At vælge et servomotorsystem til et maskindesign begynder med at forstå de komponenter, der udgør servomotoren eller servodrivsystemet. Servosystemer er lukkede systemer, der bruges til at styre bestemte ønskede bevægelser. De inkluderer en feedback-enhed, der giver konstant information mellem motoren og føreren for præcist at kontrollere positionen, hastigheden og drejningsmomentet for den mekanisme, der drives.
QXR Højtydende DDR motor servodriver
Typisk er servodesigns meget dynamiske systemer, der involverer at køre en last for at accelerere og decelerere hurtigt. De fungerer i fire kvadranter, hvilket betyder, at de kan styre moment og hastighed, både positivt og negativt.
Servodrevet udvælgelse kræver en systematisk løsning. Med andre ord en holistisk tilgang, der tager højde for overordnede mekaniske, elektriske og programmeringsparametre. Systemet omfatter bestemmelse af mekaniske belastninger, bevægelseskurver (inklusive positioneringskrav), servomotorkarakteristika og det miljø, hvori motoren og andre komponenter er placeret; Især når motoren kører med næsten konstant hastighed, har det indflydelse på færdige produkter, materialer og/eller selve processen.
Mekaniske belastnings- og bevægelseskurveparametre
Lad os starte med at forstå, hvad krav til mekanisk belastning og bevægelse betyder. Grundlæggende newtonsk fysik hævder, at kraft (eller drejningsmoment i rotationsretningen) er proportional med masse (rotationsinerti) gange acceleration, uanset om accelerationen er positiv eller negativ. I forbindelse med motion design har maskinkonstruktion sin egen kvalitet og kvaliteten af den belastning, den bærer.
Derfor er det vigtigt at bestemme de mekaniske dele – især kvaliteten af bevægelse og den ønskede bevægelseskurve. Metoder til at konvertere rotationsbevægelse til lineær bevægelse varierer meget og påvirkes af faktorer som nøjagtighed, belastning, bevægelsesdynamik og miljø.
Når først den anvendte mekanisme er forstået, er det vigtigt at forstå bevægelsesdynamikken for at bestemme den bedste servomotoriske løsning. Bevægelseskurven inkluderer ikke kun bevægelsen fra et punkt til et andet, men også de funktioner, der kan bruges i den bevægelse, såsom den trykkraft, der er forbundet med bearbejdningen af delene. Acceleration, uniform og deceleration samt opholds- og pausetider er alle inkluderet i systemets overordnede bevægelseskurve. Indekseringsbevægelser kan være simple trekantede bevægelser, variabel trapez eller 1/3-1/3-1/3 (den mest effektive bevægelse forbundet med RMS-drejningsmoment).
Servo system valg og udvælgelse værktøj
Mange leverandører tilbyder udvælgelses- og udvælgelsesværktøjer til at hjælpe brugere med at bygge bevægelsesprofiler baseret på bevægelseskravene i deres applikationer. De fleste softwareværktøjer, såsom Kollmorgens Motioneering-platform, giver en række forskellige bevægelsesbeskrivelser for at hjælpe dig med at beregne acceleration, bevægelsestid, distance, hastighed og opholdstid. Figur 1 viser den grundlæggende 1/3-1/3-1/3 kurve med en 50 procent acceleration indført for at udjævne accelerationen. I dette eksempel valgte vi at bevæge os 8 tommer på 1 sekund og bruge 50 procent acceleration og en 2 sekunders dvæletid. Systemet beregner bevægelse i form af 1/3 accelerationstid, 1/3 konstant hastighed og 1/3 deceleration. Den maksimale hastighed beregnet af værktøjet er 720in/min. Du kan se "S"-kurvens omrids (baseret på 50 procent acceleration). Derudover kan det for denne bevægelse ses, at en trykbelastning (rød linje) påføres den tværgående del af bevægelsen -- denne bevægelseskurve er sandsynligvis ved at blive bearbejdet. Dvæletid kan også ses som 3 sekunder. Dwell-delen er vigtig, fordi alle parametrene forbundet med denne kurve vil blive brugt til at beregne RMS-drejningsmomentet, som vil være en metrik, vi bruger til at vælge den korrekte motor. Ud over bevægelseskurver er det også vigtigt at forstå de faktiske positioneringskrav for belastninger med hensyn til opløsning, nøjagtighed og repeterbarhed. Dette vil blive direkte påvirket af valget af feedback-enheder og (mere væsentligt) af det tomme momentum af mekaniske fittings i form af frigang og fleksibilitet.
Medmindre designet kan bruge en direkte drevet motorløsning, vil det omfatte en eller anden form for mekanisk transmission. Roterende lineær kraftoverførsel (som konverterer output fra en roterende motor til akselvandring) kan opnås ved remskivedrev eller ved skruebaserede mekanismer, såsom kugleskruer. Rotationsdrevet inkluderer en gearkasse eller remdrev, så remskiver af forskellige størrelser kan bruges som retardere. I nogle applikationer bidrager de dele, der flyttes, væsentligt til den samlede bevægelsesmasse. Et særligt tilfælde er massen af en maskinaksel, der skal flyttes for at ændre --, f.eks. ved distribution eller behandling af et robotsystem. Den samlede belastningsvariation kan være en faktor ved justering af servodrevet.
Komponenter i bevægelse skal summere deres inerti og reflektere den tilbage til motorakslen. Ud over inerti skal ydre kræfter, friktion og ineffektivitet tages i betragtning.
Miljøhensyn i servodesign
Det er ikke slut endnu. Ved bestemmelse af servodesignet kan kun visse tilgængelige mekanismer økonomisk og effektivt give den nødvendige bevægelse, bæreevne og nøjagtighed. En overvejelse, der ofte overses, er det miljø, som servosystemet fungerer i. De fleste servomotorer er vurderet til at fungere ved 40C - et meget varmt miljø, men typisk i mange fabriks- og industriindstillinger.
Køreelektronikkens varmemodstand er ikke særlig høj, og da de også er vurderet til 40 grader C, er det en udfordring at styre den omgivende temperatur, hvor de arbejder. Normalt kræves tvungen køling i styreskabet for at opretholde korrekte miljøforhold (temperatur og fugtighed). Derfor skal placeringen af motoren og føreren overvejes. Selvfølgelig kan motoren installeres eller integreres direkte i enheden for at drive den lastbærende mekanisme. Derimod er drevet i en centraliseret løsning placeret i et styreskab -- det skal normalt køles.
Producenter definerer delvis motorydelse i henhold til de miljøforhold, som motoren fungerer under. Som nævnt ovenfor antager mange designere, at motoren er klassificeret til en omgivelsestemperatur på 40 grader C, men lejlighedsvis leveres en motorspecifikation på 25 grader C. Derfor bør man være opmærksom på de offentliggjorte referenceværdier ved gennemgang af specifikationer. Hvis maskinens omgivelsestemperatur overstiger den nominelle omgivende temperatur, når motoren ikke den nominelle effekt.
Andre miljøforhold kan påvirke motormaling og tætninger og andre mekaniske underkomponenter. Støv, snavs, fugt, sprayskylning, hygiejnekrav, eksplosive miljøer, vakuummiljøer og stråling kræver alle en speciel servomotor med fysiske egenskaber, der er skræddersyet til det aktuelle barske miljø.
Udvælgelsesproces
Ved bestemmelse af den nødvendige sammensætning af motor/drivsystem er en stor del af den tidlige udvælgelsesindsats mekanisk og miljømæssig. Nu, når brugeren vælger det endelige produkt, skal de resterende systemkomponenter, som systemet indeholder, tages i betragtning. Mekaniske og miljømæssige faktorer vil fortsat påvirke feedback-elementer, ledninger og det ultimative valg af styrearkitektur.
Feedbackovervejelser og servomotoregenskaber
Per definition har servosystemer feedback-enheder, der måler hastighed, position og andre systemparametre under drift. Producenter kan have begrænsede muligheder, men det er vigtigt nøje at overveje specifikke anvendelsesparametre, herunder slagbelastning og positioneringsnøjagtighed samt repeterbarhed. Roterende transformatorer har ofte fremragende ydeevne i barske miljøer, især ved højere stødbelastninger. En roterende transformer er en roterende transformer, der består af en viklingsspole med stator- og rotordele rundt om kernen. Denne konstruktion giver mulighed for højere temperaturdrift og større tolerance over for høje stødbelastninger end encodere, der kan indeholde glaspladeelementer.
Sinusformede indkodere kan give høj opløsning, op til 24 bit og derover, for optimal positioneringsnøjagtighed. Nogle hybridkodere kan give en roterende transformers robusthed med bedre opløsning. Disse smarte indkodere er baseret på roterende transformere med elektroniske komponenter, der fortolker sinus- og cosinussignaler og konverterer dem til et digitalt signal med høj opløsning, der sendes til en servodriver til brug i hastigheds- og positionsfeedback.
I øjeblikket tilbyder de nyeste indkodere en række kommunikationsprotokoller (EnDAT, BiSS og DSL) og giver høj opløsning og lav støjkapacitet for at hjælpe med at opnå optimale feedbacksignaler til servodrivere og controllere.
Et andet feedbackvalg, der afhænger af applikationskravene, er, om du ønsker absolut eller trinvis feedback. I et roterende system kan du tælle fra 0, når du har gennemført en 360 graders rotation ved hjælp af en enkelt omgang med udstyr. Multiturn absolut encoder lader systemet vide dets position, ikke kun positionen af motoren i en 360 graders rotation, men også antallet af omdrejninger, den har gennemført i hver retning. Så den ved præcis, hvor den er. Det er vigtigt at vide dette og hvor værktøjet og andre akser er placeret. Simple inkrementelle indkodere kan på den anden side bestemme positionen i en enkelt rotation, men først efter at have fundet nul i opstartscyklussen. Som et resultat vil brugeren ikke vide, hvor mange cyklusser der er blevet gennemført eller endda den absolutte position
i en 360 graders rotation, når den er tændt.
Udover servomotoren og selve servodriveren er selve forbindelsen mellem de to også vigtig. Kabelfleksibilitet (defineret af dens tilladte bøjningsradius) er en vigtig overvejelse, især når kablet bevæger sig med akslen.
Kabellængden kan være begrænset af den pågældende encodertype. Kabelparametre såsom impedans og spændingsfald kombineret med koderens signalstyrke er nøglefaktorerne i længdeovervejelser. Nogle af de nyere enheder, der tilbydes på markedet, transmitterer seriel information til drivere (såsom DSL, EnDat og BiSS) ved meget høje transmissionshastigheder, som vil blive påvirket af længde, især impedans og signal-til-støj-forhold. Selv stikket spiller en rolle i "feedback"-løkken, da stikket skal behandle de forskellige signaler, der genereres fra disse enheder. En anden kabellængdefaktor relateret til motoreffekt er relateret til de høje koblingsfrekvenser involveret i nutidens PWM-drivere. Der er støj i motorens strømkabel. Når kablet bliver længere og nærmer sig halvdelen af frekvensbølgelængden på kablet, vil der dannes en antenne. Antennen sender eller modtager information (i dette tilfælde genererer støj), som ikke burde være til stede i et højtydende system.
Sidste parameter: bevægelseskontrol og netværk -- centraliseret versus decentraliseret
En sidste overvejelse, der kan forårsage duplikering af den overordnede designproces (og ændre andre specificerede komponenter i designet), er systemarkitekturen. Ingeniøren må spørge: Skal jeg fokusere på et centraliseret styresystem med drivere, controllere og understøttende elektronik pakket i et centraliseret kabinet, eller er det mere rentabelt og omkostningseffektivt at fordele driverne på tværs af maskinen (en distribueret systemtilgang)? En maskine med flere akser, som kan være spredt ud over maskinen, ville være en ideel kandidat til en distribueret løsning. Denne metode kan reducere kabelkravene betydeligt og spare omkostninger forbundet med ledningsføring af lange kabler og kabelåbninger og -understøtninger, der følger med disse kabler. Derudover reducerer det at flytte driveren ud af maskinen størrelsen af det kabinet, der kræves til at rumme kontrol- og understøttelse af elektroniske komponenter, hvilket igen reducerer omkostninger og kølebehov i kabinettet. På den anden side vil maskiner, der er kompakte og har færre aksler, ikke have gavn af en traditionel
centraliseret tilgang.
konklusion
Der er mange ting, der skal overvejes, når man vælger et servosystem til en applikation, hvoraf mange er beskrevet i denne artikel. Et andet valg, der påvirker valget af komponenter, styrer systemet. Styretypen specificeres normalt på et tidligt tidspunkt i maskindesigndiskussioner og afhænger af en række forskellige faktorer, mens styringsvalget normalt låser valget af feltbuskommunikationsstandarder.