Сервопривод. 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.