Ocena parametrów pracy serwomechanizmów

Yaskawa
Fot. Stanowiska pomiarowe używane są do pomiaru parametrów serwomechanizmów i porównywania ich charakterystyk. (Źródło: Yaskawa America)

Panuje powszechne przekonanie, że dwa serwomechanizmy o tej samej mocy znamionowej pochodzące od różnych producentów mogą być stosowane zamiennie, a jedyną ich cechą odróżniającą jest cena. Jest to przekonanie błędne.

Wybór serwomechanizmu do konkretnej aplikacji nie zależy jednie od poziomu zużycia energii przez urządzenie oraz jego ceny. Podczas porównywania serwomechanizmów należy uwzględnić również następujące kryteria:

-> moment obrotowy,

-> prędkość obrotową,

-> czas pracy przy przeciążeniu,

-> stosunek momentu obrotowego do bezwładności,

-> rozdzielczość,

-> odpowiedź częstotliwościową,

-> dostępne interfejsy i rozwiązania sieciowe,

-> gabaryty,

-> jakość wyrobu i jego niezawodność.

Rys. Zależność momentu obrotowego od prędkości obrotowej. Widoczne są dwa obszary: A – obszar pracy ciągłej, B – pole okresowego przeciążenia.

Moment obrotowy

Parametry pracy serwomechanizmów podawane są dla dwóch przypadków: pracy ciągłej i obciążenia okresowego (rys.). Moment obrotowy podany dla pracy ciągłej to wartość, którą silnik jest w stanie generować bez przerwy, bez ryzyka przegrzania lub innego uszkodzenia. Parametry dla pracy okresowej oznaczają np. wartość momentu, jaki silnik może wytworzyć jedynie przez niedługi czas. Dotyczy to zwykle okresów zmiany prędkości obrotowej, przyspieszania i hamowania czy odpowiedzi na chwilowe zakłócenia w układzie.

Niestety, zarówno moment obrotowy, jak i prędkość obrotowa nie są parametrami spójnie, jednakowo definiowanymi na rynku silników elektrycznych. Czas, w jakim serwomechanizm jest w stanie generować określony poziom momentu obrotowego (czasem określany jako czas przeciążenia), różni się znacznie u producentów silników i często nie jest jednoznacznie określony. Tymczasem parametr ten może mieć duży wpływ na to, do jakich zadań i aplikacji może być stosowany dany serwomechanizm. Przy doborze mocy i rozmiarów serwomechanizmu należy pamiętać, że wartość RMS (wartość uśredniona) momentu obrotowego musi odpowiadać parametrom pracy silnika w czasie ciągłym, aby ten mógł pracować bez ryzyka przegrzania. Z kolei długość cyklu pracy serwomechanizmu jest ograniczona przez ilość ciepła, które jest w stanie odprowadzić do otoczenia.

Przywołajmy przykład testu przeprowadzonego na maszynie u klienta. W badaniu zastosowano dwa różne serwomechanizmy o zbliżonych gabarytach (fot.), ale różnej mocy znamionowej – jeden opisany jest mocą 750 W, drugi natomiast – 860 W. Po wykonaniu testów stwierdzono, że silnik o mocy 750 W lepiej nadaje się do powierzonego mu zadania. Wynik wydaje się sprzeczny z intuicją, jednak należy sobie uzmysłowić, że moc serwomechanizmu nie jest mierzona przy tej samej prędkości obrotowej dla każdego serwomechanizmu. We wzorze na moc silnika elektrycznego widnieje zarówno moment obrotowy, jak i prędkość obrotowa, a w branży sterowania ruchem żadna z tych wartości nie jest ustandaryzowana dla serwomechanizmów. Jest więc bardzo ważne, aby wybrać taki silnik, który charakteryzuje się odpowiednim momentem obrotowym i prędkością obrotową dla danej aplikacji. Nie należy skupiać się jedynie na podanej przez producenta mocy serwomechanizmu. Uzwojenie stojana w serwomechanizmie może zostać skonstruowane w taki sposób, aby zapewnić różny stosunek momentu obrotowego do prędkości obrotowej przy tej samej mocy urządzenia.

Bezwładność

Kolejnym istotnym parametrem jest stosunek bezwładności wirnika silnika i bezwładności obciążenia. Serwomechanizm to z definicji urządzenie wykorzystujące pętle sprzężenia zwrotnego, a sterujący nim algorytm nieustannie reguluje prąd silnika. Poziom natężenia prądu zasilającego silnik wyliczany jest na podstawie skomplikowanych algorytmów i zależności, które zawierają w sobie różnice wartości mierzonej oraz wartości zadanej dla aktualnej pozycji, prędkości obrotowej i momentu obrotowego. Stosunek bezwładności silnika i obciążenia znacząco wpływa na zdolność serwomechanizmu do precyzyjnego sterowania prędkością. Jeżeli stosunek ten jest zbyt wysoki, silnik będzie nieprawidłowo sterowany, co spowoduje oscylacje. Mogą być one niewielkie, np. mogą to być lekkie drgania podczas zatrzymania silnika, lub poważne, w postaci silnych i głośnych wibracji mogących uszkodzić maszynę. Dostępne obecnie na rynku serwomotory o wysokiej wydajności mają wirniki o niskiej bezwładności z magnesami stałymi, które mogą wygenerować duży moment obrotowy przy niewielkich gabarytach urządzenia.

Ważny jest wybór odpowiedniego sposobu przekazania napędu (skrzynki przekładniowej, gwintu tocznego czy napędu pasowego) w celu uzyskania pożądanego stosunku bezwładności wirnika do obciążenia w granicach akceptowalnych:

-> 10:1 (średnia wydajność),

-> 5:1 (lepsza wydajność),

-> 1:1 (wysoka wydajność).

Rozdzielczość

Innym ważnym czynnikiem jest rozdzielczość modułu pomiarowego – enkodera, wchodzącego w skład pętli zwrotnej serwomechanizmu. Rozdzielczość enkoderów stale wzrasta. Nie jest rzeczą niezwykłą dla enkodera rozdzielczość na poziomie 20 bitów lub więcej. 20-bitowy enkoder zlicza ponad milion impulsów na obrót (220 = 1 048 576). Należy pamiętać, że zadaniem serwomechanizmu jest określenie różnicy pomiędzy zadaną a rzeczywistą pozycją i dążenie do uzyskania różnicy równej zeru. Im większa rozdzielczość, tym szybciej serwomechanizm może wykryć ruch i dokonać korekty, co skutkuje bardziej precyzyjnym sterowaniem.

Odpowiedź częstotliwościowa i pasmo

Zdolność serwomechanizmu do obliczania i dostarczania odpowiedniego natężenia prądu – w konsekwencji momentu – w czasie rzeczywistym to kolejna cecha odróżniająca serwomechanizmy. Z kolei odpowiedź częstotliwościowa serwomechanizmu to miara jego zdolności do podążania za korektami sygnału.

Pasmo serwomechanizmu określane jest przez sygnał sinusoidalny w pętli sterującej, gdy częstotliwość sinusoidy jest zwiększana aż do momentu, gdy serwomechanizm nie jest w stanie zwiększyć prędkości odpowiadającej sygnałowi sterującemu. Gdy właściwa prędkość spadnie do 70,7% (3 dB) sygnału sterującego, częstotliwość ta oznacza pasmo serwomechanizmu.

Na przestrzeni ostatnich 25 lat pasmo wysokowydajnych serwomechanizmów zostało zwiększone dziesięciokrotnie – od poziomu poniżej 100 Hz aż do obecnie występujących 1 kHz.

Sterowanie

Wraz ze wzrostem mocy serwomechanizmów nastąpiła również poprawa efektywności ich układów sterowania. Większość nowoczesnych serwomechanizmów ma architekturę bazującą na rozwiązaniach sieciowych, co obniża koszt implementacji i polepsza zdolności diagnostyczne. Redukcja okablowania pomaga również zwiększyć prędkość, dzięki czemu producenci mogą tworzyć wieloosiowe systemy, przynoszące większe zyski. Podłączenie do sieci układu sterującego serwomechanizmem oraz przesył informacji pomiędzy systemami MES i SCADA to elementy zasadniczo niezbędne w epoce wykorzystania zaawansowanych technik komunikacji. Dodatkowe możliwości i narzędzia diagnostyczne pozwalają na zmniejszenie liczby koniecznych przestojów i umożliwiają zdalne rozwiązywanie problemów.

Mimo że osiągi współczesnych serwomechanizmów znacznie wzrosły, rozmiar komponentów elektronicznych we wzmacniaczu i sterowniku uległ zmniejszeniu. Wydajne termicznie rozwiązania techniczne wymagają mniej miejsca pomiędzy wzmacniaczami. Te technologiczne unowocześnienia pozwalają zredukować rozmiar komponentów, co z kolei przynosi zysk w pojęciu całego systemu. Mniejsze szafy sterownicze i związana z nimi oszczędność miejsca prowadzi do lepszego wykorzystania przestrzeni zakładu.

Jakość

Oczywiście wymienione cechy nie przyniosą korzyści w przypadku niskiej jakości całego systemu. Ważne jest, by wybrać dostawcę znanego z dobrej i udokumentowanej jakości produktów. Średni czas między usterkami to sposób na pomiar jakości i niezawodności produktu. Uzyskanie tych danych przed zakupem pomoże wybrać takie rozwiązania, które zapewnią niższe koszty użytkowania.

Jerry Tyson jest inżynierem w Yaskawa America. Ma 26-letnie doświadczenie w branży sterowania ruchem. W firmie Yaskawa pracuje od 25 lat.

Michael Miller jest menedżerem regionalnym w Yaskawa America. W firmie pracuje od 16 lat.