1. مقدمه ای بر درایوهای AC (درایوهای فرکانس متغیر) در قلمرو کنترل صنعتی مدرن یک......
بیشتر بخوانیدسروو موتور صنعتی یک محرک کنترل حرکت حلقه بسته است - به این معنی که فقط نمی چرخد و به بهترین ها امیدوار نیست. به طور مداوم موقعیت، سرعت و گشتاور خود را از طریق یک دستگاه بازخورد (معمولاً رمزگذار یا حلکننده) نظارت میکند، خروجی واقعی را با هدف مورد فرمان مقایسه میکند و هرگونه انحراف را در زمان واقعی تصحیح میکند. این حلقه خود تصحیح کننده همان چیزی است که یک سیستم سروو را از یک موتور القایی استاندارد که با حلقه باز با سرعت ثابت کار می کند جدا می کند.
حلقه هسته به این صورت عمل می کند: یک کنترل کننده حرکت یک فرمان موقعیت یا سرعت را به درایو سروو ارسال می کند. درایو این فرمان را به نیروی الکتریکی تحویل داده شده به موتور تبدیل می کند. موتور حرکت میکند و رمزگذار متصل به شفت موتور، دادههای موقعیت را به عقب ارسال میکند - معمولاً میلیونها پالس در هر دور در رمزگذارهای صنعتی مدرن. درایو دادههای رمزگذار دریافتی را با موقعیت فرمان مقایسه میکند، سیگنال خطا را محاسبه میکند و خروجی برق را برای حذف آن خطا تنظیم میکند. این هزاران بار در ثانیه اتفاق می افتد. نتیجه دقت موقعیت یابی در محدوده 0.01± درجه و زمان پاسخ در محدوده 1 تا 3 میلی ثانیه در کاربردهای صنعتی معمولی است.
نتیجه عملی این معماری این است که یک سیستم درایو موتور سروو صنعتی حتی در شرایط تغییر بار موقعیت فرمان را حفظ می کند. اگر یک اسپیندل ماشینکاری با مقاومت میانی برش مواجه شود، سیستم بهجای از دست دادن گامها یا کاهش سرعت غیرقابل پیشبینی، بهطور خودکار جبران میکند - این دقیقاً همان چیزی است که با جایگزینهای حلقه باز مانند موتورهای پلهای تحت بار اضافی اتفاق میافتد.
سروو موتورهای صنعتی به سه دسته فناوری اصلی تقسیم می شوند. درک تفاوت ها به شما کمک می کند تا قبل از ورود به مشخصات دقیق، نوع موتور مناسب را با نیازهای برنامه خود مطابقت دهید.
سروو موتور AC s نوع غالب در اتوماسیون صنعتی مدرن هستند. آنها از جریان متناوب استفاده می کنند و تقریباً بدون جاروبک هستند، که به معنی عدم نگهداری برس، عمر طولانی تر و نویز الکتریکی کمتر است. سروو موتورهای AC در دو طرح سنکرون و آسنکرون موجود هستند. سروو موتورهای AC سنکرون - با استفاده از آهنرباهای دائمی در روتور - استانداردی برای کنترل دقیق حرکت در ماشینهای CNC، خطوط بستهبندی و محورهای روباتیک هستند. روتور همگام با میدان مغناطیسی دوار استاتور قفل می شود و لرزش بسیار کم، تراکم گشتاور بالا و دقت موقعیت استثنایی را ارائه می دهد. سروو موتورهای AC ناهمزمان (نوع القایی) دقت کمتری دارند، اما ناهموارتر هستند، در محیط های خشن تحمل می کنند و برای کاربردهایی مانند نوار نقاله ها، پمپ ها و درایوهای با سرعت متغیر که نیازی به موقعیت مطلق نیست، مناسب هستند.
سروو موتورهای DC - به طور خاص طرح های DC برس خورده - استاندارد صنعتی قبل از بلوغ فناوری AC بودند. آنها پاسخ بسیار سریع، گشتاور کم سرعت عالی و کنترل مستقیم را ارائه می دهند، اما برس های کربنی نیاز به تعویض دوره ای دارند، حداکثر سرعت را محدود می کنند و صدای الکتریکی تولید می کنند که می تواند با الکترونیک حساس اطراف تداخل ایجاد کند. سروو موتورهای DC برس خورده در شرایط مقاوم سازی، تجهیزات آزمایشگاهی خاص و کاربردهایی که مقرون به صرفه بودن بیشتر از عملیات بدون نیاز به تعمیر و نگهداری اهمیت دارد، همچنان مورد استفاده قرار می گیرند. تاسیسات صنعتی مدرن به ندرت موتورهای سروو DC جدید برس خورده را مشخص می کنند مگر اینکه دلیل قانع کننده ای وجود داشته باشد.
سروو موتورهای DC بدون جاروبک، ویژگیهای سرعت و گشتاور موتورهای DC را با عملکرد بدون نیاز به تعمیر و نگهداری طرحهای بدون براش AC ترکیب میکنند. آنها از روتورهای آهنربای دائمی با کموتاسیون الکترونیکی استفاده می کنند - حسگرها یا رمزگذارهای جلوه هال جایگزین سیستم مکانیکی برس-کموتاتور می شوند. سروو موتورهای BLDC راندمان بالا، نسبت گشتاور به وزن بالا و عمر مفید طولانی را ارائه می دهند که آنها را به انتخاب ارجح در رباتیک، کاربردهای هوافضا، تجهیزات جراحی و سیستم های اتوماسیون فشرده که در آن فضا و وزن محدود است تبدیل می کند. برای اتوماسیون کارخانه های صنعتی، سروو موتورهای BLDC و AC سنکرون تا حد زیادی از نظر عملکرد معادل هستند - تمایز بین آنها در سطح کاربرد به میزان قابل توجهی کاهش یافته است.
| تایپ کنید | برس ها | چگالی گشتاور | دقت | تعمیر و نگهداری | برنامه معمولی |
|---|---|---|---|---|---|
| AC سنکرون | خیر | بالا | بسیار بالا | کم | CNC، رباتیک، بسته بندی |
| AC ناهمزمان | خیر | متوسط | متوسط | کم | نوار نقاله، پمپ، فن |
| DC برس خورده | بله | متوسط–High | بالا | بالا (brush replacement) | سیستم های قدیمی، تجهیزات آزمایشگاهی |
| DC بدون جاروبک (BLDC) | خیر | بسیار بالا | بالا | خیلی کم | رباتیک، هوافضا، اتوماسیون فشرده |
برگه اطلاعات سروو موتور حاوی اعداد زیادی است و تمرکز بر روی اعداد اشتباه آسان است. اینها مشخصاتی هستند که در واقع تعیین می کنند که آیا یک موتور در برنامه شما عملکرد قابل اعتمادی دارد یا خیر.
گشتاور پیوسته، گشتاوری است که موتور می تواند به طور نامحدود بدون گرم شدن بیش از حد حفظ کند - عددی که بر عملکرد حرارتی طولانی مدت حاکم است. حداکثر گشتاور معمولاً دو تا سه برابر گشتاور پیوسته است و نشاندهنده چیزی است که موتور میتواند در طول انفجارهای شتاب کوتاه ارائه دهد. برای هر کاربرد با حرکت چرخهای، باید جذر میانگین مربع (RMS) تقاضای گشتاور در کل پروفیل حرکت را محاسبه کنید و مطمئن شوید که کمتر از درجه گشتاور پیوسته باقی میماند. کارکردن مداوم سروو موتور صنعتی با حداکثر گشتاور یا نزدیک به اوج آن باعث گرم شدن بیش از حد آن و کاهش عمر عایق سیم پیچ آن می شود. به عنوان یک قانون عملی، اندازه برای حداقل 20 تا 30٪ حاشیه گشتاور بالاتر از تقاضای محاسبه شده RMS شما.
سروو موتورهای صنعتی با دو ناحیه سرعت مشخص میشوند: ناحیه گشتاور ثابت زیر سرعت پایه، جایی که گشتاور کامل در دسترس است، و ناحیه تضعیف میدان بالاتر از سرعت پایه، جایی که گشتاور موجود با افزایش سرعت کاهش مییابد. اگر برنامه شما به گشتاور بالا در سرعت بالا به طور همزمان نیاز دارد، بررسی کنید که منحنی توان پیوسته موتور - نه فقط درجه حداکثر سرعت آن - نقطه عملیاتی مورد نیاز شما را پوشش دهد. حداکثر سرعت برای موتورهای سروو صنعتی معمولاً بین 2000 دور در دقیقه تا 6000 دور در دقیقه است و برخی از طرحهای پرسرعت فشرده به 8000 دور در دقیقه یا بیشتر میرسند.
تطبیق اینرسی یکی از مهم ترین و اغلب نادیده گرفته شده ترین عوامل در انتخاب سروو موتور است. نسبت اینرسی - اینرسی بار منعکس شده تقسیم بر اینرسی روتور موتور - تعیین می کند که حلقه سروو چقدر می تواند بار را کنترل کند. نسبت اینرسی ایده آل برای کاربردهای با کارایی بالا بین 1:1 و 3:1 است. تا 10:1 برای برنامه های کاربردی کمتر قابل قبول است. فراتر از 10:1، بار بر دینامیک سیستم تسلط دارد، و تنظیم حلقه سروو را دشوار می کند و بدون توجه به توانایی درایو، رفتار کند، نوسانی یا ناپایدار ایجاد می کند. اگر نسبت اینرسی شما خیلی زیاد است، گیربکس سیاره ای اغلب راه حل است - گیربکس 5:1 اینرسی بار منعکس شده را تا ضریب 25 کاهش می دهد (با مجذور نسبت دنده)، که می تواند یک محور نامناسب را به محوری با رفتار خوب تبدیل کند.
سروو موتورهای صنعتی در درجه بندی حفاظتی از IP54 (مقاوم در برابر پاشش آب) تا IP67 یا IP69K (کاملاً در برابر گرد و غبار و جت های آب پرفشار آب بندی شده) در دسترس هستند. برای فرآوری مواد غذایی، تولید دارو، محیط های شستشو یا نصب در فضای باز، رتبه IP یک مشخصات غیرقابل مذاکره است - نه یک ملاحظات ثانویه. اکثر سروو موتورهای صنعتی استاندارد دارای IP65 به عنوان رتبه پیش فرض خود هستند. مهر و موم شفت را به طور خاص بررسی کنید، زیرا برخی از موتورها حتی زمانی که بدنه کاملاً آب بندی شده است از مهر و موم شفت با درجه پایین تر استفاده می کنند.
وضوح رمزگذار تعیین میکند که حلقه سروو چقدر میتواند اندازهگیری و موقعیت را درست کند. سروو موتورهای صنعتی مدرن معمولا از رمزگذارهایی با وضوح بین 17 بیت (131072 تعداد در هر دور) و 24 بیت (16.7 میلیون تعداد در هر دور) استفاده می کنند. رمزگذار با وضوح بالاتر صافی سرعت پایین را بهبود میبخشد، موجهای سرعت را کاهش میدهد و حلقههای موقعیت محکمتر را فعال میکند - اما تنها در صورتی که درایو بتواند نرخ بازخورد را پردازش کند و سیستم مکانیکی به اندازه کافی دقیق باشد که از آن سود ببرد. برای اکثر برنامه های استاندارد CNC و اتوماسیون، یک رمزگذار مطلق 20 تا 23 بیتی کافی است. برای کاربردهای بسیار دقیق - تجهیزات نیمه هادی، سیستم های اندازه گیری، موقعیت یابی نوری - وضوح بالاتر و یک رمزگذار با دقت بالا توجیه می شود.
یک سروو موتور را نمی توان جدا از درایو آن ارزیابی کرد. موتور و درایو با هم سیستم سروو را تشکیل می دهند و مشخص کردن آنها به طور جداگانه بدون تأیید سازگاری منجر به مشکلات یکپارچه سازی می شود که رفع آنها پس از راه اندازی هزینه زیادی دارد. هر تولیدکننده بزرگ سروو موتور صنعتی - Yaskawa، Fanuc، Siemens، Mitsubishi، Allen-Bradley (Rockwell)، پاناسونیک و دیگران - خانوادههای موتور درایو منطبق را با سازگاری شناخته شده و الگوریتمهای تنظیم خودکار بهینهسازی شده تولید میکنند. استفاده از یک درایو از یک سازنده با موتوری از سازنده دیگر از نظر فنی امکان پذیر است، اما نیاز به توجه دقیق به سازگاری پروتکل بازخورد، پهنای باند حلقه فعلی و داده های تطبیق اینرسی دارد.
ویژگی های کلیدی درایو برای ارزیابی در کنار مشخصات موتور عبارتند از:
رمزگذار سیستم حسی حلقه سروو است. انتخاب نوع انکودر اشتباه برای محیط یا برنامه یکی از شایع ترین دلایل مشکلات سیستم سروو در این زمینه است.
رمزگذارهای افزایشی جریانی از پالس ها را در حین چرخش شفت تولید می کنند - کنترل کننده این پالس ها را برای محاسبه موقعیت و سرعت شمارش می کند. محدودیت حیاتی این است که داده های موقعیت در هنگام قطع برق از بین می روند و هر بار که دستگاه راه اندازی می شود نیاز به یک توالی هومینگ دارد. برای کاربردهایی که خانهسازی غیرعملی است - محورهای عمودی که ممکن است در حین خانهسازی بیفتند، ماشینهایی که به طور مداوم 24/7 کار میکنند، یا محورهایی که موقعیت خانه به راحتی قابل دسترسی نیست - رمزگذارهای افزایشی مناسب نیستند.
رمزگذارهای مطلق یک کد دیجیتال منحصر به فرد را برای هر موقعیت شفت ارائه می دهند و این اطلاعات را حتی پس از یک چرخه قدرت حفظ می کنند. هنگام راهاندازی به خانه نیازی نیست. رمزگذارهای مطلق تک چرخشی موقعیت را در یک دور ردیابی می کنند. رمزگذارهای مطلق چند چرخشی (با استفاده از مکانیسم های شمارش دنده یا حافظه با پشتیبان باتری) علاوه بر این، کل چرخش ها را ردیابی می کنند. برای کاربردهای صنعتی شامل محورهای عمودی، دروازهها یا ماشینهایی که زمان راهاندازی و ایمنی موقعیتیابی حیاتی است، رمزگذارهای مطلق با وجود هزینه بالاتر، به شدت ترجیح داده میشوند.
رمزگذارهای نوری از یک منبع نور و یک دیسک کد با الگوهای دقیق حکاکی شده برای تولید سیگنال های موقعیت استفاده می کنند. آنها به وضوح بسیار بالا - تا 24 بیت یا بالاتر - و دقت عالی دست می یابند، اما دیسک نوری در برابر آلودگی روغن، مایع خنک کننده و ذرات ریز آسیب پذیر است. رمزگذارهای نوری برای محیط های تمیز مانند ساخت نیمه هادی ها، مونتاژ دقیق و تجهیزات پزشکی مناسب هستند. در ماشینکاری صنعتی، فلزکاری یا کاربردهای فضای باز، به اقدامات حفاظتی نیاز دارند یا با جایگزینهای مغناطیسی جایگزین میشوند.
رمزگذارهای مغناطیسی از الگوهای قطب مغناطیسی روی چرخ هدف و حسگری استفاده می کنند که تغییرات میدان مغناطیسی را در حین چرخش شفت تشخیص می دهد. آنها وضوح کمتری نسبت به طرح های نوری ارائه می دهند اما در برابر آلودگی، رطوبت، شوک و لرزش بسیار مقاوم هستند - شرایطی که در محیط های صنعتی سنگین رایج است. رمزگذارهای مغناطیسی مدرن با وضوح 17 تا 19 بیت برای اکثر برنامه های کاربردی کنترل حرکت صنعتی که محیط زیست فناوری نوری را رد می کند، کافی است.
کوچک کردن یک سروو موتور باعث ایجاد خطاهای استال، خاموش شدن حرارتی و وقفه در تولید می شود. بزرگی بیش از حد سرمایه را هدر می دهد، عدم تطابق اینرسی را افزایش می دهد و می تواند تنظیم حلقه کنترل را سخت تر کند. یک گردش کار اندازه سیستماتیک از هر دو مشکل جلوگیری می کند.
اگر حلقه کنترل تنظیم نشود، حتی یک سروو موتور با اندازه مناسب با یک درایو مناسب عملکرد ضعیفی خواهد داشت. تنظیم PID (Proportional-Integral-Derivative) سه دستاورد کنترلی را تنظیم می کند که تعیین می کند درایو چقدر به خطای موقعیت واکنش تهاجمی نشان می دهد، چگونه افست حالت پایدار را حذف می کند و چگونه نوسان را کاهش می دهد.
سود متناسب (Kp). پاسخ فوری به خطای موقعیت را تعیین می کند - Kp بالاتر به معنای تصحیح سریع تر و تهاجمی تر است. خیلی بالاست و سیستم نوسان می کند. خیلی کم است و به کندی پاسخ می دهد، با خطاهای موقعیت بزرگ در زیر بار. با افزایش Kp شروع کنید تا اولین علائم نوسان ظاهر شود، سپس تقریباً 20٪ کاهش دهید.
سود مشتق (Kd). با پاسخ دادن به نرخ تغییر خطا، نه به بزرگی خطا، نوسان را کاهش می دهد. افزودن Kd پس از تنظیم Kp باعث افزایش نسبت بالاتر بدون ناپایداری می شود. آن را به عنوان کمک فنر سیستم کنترل در نظر بگیرید. Kd بیش از حد نویز را تقویت می کند و باعث پچ پچ فرکانس بالا می شود.
سود انتگرال (Ki). خطا را در طول زمان انباشته می کند و موقعیت حالت پایدار را که کنترل تناسبی به تنهایی نمی تواند به طور کامل تصحیح کند، حذف می کند. Ki را در آخر و با افزایشهای کوچک اضافه کنید - بهره انتگرال بیش از حد باعث نوسان آهسته و با فرکانس پایین میشود که به آن "پیچ انتگرال" میگویند.
اکثر سروو درایوهای صنعتی مدرن دارای عملکردهای تنظیم خودکار هستند که سودهای اولیه را بر اساس پاسخ مکانیکی اندازه گیری شده تنظیم می کنند. از تنظیم خودکار به عنوان نقطه شروع استفاده کنید، نه یک نتیجه تمام شده. پس از تنظیم خودکار، عملکرد را با مشخصات حرکت تولید واقعی - چرخههای سریع با بار کامل - نه فقط یک حرکت آزمایشی آهسته، تأیید کنید. اگر سیستم مکانیکی دارای انطباق باشد (محرک تسمه، کوپلینگ منعطف طولانی یا گیربکس چند مرحله ای)، ممکن است برای سرکوب نوسانی که تنظیم PID به تنهایی قادر به حذف آن نیست، به فیلترهای ناچ در فرکانس تشدید سیستم مکانیکی نیاز باشد. تجزیه و تحلیل نمودار Bode موجود در بسته های نرم افزاری پیشرفته سروو درایو کارآمدترین راه برای شناسایی و سرکوب تشدیدهای مکانیکی است.
سروو موتورهای صنعتی در هر جایی که حرکت باید دقیق، قابل تکرار و سریع باشد استفاده می شود. جدول زیر رایج ترین کاربردهای صنعتی، نیازهای عملکرد اولیه در هر یک و نوع موتور معمولی مورد استفاده را خلاصه می کند.
| صنعت | برنامه معمولی | نیاز اولیه | نوع موتور معمولی |
|---|---|---|---|
| ماشینکاری CNC | درایوهای محور، دوک ها | بالا positioning accuracy, rigid speed control | AC سنکرون servo |
| رباتیک | محرک های مشترک، افکتورهای انتهایی | بالا torque density, low inertia, compact size | سروو BLDC، سروو AC همزمان |
| بسته بندی | انتخاب و مکان، فرم-پر-مهر، برچسب زدن | زمان چرخه سریع، موقعیت یابی قابل تکرار | AC سنکرون servo |
| نیمه هادی / الکترونیک | جابجایی ویفر، مونتاژ PCB | دقت فوق العاده بالا، سازگاری با اتاق تمیز | سروو خطی، سروو AC با وضوح بالا |
| چاپ / تبدیل | کنترل تنش وب، کنترل ثبت | کنترل سرعت صاف، رد اختلال سریع | AC سنکرون servo |
| تجهیزات پزشکی | ربات های جراحی، سیستم های تصویربرداری | عملکرد بی صدا، کنترل دقیق گشتاور، جمع و جور | سروو BLDC |
| شکل دهی فلز | درایوهای پرس، ماشین های خم کن | بالا peak torque, position accuracy at low speed | AC سنکرون servo (high-torque frame) |
سروو موتورهای صنعتی برای عمر طولانی طراحی شده اند - معمولاً بیش از 20000 ساعت در سیستم هایی که به درستی اعمال و نگهداری می شوند. بیشتر خرابیهای میدان ناشی از تعداد کمی از علل قابل شناسایی است و بیشتر آنها با تعمیر و نگهداری معمول قابل پیشگیری هستند.
برای کاربردهای کنترل حرکت در محدوده گشتاور کم تا متوسط با بودجه محدود، موتورهای پله ای جایگزین رایجی برای سروو موتورهای صنعتی هستند. درک اینکه کدام فناوری واقعاً انتخاب بهتری است، هم از مهندسی بیش از حد و هم از عدم تعیین دقیق جلوگیری می کند.
موتورهای پله ای به صورت حلقه باز عمل می کنند - آنها در مراحل افزایشی ثابت بدون بازخورد موقعیت حرکت می کنند. آنها ساده تر، ارزان تر هستند و نیازی به تنظیم درایو ندارند. آنها برای بارهای سبک، سرعت های کم و کاربردهایی که گاه از دست دادن یک پله قابل قبول است یا شرایط بار قابل پیش بینی و سازگار است، مناسب هستند. محدودیتها در سرعتهای بالاتر (گشتاور به شدت از چند صد دور در دقیقه کاهش مییابد)، تحت بارهای متغیر یا ضربهای (ممکن است مراحل بدون هیچ نشانهای خطا از دست رفته) و در برنامههای چرخه کاری بالا (مدیریت حرارتی بدون بازخورد دشوار میشود) ظاهر میشوند.
سیستم های سروو موتور صنعتی انتخاب مناسبی هستند که: