600007 г. Владимир, ул. 16 лет Октября, д. 68А, литер "Ф", этаж 2, помещение 12
+7 (4922) 53-10-31
info@skb-proton.ru

Гибридный серводвигатель: переход к замкнутому контуру

Преобразователи частоты

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 методы управления позволили создать гибридную серводвигательную систему на основе двигателя, обычно называемого гибридным шаговым двигателем, когда он питается от шагового привода с разомкнутым контуром. В результате обеспечивается высокий крутящий момент с диапазоном скоростей и крутящего момента, который хорошо сочетается с прямыми приводными ремнями и ходовыми винтами, а также с другими нагрузками.

Усовершенствованные технологии управления и усиления демпфирования позволяют выполнять настройку «из коробки» примерно в 95% случаев, обеспечивая рассогласование инерции открытого вала примерно в 3-5 раз без перенастройки привода. При некоторой дополнительной настройке, обычно занимающей несколько минут, легко достигается несоответствие инерции 100:1. Примерная система, состоящая из ременного линейного привода с прямым приводом, управляемого гибридным сервоприводом с 24 рамками, была способна работать без нагрузки до 11 кг (25 фунтов) без изменений в настройке или движении. Это соответствует инерционному несоответствию в диапазоне примерно от 1:1 до 22:1, опять же без перенастройки.

Краткая история гибридного двигателя
Гибридный поперечный двигатель с большим количеством полюсов теперь прошел полный цикл. Термин «гибрид» в названии относится к созданию крутящего момента как за счет переменного сопротивления, так и за счет взаимодействия с постоянными магнитами. Поперечный относится к трехмерной природе этого двигателя, с магнитным полем, поляризованным в осевом направлении.

Этот двигатель под разными названиями восходит, по крайней мере, к патенту США 1957 года № 2 982 872. (Часть оригинального рисунка патента 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 напрямую подключена к линии 60 Гц, а другая фаза сдвинута с помощью последовательной RC-схемы. Для обеспечения плавности хода в этом раннем патенте описано соотношение расстояния между зубьями статора и ламината 48:50. Позже в своей истории этот уникальный двигатель работал в ступенчатом режиме (патент США 3 343 014), используя перекрывающиеся импульсы для замены исходных синусоидальных и косинусоидальных сигналов. Соотношение зубьев ротора и статора 50:50 использовалось для повышения точности при работе на полном шаге. В конце концов, были созданы полушаговые и увеличивающиеся уровни разрешения микрошагов. Соотношение зубьев статора и ротора двигателя было возвращено к исходному соотношению 48:50 или 52:50, чтобы обеспечить лучший микрошаг. Управляющие сигналы улучшились до такой степени, что теперь они хорошо приближаются к исходным синусоидальным волнам, используемым в этом стиле двигателя. Наконец, для управления этим высокополярным синхронным двигателем как настоящим бесщеточным серводвигателем было добавлено управление с замкнутым контуром. Отсюда и гибридный серводвигатель.

Привод определяет режим работы: разомкнутый контур = шаговый
Гибридный серводвигатель обладает преимуществами высокого постоянного крутящего момента и низкой стоимости изготовления, но фактическая производительность и работа этих двигателей, как и других, сильно зависят от подключенного привода.

Как и в случае с 3-фазным двигателем, работа определяется подключенной электроникой. При работе с типичным шаговым приводом ток регулируется, обычно либо с помощью датчика пикового тока, либо в режиме гистерезиса. Если управляющее напряжение достаточно выше, чем обратная ЭДС двигателя, ток имеет тенденцию следовать заданному току и практически не зависит от движения двигателя. Поскольку ток существенно не изменяется при движении (особенно на более низких скоростях), привод в режиме чистого тока обеспечивает незначительное взаимодействие и, следовательно, лишь незначительное демпфирование. Низкое демпфирование приводит к сильным низкоскоростным резонансам (с сопутствующим выпадением крутящего момента) и длительному времени установления в конце движения.

Типичный двигатель с углом поворота 1,8 ° имеет 100 магнитных полюсов, что приводит к 50 электрическим циклам на оборот. Двигатель, питаемый постоянным приводным током, при вращении создает синусоидально изменяющийся крутящий момент. Различные комбинации фазовых токов смещают угол поворота нулевой точки. Использование большого числа полюсов одновременно увеличивает пиковое значение крутящего момента и уменьшает механический угол, необходимый для перехода от максимального положительного крутящего момента к максимальному отрицательному крутящему моменту. Результирующие крутые характеристики зависимости крутящего момента от положения (жесткость крутящего момента) являются частью того, что делает этот тип двигателя подходящим для позиционирования с разомкнутым контуром, поскольку даже небольшой угол ошибки приводит к значительному изменению крутящего момента, противоположному моменту, вызывающему ошибку.

Сильная зависимость крутящего момента от угла отклонения, характерная для этого двигателя, также приводит к возникновению проблем с резонансом, наблюдаемых при работе этих двигателей в разомкнутом контуре. Инерция ротора двигателя, действующая против синусоидального корректирующего момента, образует вращающийся маятник. Для малых углов можно рассматривать это как вращающуюся пружину k-Theta, связанную со вторым моментом инерции роторного узла. Возникающее в результате взаимодействие вызывает резонанс, который уменьшает доступный крутящий момент вблизи резонансной частоты и может привести к неровной работе двигателя, потере положения или даже полной остановке работы. Этот же резонанс задает характеристики звона при остановке движения. Обратите внимание, что постоянная пружины является функцией постоянной крутящего момента, умноженной на ток возбуждения. Изменение тока изменяет эффективную постоянную пружины и, следовательно, резонансную частоту. Этот эффект может быть использован намеренно, чтобы попытаться избежать резонанса, или может произойти случайно из-за допусков водителя или изменений температуры, в результате чего некоторые механизмы работают должным образом, в то время как другие выходят из строя.

Системное демпфирование
Демпфирование в системе уменьшает амплитуду резонанса, влияя как на падение крутящего момента при движении, так и на звон при остановке. Это может быть сделано как механическими, так и электронными средствами. Вязкие инерционные амортизаторы соединяют маховик с валом ротора через вязкое масло. Изменение частоты вращения вала двигателя приводит к сдвигу масла между корпусом заслонки и маховиком, в результате чего маховик медленно выравнивается со скоростью вращения вала (т.е. корпуса заслонки). В те периоды, когда маховик и вал имеют разные скорости вращения, тепло отводится маслом. Колебания в системе вызывают периодическое изменение частоты вращения вала. При правильно подобранном демпфере — с достаточной инерцией и вязкостью масла, позволяющей установить желаемый диапазон частот для работы, — значительная часть колебаний может быть ослаблена. Эти амортизаторы очень эффективны, но они занимают много места и увеличивают вес, добавляя инерции системе, которая должна разгоняться двигателем. Качественные устройства также относительно дороги. Стоимость может быть снижена за счет использования магнитных амортизаторов трения, но их характеристики не так хороши, как у вязких амортизаторов, и они могут содержать пыль (частицы металла).

Электронное демпфирование может быть произведено путем изменения тока в зависимости от скорости. В ранних примерах этого использовался дополнительный набор катушек на двигателе, который действовал как датчик скорости. Сигнал от этого датчика был использован для изменения запрошенной формы сигнала тока. Поскольку сигналы датчика скорости действуют как прокси для обратной ЭДС двигателя, это эффективно снижает импеданс привода с очень высокого при чистом токовом приводе до значительно более низкого, что позволяет рассеивать вибрацию вращения в схеме привода. Низкий импеданс источника управляющего напряжения с подключенным к сети синхронным двигателем помогает ослабить эти двигатели, поскольку превышение скорости генерирует мощность в линии, в то время как запаздывающее положение потребляет дополнительную мощность. Этот эффект привода с низким импедансом можно легко увидеть, замкнув выводы шагового двигателя и попытавшись повернуть вал.

Замкнутый контур: коммутация
Пошаговое предотвращение потерь используется в некоторых продуктах с “замкнутым контуром” — приведенные здесь цитаты указывают на то, что нет общего согласия относительно того, следует ли называть пошаговое предотвращение потерь замкнутым контуром. Вместо того, чтобы переключать двигатель на основе положения двигателя, двигатель обычно следует траектории разомкнутого контура под углом двигателя. Когда ошибка положения двигателя достигает приблизительно ± 90 электрических градусов (один полный шаг) от заданного положения, угол от генератора траектории ограничивается тем, что способен делать двигатель, а не первоначально заданной траекторией; только в этих случаях предотвращение потери шага действует как коммутация. Предотвращение потери шага предотвращает потерю шагов, но на самом деле это не устраняет резонансы двигателя. Это также не обеспечивает максимальной эффективности двигателя, что приводит к более горячему двигателю. Хотя это устраняет необходимость в настройке, обратная сторона заключается в том, что в нем нет ни демпфирования, ни настройки, и обычно он не позволяет регулировать крутящий момент.

Бесщеточная коммутация изменяет фазу возбуждения обмотки в зависимости от положения двигателя. Для систем контроля положения это обычно требует некоторого типа обратной связи по положению ротора. Коммутация применяет синусоидальные и косинусоидальные формы тока (или их усеченные версии) к обмоткам двигателя в зависимости от положения ротора и заданного крутящего момента. Эти формы сигналов тока могут быть изменены для обработки ослабления поля на более высоких скоростях, а также могут быть изменены для компенсации пульсаций крутящего момента двигателя, а также крутящего момента зацепления.

Устранение низкочастотного резонанса
Использование синусоидальной коммутации с этим двигателем сводит к минимуму изменение крутящего момента в зависимости от положения ротора (при условии, что заданный крутящий момент поддерживается постоянным). Предполагая идеал постоянного крутящего момента, “пружина” k-theta была заменена “пружиной” постоянной силы. Маятник больше не обладает восстанавливающей силой, поэтому он не колеблется. Это устраняет низкочастотный резонанс, сводя колебательную систему второго порядка к системе первого порядка. При устранении резонанса крутящий момент больше не падает, и двигатель работает более плавно.

Гибридный сервопривод
Гибридный сервопривод — это эволюция гибридного поперечного двигателя для использования в качестве бесщеточного сервопривода. Гибридный сервопривод отличается от традиционного бесщеточного сервопривода переменного тока с низким числом полюсов: 1) количеством полюсов, 2) использованием 2 фаз по сравнению с 3 фазами и 3) пиковым или непрерывным крутящим моментом. В идеале оба устройства синусоидально коммутируются с помощью датчика положения (для операции позиционирования). Большее количество полюсов гибридного сервопривода обменивает скорость на крутящий момент. При сравнении двух типов двигателей, при условии сохранения силы магнитного зазора, скорость линейно уменьшается с количеством полюсов, а крутящий момент увеличивается в тот же коэффициент. Это обычно называют “магнитной передачей”. Различные работы показали, что плотность крутящего момента и потери 2- и 3-фазных двигателей аналогичной конструкции идентичны — в любом случае преимущества нет. На заре появления бесщеточных двигателей преимущество 3-фазного двигателя заключалось в меньшем количестве переключателей питания, но по мере снижения стоимости электроники это уже не имеет значения.

Двигатели с низким числом полюсов обычно проектируются с большим воздушным зазором, что обеспечивает более высокую плотность тока перед насыщением магнитной структуры. Больший зазор также требует большего количества магнитного материала для создания заданной напряженности магнитного поля зазора, что увеличивает стоимость. Конечным результатом является то, что эти типы двигателей могут иметь примерно эквивалентный максимальный крутящий момент на низких оборотах, но версия с низким числом полюсов обычно может поддерживать этот пиковый крутящий момент только в течение нескольких секунд из-за нагрева от высоких токов (до 10-кратного номинального постоянного тока приводит к 100-кратному резистивному нагреву). Версии с большим количеством полюсов, работающие при номинальном токе, могут поддерживать аналогичный 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 (при использовании) обычно выводятся (оцениваются) из положения, хотя системы с более высокой производительностью могут дополняться отдельными датчиками.

Электронное демпфирование — имитируемый вязкий инерционный демпфер
В дополнение к обычным условиям управления в систему могут быть добавлены дополнительные методы демпфирования. Методология QuickSilver Controls добавляет 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 системы на пару октав полосы пропускания. Дополнительный запас по фазе обеспечивает более высокий коэффициент усиления при настройке, при этом минимизируя перерегулирование.

Синтетический (имитируемый) вязкостный демпфер не обеспечивает полного усиления фазы, доступного в механической версии, из-за разрешения, ограничения полосы пропускания и задержки обработки. Однако имитируемый демпфер значительно улучшает производительность системы без дополнительных затрат, без дополнительного веса или объема и без дополнительной инерции системы. Он не изнашивается и легко регулируется.

Контроль импеданса драйвера
Пассивное демпфирование реализовано в виде алгоритма, который изменяет выходное сопротивление драйвера в зависимости от частоты. Работа на более низкой частоте имитирует режим тока, в то время как более высокие частоты обрабатываются как режим напряжения. Это обеспечивает хорошее регулирование крутящего момента в диапазоне частот, используемом для управления нормальными движениями, в то же время значительно демпфируя высокочастотную энергию, связанную с резонансами кручения вала двигателя. Это опять же обеспечивает более высокий коэффициент усиления при более жестком управлении, сохраняя при этом хорошее демпфирование и стабильность.

Информация о перепечатке >>

QuickSilver Controls, Inc.
www.quicksilvercontrols.com