Около Херли Гилл • Старший инженер по системам и приложениям | Коллморген

Соотношение инерции серводвигателя влияет на общую эффективность машины, и их использование эволюционировало с развитием технологии сервопривода. Таким образом, теперь новейшие технологии цифрового сервопривода и обратной связи позволяют получить более высокие коэффициенты инерции при сохранении стабильного контроля целевых скоростей и положений. Это может повысить эффективность проектирования, особенно для динамических приложений, таких как индексирование.

В самых современных приложениях допустимо проектировать машины с приводом от двигателя для достижения наилучшей возможной производительности без учета эксплуатационных расходов. Однако большинству отраслей промышленности нужны машины, которые хорошо работают с максимально возможной эффективностью. К сожалению, в статьях и других публикациях, в которых упоминаются размеры серводвигателей и приводов, часто упускается этот важный момент.

Хотя математические решения хорошо документированы для механических систем, они не обязательно учитывают фактические функции машины (или работу, которую необходимо выполнить) и не учитывают конкретные возможности управления (или ограничения), чтобы помочь инженерам выбрать наилучший двигатель, привод и обратную связь. Но хорошо спроектированные машины могут сократить платежи за электроэнергию и коммунальные услуги — поэтому оправдайте более глубокий анализ каждой оси машины. Более того, когда большая часть используемой энергии идет на приведение в действие нагрузок машины, общее потребление энергии снижается. Это соответствует более низким общим требованиям к крутящему моменту и часто позволяет инженерам выбирать двигатели для осей станков, которые меньше и к тому же менее дороги.

Эффективные конструкции все больше ценятся по экологическим и финансовым соображениям, поэтому проектировщики должны стремиться выбрать наилучшую систему обратной связи с двигателем для конкретного применения, учитывая преимущества и недостатки каждой технологии. Это снижает риск поломки (что важно для управления рисками) и делает машину более практичной, удобной в использовании, конкурентоспособной и продаваемой.

В этой статье мы объясняем одно руководство, которое поможет инженерам сделать это — показатель полезности, определяемый как величина, основанная на одной или нескольких характеристиках системы или устройства, которые выражают эффективность проектирования. Здесь показатель заслуг, который мы используем, — это коэффициент инерции. Учет при проектировании коэффициентов инерции помогает инженерам минимизировать энергопотребление динамичных высокоскоростных машин — независимо от того, являются ли оси с прямым приводом или имеют механические устройства передачи энергии.

Каков коэффициент инерции сервопривода или несоответствие (сокращенно J_load: Jm)? Проще говоря, этот коэффициент инерции помогает выразить общую управляемость и риск нестабильности сервоуправления. Это важная цифра для всех приложений с замкнутым контуром (сервопривод), особенно динамических. Двумя слагаемыми отношения момента инерции или несоответствия для поворотной сервосистемы являются:

1) Общий момент инерции груза, J_load. Здесь инерционная нагрузка — это нагрузка от всех компонентов оси (отраженная через механизмы, когда это применимо) и суммированная на валу двигателя.

2) Момент инерции двигателя, обозначенный здесь как Jm.

Несоответствие инерции — это не конкретное число или даже не конкретный диапазон для каждого применения. Тем не менее, существуют некоторые диапазоны передаточных чисел, которые обычно применимы к конкретным областям применения и конструкциям машин.

Подумайте, во многих технических руководствах говорится, что идеальное несоответствие инерции составляет 1:1. Что ж, это идеальное несоответствие для максимальной передачи мощности и минимизации потенциальных проблем с управлением, в то время как энергия ускорения и замедления равномерно распределяется между
J_load и Jm (где J_load = Jm и
J_total = 2·J_load). Однако наиболее эффективные динамические приложения максимизируют ускорение инерции груза (в пределах стабильности оси, управляемости, точности и повторяемости). Таким образом, при фиксированной J_load наиболее эффективная версия машины получает максимальное ускорение при минимально возможной Jm, а не при минимальной согласованной J_load.

История этого фактора заслуг
Когда сервоприводы были впервые разработаны, они были аналоговыми. Дизайнеры настраивали контуры сервоуправления вручную, регулируя блоки декад сопротивления и емкости в лаборатории с помощью осциллографа. Было сложно точно настроить контуры сервоуправления под конкретные механизмы заказчика, поэтому производители приводов продавали комбинации мотор-привод с предустановленной компенсацией (COMP), чтобы обеспечить стабильность оси для большинства применений. КОМП производителя обычно предполагал, что машине OEM-производителя требуется несоответствие инерции J_load: Jm 1: 1, поскольку это соотношение имеет наименьший потенциал нестабильности оси.

Представьте серводвигатель, установленный на зубчатой головке, приводящий в движение ось. Мотор-редуктор имеет зазор между зубьями шестерни. Здесь стандартный КОМП должен поддерживать ток, скорость, положение и стабильность контура независимо от отраженной инерции — даже если двигатель видит максимальную суммарную отраженную инерцию нагрузки, а также ее минимальную всякий раз, когда зубья привода переключаются между ведомыми. Чем ближе ось остается к предполагаемому несоответствию инерции 1:1, тем больше вероятность того, что регулятор сохранит стабильность оси во время работы.

Вот почему в течение многих лет производители приводов настраивали компы на работу со стандартными несоответствиями инерции, а затем советовали производителям оборудования строить оси своих машин так, чтобы они оставались в пределах этих диапазонов несоответствий инерции. Несоответствие 1:1 J_load:Jm (основанное на уравнениях максимальной передачи мощности) позволяет разработчикам создавать оси с простой регулировкой усиления в контурах тока и скорости, а также во внешнем контуре положения, когда это применимо. Такие компиляторы хорошо работают на машинах с несоответствиями J_load:Jm от 1:1 до 3:1 или даже 5:1. Некоторые приложения могут даже использовать стандартные компы с машинным несоответствием до 8: 1 или даже 10:1. Но помимо этого, машины нуждались в специальной компенсации — и в прошлом производителям приходилось писать специальные компиляторы, чтобы учесть более высокие несоответствия инерции.

Несмотря на ограничения, стандартное несоответствие инерции с полезным диапазоном инерции позволяет разработчикам использовать сервосистемы для обеспечения стабильности машины и не позволяет производителям и OEM-производителям сходить с ума из-за проблем с нестабильностью.

Большинство производителей аналоговых приводов использовали соотношение инерции 1: 1 (максимальная передача мощности) для стандартных компонентов, хотя их рекомендуемый диапазон несоответствия инерции J_load: Jm иногда варьировался в зависимости от их опыта, рынка и возможностей функции передачи контура управления приводом. Коэффициенты инерции от 3:1 до 5:1 были обычными, а коэффициенты от 1: 1 до 3:1 были типичными для многих высокоскоростных приложений индексации. Привязка коэффициента полезного действия к несоответствию инерции 1: 1 была и остается способом для производителей приводов максимизировать удовлетворенность клиентов и продавать сложные продукты с минимальным риском нестабильности управления. Даже большинство производителей шаговых двигателей рекламировали такую функциональность, рекламируя свои приводы как простые компоненты— использующие определенный коэффициент инерции. Все работало нормально для этих шаговых систем с разомкнутым контуром до тех пор, пока инерция нагрузки приложения и трение были близки (или меньше) к тем, которые указаны в опубликованных возможностях.

В чем проблема? Приложения не могут работать эффективно, когда они привязаны к одному несоответствию. Фактически, несоответствие в самых сложных системах изменяется в зависимости от мехатроники и динамики осей, включая трение, залипание, внешнюю нагрузку, люфт, податливость и жесткость; нагрузки, инерцию механизма, разрешение обратной связи, количество движущихся тел между нагрузкой и двигателем и расчетные собственные частоты; привод двигателя PWM / SVM и частоты обновления; и отдельные частоты обновления контроллера, когда это применимо.

Немногие из этих факторов учитываются при вычислениях J_load:Jm с несоответствием инерции, поскольку их учет усложняет управление — плюс эти факторы обычно не учитывались в прошлом. Но сейчас ситуация меняется, и благодаря все более изощренному управлению у производителей оборудования появились возможности создавать машины, работающие с большей производительностью и экономичностью.

Когда цифровые приводы для серводвигателей впервые появились на рынке, они значительно улучшили гибкость компенсации, фильтрацию и возможность программирования профилей движения. Тем не менее, опора на старую оценку заслуг (несоответствие инерции) не изменилась. Кроме того, ранние цифровые сервоприводы не всегда хорошо подходили для замены аналоговых приводов.

Однако современные цифровые сервоприводы оснащены более быстрыми процессорами (ПЛИС), более высокой частотой обновления и улучшенными методами и моделями компенсации. Более того, в большинстве приложений устройства обратной связи с более высоким разрешением, превышающим 221-227 бит на оборот, обеспечивают более отзывчивую сервосистему. Например, оси, которые когда-то имели разрешение обратной связи от 212 до 216 отсчетов на механический оборот, теперь могут получать те же отсчеты за долю предыдущего времени или смещения. Это позволяет повысить коэффициент усиления контура управления и увеличить полосу пропускания, чтобы улавливать и контролировать возможные нестабильности до того, как у них появится шанс стать нестабильными.

Новейшие на сегодняшний день сервоприводы хорошо сочетаются с мехатронными конструкциями и обладают настолько хорошими возможностями управления, что инженеры могут предположить, что эффекты J_load:Jm минимальны даже для динамических приложений. Это позволяет инженерам устанавливать диапазоны коэффициентов инерции для максимальной энергоэффективности и сведения к минимуму проблем с нестабильностью (в разумных пределах и при надлежащем управлении рисками) даже для приложений с высокоскоростным индексированием.

Иногда конечные пользователи ускоряют производственные процессы, чтобы получить более высокую производительность, или ускоряют работу машин для более быстрого реагирования. Здесь машины должны выполнять эти более быстрые действия и реагировать на все команды и помехи, сохраняя при этом качество выпускаемой продукции.

Рассмотрим заводской цех, где изделия подвергаются механической или иной обработке. Иногда ускорить конкретный процесс невозможно, поэтому инженеры завода пытаются ускорить работу станций обработки материалов — осей, по которым детали перемещаются на рабочие места и обратно. Это увеличивает максимальную мощность, потребляемую осями при ускорении и замедлении (по сравнению с базовой производительностью), за счет новой увеличенной скорости и крутящего момента.

Чтобы проиллюстрировать, давайте рассмотрим, как это работает для приложений высокоскоростного индексирования и каков коэффициент инерции при минимальных потребностях в электроэнергии, выраженный в процентах экономии энергии по сравнению с коэффициентом инерции.

Рассмотрим несколько высокоскоростных систем индексации, как с прямым приводом, так и с механическими преимуществами (в данном случае с ремнем), выполняющих совершенно разные задачи в разных отраслях промышленности и на рынках, с низким коэффициентом трения и без внешней нагрузки. Предположим, мы фиксируем время процесса, чтобы заставить машину выполнять определенные действия за меньшее время (как это часто наблюдается в реальном мире). Скажем, для трех ситуаций мы устанавливаем время индексации и фиксируем пиковый крутящий момент T (peak) примерно на уровне 1,6 x T_rms; около 2,0 x T_rms; и около 2,4 x T_rms.

Как только мы рассчитаем максимальную скорость перемещения N и среднеквадратичную эквивалентную скорость N_rms для каждого профиля движения, они будут постоянными для этого конкретного профиля движения независимо от несоответствия инерции или коэффициента. Относительные проценты экономии энергии для всех трех ситуаций в основном равны. Это связано с тем, что теоретически максимальная экономия электроэнергии, возможная для каждого случая, находится в пределах нескольких процентов друг от друга. Чтобы упростить наш следующий раунд вычислений, давайте рассмотрим только вторую ситуацию, когда T(пик) = 2,0 x T_rms.

Обратите внимание, что соотношение инерции J_load:Jm 3:1 по сравнению с базовым соотношением 1: 1 может обеспечить фактический потенциал экономии энергии примерно на 39,7%, как показано на графике, Процентная экономия энергии по отношению к коэффициенту инерции. Также рассмотрите диаграмму, озаглавленную, Экономия энергии в зависимости от коэффициента инерции, и обратите внимание, как соотношение 5: 1 обеспечивает фактическую экономию энергии, превышающую 47,6% — около 80% от теоретической максимальной доступной экономии. Аналогично, соотношение 8:1 обеспечивает фактическую экономию энергии, превышающую 53,6%, что соответствует 87,5% от теоретической максимальной экономии — довольно значительная экономия энергии по сравнению с базовым несоответствием инерции 1:1.

Пересмотрите отношение эффективности к соотношению J_load:Jm. Определение идеального коэффициента инерции или диапазона коэффициентов для максимальной экономии энергии является весьма субъективным, но пользователи, как правило, хотят сэкономить как можно больше энергии. Итак, скажем, мы стремимся получить экономию энергии от 80% до 90% от максимально доступной до 95% (в четвертом столбце диаграммы) от ~ 60% (в третьем столбце диаграммы). Это означает, что целевой диапазон J_load:Jm составляет от 5:1 до 20:1 для большинства этих динамических приложений.

от 90 до 95% — это еще лучшая экономия энергии, что приводит к соотношению инерции в диапазоне от 10:1 до 20:1. Но даже при соотношении 8:1 потенциал экономии энергии составляет 87,5% от теоретически доступного максимума. Многие новые системы электропривода сегодня могут выполнять эти динамические задачи с небольшим дополнительным риском нестабильности.

Эта экономия энергии также напрямую влияет на размер / выбор двигателя и стоимость, поскольку скорость перемещения (N) и N_rms фиксируются профилем движения. Следовательно, требуемый крутящий момент приложения (T_rms) меньше, поэтому разработчик машины может использовать меньший (и менее дорогостоящий) двигатель, если он доступен.

Пересмотрите рисунок под названием, Процентная экономия энергии по сравнению с коэффициентом инерции. Фактическая экономия энергии при любом соотношении инерции (относительно 1:1) в процентах от теоретической максимальной экономии равна теоретическому максимальному потенциалу экономии (Jm = 0)*(1-e(-ln^(J_load/Jm)), где теоретический максимальный потенциал экономии (Jm = 0) = 59,58%. Таким образом, чтобы получить процент от фактического потенциала экономии энергии при соотношении 8: 1 (по сравнению с 1: 1), мы используем:

Фактический потенциал экономии энергии (при соотношении 8:1) = 59,58%*(1-e^(-ln(8)) = 59,58% * 0,875 = 52,1% то же, что и при фактических расчетах профиля движения.

Аналогичным образом, если у нас есть инерция оси 2: 1 и мы хотим оценить фактическую экономию энергии, если мы перейдем к коэффициенту инерции 15: 1 для высокоскоростного индексатора, мы можем оценить его по диаграмме, озаглавленной, Экономия энергии в зависимости от коэффициента инерции. Используйте второй столбец диаграммы, чтобы получить:

100 * (55.63%-29.79%)/(100-29.79)
= 100 * 25.84/70.21
= 36,8% экономии энергии.

Тот же график показывает, что переход от соотношения 1,5 к 15:1 обеспечит экономию энергии на 44,6%.

Напротив, процент фактического увеличения энергии при переходе на коэффициент инерции 3: 1 по сравнению с нынешним соотношением 10:1 (например, из-за устаревания продукта) приблизительно определяется из второго столбца диаграммы следующим образом:

100 * (53.63%-39.69%)/(100-53.63)
= 100 * 13.94/46.37
= увеличение энергии на 30%.

Вот одно последнее упражнение, чтобы проиллюстрировать эту мысль. Предположим, у нас есть механизм с механическими преимуществами (мотор—редуктор) с начальной целью — коэффициентом инерции 10:1 -Jratio. Тогда передаточное отношение равно:

Итак, если Jload (указан J_load в другом месте этой статьи для удобства чтения) равен 100 кг-см² и Jm составляет 1,0 кг-см², тогда передаточное отношение равно:

После этого проектировщик должен выбрать двигатель с достаточными характеристиками скорости и крутящего момента (T_rms, N_rms, T_peak и N_max/traverse), а также диапазон Jratio. Затем дизайнер должен точно настроить цифры и выбор двигателя для окончательных расчетов и подтверждения дизайна приложения.

Сводка по экономии средств
Правильный выбор оси с сервоуправлением с обратной связью от двигателя — это, пожалуй, единственный наиболее значительный элемент экономии, который разработчик станка может сделать для снижения эксплуатационных затрат пользователя на электроэнергию. Современные технологии цифрового сервопривода имеют значительно более высокое разрешение обратной связи, чем было доступно всего несколько лет назад, и это обеспечивает стабильное и воспроизводимое управление осью благодаря более высокой общей пропускной способности. Это, плюс хороший дизайн мехатроники (в гармонии с работой, выполняемой каждой осью станка), позволяет разработчику значительно увеличить коэффициент полезного действия J_load: Jm, особенно по сравнению с тем, что было доступно более десяти лет назад.

Короче говоря, производительность станка и управляемость осью (простота настройки контура сервоконтроля) обычно повышаются по мере приближения коэффициента инерции к 1: 1, но более высокие коэффициенты инерции позволяют разработчику снизить производственные, эксплуатационные и, возможно, даже стоимость станка.
Поскольку современные продукты и возможности сервоуправления в значительной степени решают проблемы стабильности управления, разработчики могут сосредоточиться на оптимизации коэффициентов инерции для повышения энергоэффективности. Более конкретно, проектировщики могут точно определить диапазон коэффициента инерции, чтобы получить наиболее эффективное энергопотребление, обычно в диапазоне от 8: 1 до 20: 1, с еще более высокими коэффициентами для некоторых применений.

Показательный пример: большинство приложений для индексирования с механическими преимуществами могут использовать современные усовершенствованные сервоприводы в паре с обратной связью высокого разрешения и низкоинерционными серводвигателями для достижения такой экономии энергии. Однако многие высокоскоростные индексаторы имеют гораздо меньшую J_load, независимо от того, имеют они механические преимущества или нет. Это не значит, что прямой привод не может иметь гораздо более высокий коэффициент инерции. Фактически, это может быть на порядки больше, обычно ограничиваясь только податливостью стальных компонентов, управляющих нагрузкой, жесткостью рамы машины, разрешением обратной связи и доступной пропускной способностью системы. Однако инерционная нагрузка J_load многих высокоскоростных индексаторов намного ниже, часто приближаясь к инерции Jm ротора современного двигателя для сопоставимого требуемого крутящего момента.

Информация о перепечатке >>

Коллморген
www.kollmorgen.com