около Дон Лабриола П.Э., президент QuickSilver Controls, Inc

Использование гибридных сервоприводов растет по мере понимания методов их управления, а затраты на достаточную вычислительную мощность сокращаются.

Сложные технологии управления позволили создать гибридную серводвигательную систему на основе двигателя, который обычно называют гибридным шаговым двигателем, приводимым в действие шаговым приводом с разомкнутым контуром. В результате достигается высокий крутящий момент в диапазоне скоростей и крутящего момента, который хорошо сочетается с прямыми приводными ремнями и ходовыми винтами, а также другими нагрузками.

Усовершенствованные технологии управления и улучшения демпфирования позволяют выполнять настройку «из коробки» примерно в 95% случаев, устраняя рассогласование инерции на открытом валу примерно в 3-5 раз без повторной настройки привода. При некоторой дополнительной настройке, обычно занимающей несколько минут, легко достигается инерционное рассогласование 100:1. Примерная система, состоящая из ременного линейного привода с прямым приводом и гибридного сервопривода с 24 рамами, была способна работать без нагрузки до 11 кг (25 фунтов) без изменений в настройке или движении. Это соответствует инерционному рассогласованию в диапазоне приблизительно от 1:1 до 22:1, опять же без повторной настройки.

Краткая история гибридного двигателя
Гибридный поперечный двигатель с большим количеством полюсов уже прошел полный цикл разработки. Термин «гибридный» в названии относится к созданию крутящего момента как за счет переменного магнитного поля, так и за счет взаимодействия с постоянными магнитами. Поперечный двигатель имеет трехмерную природу, при этом магнитное поле поляризовано в осевом направлении.

Этот двигатель, под разными названиями, датируется, по крайней мере, 1957 годом — патент США № 2 982 872 (Часть оригинального патентного рисунка видна на заднем плане на этих двух страницах). Он был создан как 2-фазный двигатель, поэтому его можно было приводить в действие как двухфазный синхронный двигатель от однофазной сети переменного тока: одна фаза подключалась непосредственно к линии 60 Гц, а другая сдвигалась по фазе с помощью последовательной RC-цепи. Для обеспечения плавности хода в этом раннем патенте описано соотношение расстояния между зубьями статора и ламината 48:50. Позже этот уникальный двигатель стал работать в ступенчатом режиме (патент США 3 343 014), используя перекрывающиеся импульсы для замены первоначальных синусоидальных и косинусоидальных сигналов. Соотношение зубьев ротора и статора, равное 50:50, было использовано для повышения точности при работе с полным шагом. В конечном итоге были созданы полушаги и повышенные уровни разрешения микрошагов. Соотношение зубьев статора и ротора двигателя было возвращено к первоначальному значению 48:50 или 52:50 для обеспечения лучшего микрошага. Формы управляющих сигналов улучшились до такой степени, что теперь они хорошо приближены к оригинальным синусоидальным волнам, используемым в этом двигателе. Наконец, было добавлено управление по замкнутому контуру, позволяющее использовать этот высоковольтный синхронный двигатель в качестве настоящего бесщеточного серводвигателя. Отсюда и гибридный серводвигатель.

Привод определяет режим работы: разомкнутый контур = шаговый
Преимущества гибридного серводвигателя заключаются в высоком постоянном крутящем моменте и низкой стоимости изготовления, но фактическая производительность и эксплуатация этих двигателей, как и других, сильно зависят от подключенного привода.

Как и в случае с 3-фазным двигателем, управление осуществляется подключенной электроникой. При работе с обычным шаговым приводом ток регулируется, как правило, либо с помощью датчика пикового тока, либо в истерическом режиме. Если управляющее напряжение достаточно выше, чем обратная ЭДС двигателя, ток стремится соответствовать заданному току и практически не зависит от движения двигателя. Поскольку ток при движении существенно не изменяется (особенно на низких скоростях), привод в режиме чистого тока обеспечивает незначительное взаимодействие и, следовательно, незначительное демпфирование. Низкое демпфирование приводит к сильным резонансам на низких скоростях (с сопутствующими им падениями крутящего момента) и длительному времени затухания в конце движения.

Обычный двигатель с углом поворота 1,8° имеет 100 магнитных полюсов, что обеспечивает 50 электрических циклов за один оборот. Двигатель, питаемый постоянным током возбуждения, создает синусоидально изменяющийся крутящий момент при вращении. Различные комбинации фазных токов смещают угол поворота в нулевой точке. Использование большого количества полюсов одновременно увеличивает пиковое значение крутящего момента и уменьшает механический угол, необходимый для перехода от максимального положительного крутящего момента к максимальному отрицательному. Результирующая высокая зависимость крутящего момента от положения (жесткость по крутящему моменту) является частью того, что делает этот тип двигателя подходящим для позиционирования в разомкнутом контуре, поскольку даже небольшой угол отклонения приводит к значительному изменению крутящего момента, которое противоположно крутящему моменту, вызывающему ошибку.

Зависимость крутящего момента от угла отклонения, характерная для этого двигателя, также приводит к возникновению проблем с резонансом, которые наблюдаются при работе этих двигателей с разомкнутым контуром. Инерция ротора двигателя, противодействующая синусоидальному корректирующему моменту, образует вращающийся маятник. Для малых углов можно рассматривать это как вращающуюся пружину k-Theta, связанную со вторым моментом инерции роторного узла. Результирующее взаимодействие вызывает резонанс, который снижает крутящий момент вблизи резонансной частоты и может привести к перебоям в работе двигателя, потере положения или даже полной остановке. Этот же резонанс определяет характеристики звукового сигнала при остановке движения. Обратите внимание, что постоянная пружины зависит от постоянного крутящего момента, умноженного на ток возбуждения. Изменение тока приводит к изменению эффективной постоянной пружины и, следовательно, резонансной частоты. Этот эффект может быть использован намеренно, чтобы попытаться избежать резонанса, или может возникнуть случайно из-за допусков водителя или изменения температуры, в результате чего одни механизмы работают должным образом, а другие выходят из строя.

Система демпфирования
Демпфирование в системе уменьшает амплитуду резонанса, влияя как на снижение крутящего момента при работе, так и на звон при остановке. Это может быть реализовано как механическими, так и электронными средствами. Инерционные демпферы с вязкостью соединяют маховик с валом ротора через вязкое масло. Изменение частоты вращения вала двигателя приводит к просачиванию масла между корпусом заслонки и маховиком, в результате чего маховик медленно приближается к частоте вращения вала (т.е. корпуса заслонки). В те периоды, когда маховик и вал вращаются с разной скоростью, тепло отводится маслом. Колебания в системе приводят к периодическому изменению частоты вращения вала. При правильно подобранном демпфере, обладающем достаточной инерцией и соответствующей вязкостью масла для настройки требуемого диапазона частот для работы, можно погасить значительную часть колебаний. Эти амортизаторы очень эффективны, но они занимают много места и увеличивают вес, увеличивая инерционность системы, которую необходимо разгонять с помощью двигателя. Качественные устройства также относительно дороги. Стоимость может быть снижена при использовании фрикционных магнитных демпферов, но их характеристики не так хороши, как у вязкостных демпферов, и они могут содержать пыль (металлические частицы).

Электронное демпфирование может быть произведено путем изменения тока в зависимости от скорости. В ранних примерах этого устройства использовался дополнительный набор катушек на двигателе, которые действовали как датчик скорости. Сигнал от этого датчика использовался для изменения требуемой формы сигнала тока. Благодаря сигналам датчика скорости, действующему в качестве индикатора обратной ЭДС двигателя, это эффективно снижает сопротивление привода с очень высокого при использовании привода с использованием чистого тока до значительно более низкого, что позволяет рассеивать вращательную вибрацию в схеме привода. Низкий импеданс источника управляющего напряжения с синхронным двигателем, подключенным к сети, помогает ослабить работу этих двигателей, поскольку превышение скорости генерирует мощность в линии, в то время как запаздывающее положение потребляет дополнительную мощность. Этот эффект привода с низким сопротивлением можно легко увидеть, закоротив провода шагового двигателя и попытавшись повернуть вал.

Замкнутый контур: коммутация
Система предотвращения потери хода используется в некоторых продуктах с “замкнутым контуром” — приведенные здесь кавычки указывают на то, что нет единого мнения о том, следует ли называть систему предотвращения потери хода «замкнутым контуром». Вместо того, чтобы переключать двигатель в зависимости от положения двигателя, двигатель обычно движется по траектории с разомкнутым контуром, генерируя угол наклона двигателя. Когда погрешность положения двигателя достигает приблизительно ± 90 электрических градусов (один полный шаг) от заданного положения, угол, заданный генератором траектории, ограничивается, чтобы соответствовать тому, что способен делать двигатель, а не первоначально заданной траектории; только в этих случаях предотвращение потери шага действует как коммутация. Предотвращение потери ступеней предотвращает потерю ступеней, но на самом деле не устраняет резонансы двигателя. Это также не увеличивает эффективность двигателя, что приводит к перегреву двигателей. Хотя это и устраняет необходимость в настройке, обратной стороной является то, что в нем нет ни демпфирования, ни настройки, и, как правило, он не позволяет регулировать крутящий момент.

Бесщеточная коммутация изменяет фазу возбуждения обмотки в зависимости от положения двигателя. Для систем управления положением обычно требуется обратная связь по положению ротора определенного типа. Коммутация применяет синусоидальные и косинусоидальные формы сигналов тока (или их усеченные версии) к обмоткам двигателя в зависимости от положения ротора и заданного крутящего момента. Эти формы сигналов тока могут быть изменены, чтобы справиться с ослаблением поля на более высоких скоростях, а также могут быть изменены для компенсации пульсаций крутящего момента двигателя и момента заклинивания.

Устранение низкочастотного резонанса
Использование синусоидальной коммутации в этом двигателе сводит к минимуму изменение крутящего момента в зависимости от положения ротора (при условии, что заданный крутящий момент поддерживается постоянным). Исходя из идеала постоянного крутящего момента, “пружина” k-theta была заменена на “пружину” постоянного усилия. На маятник больше не действует восстанавливающая сила, поэтому он не колеблется. Это устраняет низкочастотный резонанс, превращая колебательную систему второго порядка в систему первого порядка. При устранении резонанса крутящий момент больше не падает, и двигатель работает более плавно.

Гибридный сервопривод
Гибридный сервопривод — это эволюция гибридного поперечного двигателя, предназначенного для использования в качестве бесщеточного сервопривода. Гибридный сервопривод отличается от традиционного бесщеточного сервопривода переменного тока с малым количеством полюсов: 1) количеством полюсов, 2) использованием 2 фаз вместо 3 и 3) крутящим моментом от максимального до постоянного. В идеале оба сервопривода синусоидально переключаются с помощью датчика положения (для позиционирования). Чем больше число полюсов гибридного сервопривода, тем больше крутящий момент. При сравнении двух типов двигателей, при условии сохранения величины магнитного зазора, частота вращения линейно уменьшается с увеличением числа полюсов, а крутящий момент увеличивается в той же степени. Обычно это называется “магнитной передачей”. В различных работах показано, что плотность крутящего момента и потери у 2- и 3-фазных двигателей аналогичной конструкции идентичны — ни в том, ни в другом случае нет преимущества. На заре появления бесщеточных двигателей преимущество 3-фазного двигателя состояло в том, что у него было на два переключателя питания меньше, но по мере снижения стоимости электроники это перестало быть существенным.

Двигатели с малым количеством полюсов обычно проектируются с большим воздушным зазором, что позволяет увеличить плотность тока до насыщения магнитной структуры. Больший зазор также требует большего количества магнитного материала для создания заданной напряженности магнитного поля в зазоре, что увеличивает стоимость. В результате эти типы двигателей могут обладать примерно одинаковым максимальным крутящим моментом на низких оборотах, но версия с малым количеством полюсов обычно может поддерживать этот пиковый крутящий момент только в течение нескольких секунд из-за нагрева от высоких токов (до 10-кратного значения постоянного тока обеспечивает 100-кратный нагрев сопротивления). Версии с большим количеством полюсов, работающие на номинальном токе, могут поддерживать одинаковый уровень крутящего момента на постоянной основе.

Особенности системы управления
Система управления определяет требуемый крутящий момент на основе фактического и измеренного положения, а также скорости и ускорения. Скорость и ускорение (если они используются) обычно рассчитываются на основе положения, хотя более эффективные системы могут дополняться отдельными датчиками.

Электронное демпфирование —имитация вязкостного инерционного демпфера
В дополнение к традиционным методам управления, в систему могут быть добавлены дополнительные методы демпфирования. Методология QuickSilver Controls позволяет использовать как активное, так и пассивное демпфирование. Алгоритм активного демпфирования представляет собой моделирование в реальном времени воздействия вязкого инерционного демпфера на систему. Это может значительно увеличить запас по фазе в системе на несколько октав в полосе пропускания. Дополнительный запас по фазе обеспечивает более высокую эффективность настройки, при этом сводя к минимуму перерегулирование.

Синтетический (имитированный) демпфер вязкости не обеспечивает полного фазового усиления, доступного в механической версии, из-за разрешающей способности, ограничения полосы пропускания и задержки обработки. Однако имитированный демпфер значительно повышает производительность системы без дополнительных затрат, без увеличения веса или объема и без увеличения инерционности системы. Он не изнашивается и легко регулируется.

Управление импедансом драйвера
Пассивное демпфирование реализовано в виде алгоритма, который изменяет выходное сопротивление драйвера в зависимости от частоты. Работа на низких частотах имитирует текущий режим, в то время как более высокие частоты обрабатываются как режим напряжения. Это обеспечивает хорошее регулирование крутящего момента в диапазоне частот, используемом для управления обычными движениями, и в то же время значительно демпфирует энергию более высоких частот, связанную с резонансами вращения вала двигателя. Это также обеспечивает более высокую эффективность при более жестком управлении, сохраняя при этом хорошее демпфирование и стабильность.

Информация о перепечатке >>

QuickSilver Controls, Inc.
www.quicksilvercontrols.com