také systémy, které mají  integrované ovládání a pohon zařízení a stejný procesor zvládá všechny algoritmy v servu, a řídí výkonové tranzistorů přímo. Některé servopohony jsou řízeny lidskými  smysly - posilovač řízení vozidla je typický příklad. Motor je mechanický zesilovač lidského pohybu. Tyto aplikace  často nevyžadují jinou odezvu než to co oko vnímá.

Nejčastější je však  programovatelný řídící systém který řídí motor aby pohyboval systémem mezi různými pozicemi. Např.  obráběcí stroje, průmyslové roboty a řezací zařízení používají tuto technologii.




Výhody a nevýhody

Zde projdeme výhody a nevýhody  u tří nejčastějších typů motorů. Uvedené vlastnosti mohou být více či méně výrazné, jak mohou lišit  mezi různými motory a výrobci.



DC motor se sběrnými kartáči


VÝHODY

Je  osvědčený. DC  motor s kartáči  je
dlouho známá konstrukce vyráběná  v mnoha různých konfiguracích s různými vlastnostmi.

Měkký chod

Vysoká účinnost v celém rozsahu otáček. Tento motor  má obvykle vysoký poměr mezi vrcholovým  a průběžným  točivým momentem  a se správným nastavením pohonu je možné získat  konstantní moment  v celém rozsahu otáček. Dobrá účinnost i při vyšších rychlostech.

Ekonomický    Automaticky vyráběné motory  v základním provedení bez výkonných magnetů (Neodym), mohou být nabízeny za nízké ceny. Pohony jsou také jednodušší a tudíž levnější než krokové motory a bezkartáčové motory.

Tichý  Mechanický zvuk je mnohem tišší než u krokového motoru.

 

NEVÝHODY

Opotřebení.
Mechanická konstrukce s komutátorem a uhlíkovými kartáčky má  omezenou životnost a zvyšuje náklady na údržbu. Skutečná životnost kartáče závisí na materiálu, jak dobře je propracovaná  kostrukce pro dobrou komutaci (malé jiskření při provozu) a především jak se v aplikaci používá. Často opakovaný start/stop s vyským zatěžovým momentem a při vysokých rychlostech nebo provoz při nízkých rychlostech když relativní vlhkost vzduchu je nízká (špatné mazání vodními molekulami)  přispívá ke snížení životnosti.

Jiskření
Jelikož při komutaci vzniká jiskření  ve větším či menším rozsahu  nehodí se tento motor pro použití v prostředí s nebezpečím výbuchu.

Elektrické rušení  Komutace s kartáčky vytváří elektrické rušení, které musí být redukováno nějakou metodou.

   

Krokový motor

   

VÝHODY

  NEVÝHODY

Nízké náklady
Jednoduchá a robusní konstrukce, nízké nebo žádné náklady na údržbu. Relativně nízká pořizovací cena.
Ideální pro regulaci pozice. Narozdíl od ostatních typů motoru nepotřebujete snímač polohy rotoru v pohonech pro regulaci polohy.

Vysoký točivý moment při nízkých otáčkách Při nízkých otáčkách má krokový motor v poměru k jeho fyzické  velikosti, velmi vysoký točivý moment.

 

Hlučnost 
Vzhledem k tomu, zvuk motoru je poháněn tokem elektrickým impulsů dojde k pulzaci momentu a ten způsobuje hluk.

Rezonance  V určitých frekvencích toku pulsů může dojít k rezonanci která  má za následek selhání točivého momentu a ztratě pozice.

Nízký točivý moment  při vysokých otáčkách. Křivka moment/otáčky ukazují klesající moment při růstu otáček.  Je důležité výbrat krokový motor pro danou aplikaci  dle požadavků na točivý moment v celém rozsahu rychlostí, jinak je riziko, že se motor zastaví, nebo ztratí pozici. Polohovací pohony s krokovými motory obvykle nemají snímač polohy rotoru, takže provozní stav, kdy dojde ke ztrátě pozice je zničující pro danou aplikaci.


Bezkartáčový DC motor

   
VÝHODY   NEVÝHODY
     
Tichý . (Žádná rezonance pulzů, žádný mechanický hluk.
Výkonové ztráty,  které se vyskytují ve statoru, jsou snadno chladitelné. 
Efektivní . Bezkartáčový stejnosměrný motor má obvykle vysoký poměr mezi vrcholovým a průběžným  točivým momentem.  Tzto motory mají velmi vysoký točivý moment v poměru k momentu setrvačnosti , což znamená, že dominují jako rychlé servopohony.
Všude vhodný . Jelikož  kartáče zcela chybějí,  jsou motory vhodné do všech aplikací.  Jsou ideální pro aplikace s velmi vysokou rychlostí, rychlým uměnám start/stop a může pracovat  v prostředí s nebezpečím výbuchu a ve vakuu.
  Materiál magnetu  Pro využití  všech dobrých elektrických vlastností motoru  je třeba aby setrvačnost rotoru byla nízká  a proto je obvykle použito  vysoce kvalitního magnetického materiálu (kobalt-samarium nebo neodyn železa)
Výroba  Průměr rotoru je malý  a tedy s nízkým momentem setrvačnosti. Bohužel se zvyšují náklady, když např. magnetický materiál je dražší než feritových magnetů. Pokud je rotor dlouhý s malým průměrem  je  také  stator delší a užší. To znamená, že  je více pracné a nákladné  vkládat  vinutí  do  statoru.
Pohonné elektronika  Pro řízení motoru  je třeba snímač  polohy rotoru pro řízení komutace. Tento snímač  a složitější  pohonná elektronika  zvyšují  náklady na kompletní servopohon.
   

Lineární motor (synchronní)

   

VÝHODY

  NEVÝHODY
Vysoká rychlost
přibližně 10 m/s
Bezhlučnost  žádný mechanický hluk

Vysoké rozlišení

může být vybaven lineárním snímačem s  vysokým rozlišením - s přesností mikrometrů.

Žádné mezera z nepřesnosti
 
Provoz neobsahuje žádné součásti, které mohou poskytnout mechanickou nepřesnost.
  Magnetické materiály
Je třeba  vysoce kvalitních magnetických materiálů aby se využilo dobrých vlastností motoru.

Měřítko a linearita 
Lineární snímač musí  mít  stejnou třídu přesností aby se dalo dosáhnout vysokých rychlostí a vysokého rozlišení.
Zapouzdření  Je třeba  vnější  kryt, pokud  bude motor použit v náročném  prostředí.


 
 

Copyright © Pohonnatechnika.cz 2007-2017. All rights reserved