Для применений, в которых в первую очередь требуется удерживать груз при незначительном перемещении, существуют особые требования к размерам серводвигателей. Но путаница часто возникает из—за терминологии, используемой для описания таких конструкций, особенно из-за распространенного употребления этого термина стойло в индустрии серводвигателей. Здесь мы разъясняем определение в контексте, а затем соотносим его с расчетами эффективной среднеквадратичной силы и крутящего момента оси для правильного выбора размера двигателя.
Автор: Херли Гилл • Старший инженер по приложениям и системам | Коллморген
Распространение систем обратной связи с замкнутым контуром на нетрадиционные конструкции серводвигателей привело к росту спроса на специализированные моторные функции. Некоторые из этих серводвигателей требуют приложения усилий или крутящих моментов для поддержания нагрузки в течение времени, которое является довольно длительным относительно профиля перемещения оси. Это требует уточнения терминологии — особенно терминов, которые не являются синонимами или эквивалентны только при определенных условиях эксплуатации или событиях, но взаимозаменяемо используются в тех, в которых используются двигатели других типов.
Потенциально несогласованная коммуникация может привести к неправильному толкованию между сторонами и ухудшить выбор размеров двигателя, программирование машины, запуск машины и устранение неполадок в событиях или технологическом процессе продукта.
Например, термины стойло или крутящий момент остановки никогда не указывается в технических характеристиках асинхронных двигателей. Но эти термины часто используются для описания условий, возникающих, когда нагрузка на двигатель превышает допустимый момент полной нагрузки или пробоя. Несерводвигатели (такие как асинхронные двигатели), находящиеся в состоянии, отличном от надлежащего рабочего, считаются находящимися в состоянии с заблокированным ротором или остановленными (нулевые обороты в минуту). Если приложенная нагрузка, превышающая постоянный крутящий момент двигателя при полной нагрузке, сохраняется, то также будет увеличиваться потребляемая мощность, и двигатель перегреется и в конечном итоге сгорит.
Если двигатель глохнет (0_об/мин < фактические обороты в минуту < обороты при полной нагрузке), он потребляет ток, превышающий его постоянную мощность, и если это условие сохраняется, обмотки двигателя перегреваются. Такие ненормальные условия остановки асинхронного двигателя с разомкнутым контуром не являются типичной частью любого обычного применения, поэтому любой асинхронный двигатель в любом из этих условий является:
Заглохший двигатель может некоторое время продолжать работать с частотой вращения ниже номинальной, но когда он перестает работать (из-за срабатывания устройства защиты от перегрузки или из-за того, что он сгорел), он не заглох. В конце концов, ни один обесточенный или сгоревший двигатель не может распознать механическую нагрузку.
Напротив, управляемое сервоприводом условие целенаправленного удержания положения под нагрузкой (или поддержания крутящего момента / силы против нагрузки) может быть обычной функцией приложения движения и полностью отличаться от приведенного выше примера с асинхронным двигателем. К сожалению, это также моторное состояние, которое ассоциируется с терминами и передается ими заглохший, застопорившийся, буксующий или заблокированный ротор Таким образом, когда серводвигатель (являющийся системой с замкнутым контуром) имеет правильные размеры для конкретных условий эксплуатации, он будет просто делать то, что ему приказано, и ничего больше. При правильном выборе размера и нормальной работе (в соответствии с размерами) такой серводвигатель может выдерживать заданную нагрузку (удерживать положение под нагрузкой или поддерживать крутящий момент /усилие против нагрузки) в пределах заданного события или профиля движения — без угрозы перегрева.
Поскольку рассматриваемые термины иногда используются взаимозаменяемо, давайте сначала опишем, как они используются в несервоуправляемых (асинхронных) двигателях.
Для асинхронного двигателя с разомкнутым контуром питания термин заблокированный ротор фактически это условие или процедура определения максимально возможного пускового тока (тока заблокированного ротора или LRC), потребляемого двигателем при создании максимального пускового момента (крутящего момента заблокированного ротора или LRT). Этот максимальный пусковой ток и результирующий максимальный пусковой момент обычно измеряются в лабораторных условиях при зафиксированном роторе двигателя — отсюда и термин «заблокированный ротор».
Ток с заблокированным ротором (LRC) обычно указан на заводской табличке асинхронного двигателя как сила тока с заблокированным ротором (LRA), которая представляет собой максимально возможный пусковой ток, потребляемый двигателем при нулевой скорости при первом включении питания (и проскальзывании на максимуме).
В реальных условиях эксплуатации асинхронных двигателей это максимально возможный ток, который двигатель может выдерживать в течение короткого (прерывистого) периода времени при первом подаче питания на двигатель. Это происходит до того, как ротор двигателя ускорится, чтобы уменьшить проскальзывание (Δ об/мин между полем якоря и ротором) и привести двигатель к сбалансированной рабочей точке равновесия с приложенной нагрузкой — предпочтительно в пределах его постоянной номинальной мощности. Прерывистые токи с разомкнутым контуром асинхронного двигателя, превышающие непрерывную мощность двигателя, обычно наблюдаются во время ускорения (при первом включении питания) и иногда при нарушениях нагрузки технологического процесса, но общие среднеквадратичные (RMS) токи, наблюдаемые двигателем с течением времени, должны оставаться в пределах непрерывной мощности двигателя.
На производительность серводвигателя (как и других двигателей) также влияет его способность рассеивать тепловые потери, хотя вероятность его перегрева из—за перегрузки гораздо ниже, чем у двигателей других типов. Это связано с тем, что сервоуправление и обратная связь, а также настройки по замкнутому контуру и ограничения от усилителя привода (и, возможно, другие программы контроллера) поддерживают двигатель в безопасном рабочем диапазоне. В отличие от состояния перегрузки асинхронного двигателя с разомкнутым контуром, обычный серводвигатель может работать с перерывами, превышающими его постоянную мощность, и управляется таким образом.
Но так же, как и в асинхронном двигателе с разомкнутым контуром, среднеквадратичные токи, наблюдаемые серводвигателем с течением времени, должны оставаться в пределах постоянной мощности двигателя. В противном случае обмотки двигателя перегреются. Прерывистые состояния перегрузки серводвигателя выполняют определенные функции и являются целенаправленными. Поэтому, когда эти состояния включены в проект, инженеры должны учитывать их при выборе электропривода, чтобы обеспечить правильную работу оси при нормальной эксплуатации станка, техническом обслуживании, мероприятиях по обеспечению безопасности и потенциальных отказах.
Одно из специализированных применений серводвигателей в роботизированных, промышленных и заводских процессах автоматизации заключается в поддержании определенного крутящего момента / усилия на нагрузке практически без движения двигателя. Применение может быть таким же простым, как удерживающий зажим или поддержание вертикальной нагрузки против силы тяжести (где удерживающий тормоз увеличил бы время процесса или снизил точность), или применение может заключаться в поддержании крутящего момента / усилия против нагрузки для тестирования или динамическом удержании детали на месте для какого-либо процесса или вытеснении высокоточногожидкость с контролируемой вязкостью.
Среди прочего, ключевым элементом для подбора комбинации серводвигатель-привод для такого использования является продолжительность этой (фактически непрерывной) нагрузки практически без перемещения привода в пределах его профиля движения — или для какого—либо конкретного события — относительно:
Если серводвигатель имеет правильные размеры и работает с надлежащими настройками системы привода для данного применения, то он не перегреется, не сработает защитное устройство и не сгорит. При таком запланированном использовании серводвигателя наихудшим состоянием для серводвигателя на самом деле может быть непрерывная работа двигателя при приложенной нагрузке (из-за силы тяжести или иным образом) во время нормальной работы. Или наихудший вариант может возникнуть в ситуации с вышедшей из строя машиной или линией (или при проведении технического обслуживания), которая является чрезмерной по отношению к расчетным эффективным среднеквадратичным требованиям к крутящему моменту/усилию для оси, основанным на профиле ее перемещения.
В отличие от асинхронного двигателя с разомкнутым контуром (способного жертвовать собой, пытаясь удовлетворить потребности своей нагрузки), крутящий момент, скорость и положение серводвигателя с замкнутым контуром контролируются и ограничиваются:
Таким образом, даже когда серводвигатель может появиться чтобы находиться в физически остановленном или заблокированном состоянии ротора, при правильных размерах и программировании, им специально управляют в пределах его постоянной мощности и, следовательно, в пределах способности двигателя рассеивать собственные тепловые потери. Однако для описания этой операции, особенно когда возникает проблема с осью, часто используются наши тематические слова/термины с учетом различных значений или интерпретаций.
Термин индустрии серводвигателей стойло часто указывается в виде подстрочного индекса в выражениях крутящего момента/усилия и в другой номенклатуре для обозначения максимально достижимого постоянного крутящего момента серводвигателя (Tc) и требуемого в результате постоянного тока (Ic).
Постоянный крутящий момент и результирующая микросхема находятся при заданной температуре окружающей среды (с равномерным распределением теплопотерь по обмоткам двигателя), что обеспечивает мощность крутящего момента в зависимости от конкретного повышения температуры и размера теплоотвода (монтажной пластины) — без перегрева обмоток двигателя.
Такое использование термина стойло создает значение, полностью отличное от общепринятого определения этого слова, в котором «застрять» означает остановиться и:
Итак, это понятное слово стойло описание систем с асинхронными двигателями имеет иной смысл, чем стойло используется в сервоиндустрии.
Теперь возникает вопрос: как подобрать размер серводвигателя переменного тока (бесщеточного PM), чтобы он не перегревался на обмотках — особенно для конструкций, требующих постоянного удерживающего момента / усилия с небольшим перемещением или вообще без него в течение времени, которое делает расчет эффективного среднеквадратичного значения профиля движения оси недействительным?
Как отмечалось ранее, это аннулирование происходит из-за того, что в противном случае привело бы к неравномерному распределению теплопотерь внутри двигателя.
Мы ответим на этот вопрос на примере приложения. Однако сначала вспомним, как определяются заводские характеристики микросхемы постоянного тока (двигателя). Мы будем предполагать среднеквадратичный ток с синусоидальной коммутацией, но некоторые производители используют другие средства для выражения Ic. Как правило, серводвигатели рассчитаны на обеспечение максимальной непрерывной производительности при равномерном распределении тепла внутренних потерь обмотки по всему двигателю. Это означает, что во время процесса оценки электрические циклы внутри двигателя движутся со скоростью, достаточной для равномерного распределения тепла за счет внутренних потерь, но достаточно медленной, чтобы обеспечить jXL а потери в сердечнике двигателя практически равны нулю. Эта физическая тестовая скорость обычно составляет от 1 до 4 оборотов в секунду для двигателей, но может быть медленнее или выше — в зависимости от пар полюсов двигателя.Напомним, что jXL это индуктивное реактивное сопротивление.
Большинство производителей определяют постоянный крутящий момент (Tc) и результирующий ток (Ic) при этой или аналогичных скоростях. Опубликованные характеристики постоянного крутящего момента и тока также часто обозначаются как момент остановки (Tc_stall) и ток остановки (Ic) независимо от типа коммутации и результирующих единиц измерения тока.
Также рассмотрите, что делает выходная мощность сервопривода, когда серводвигатель удерживается под некоторой нагрузкой практически без движения. Поскольку в нашем примере мы используем синусоидальную коммутацию, управляемый трехфазный выход переменного тока фактически находится в состоянии покоя — представляет собой непрерывно управляемый неподвижный трехфазный выход с ШИМ—сигналом со значением (соответствующим положению коммутации серводвигателя), равным тому, что по существу было бы замороженным сигналом в этом положении.. Это может быть представлено вашим мысленным взором как мгновенный снимок движущихся синусоидальных волн.
Большинство современных конструкций поворотных серводвигателей обладают хорошей теплопроводностью между обмотками двигателя, пластинами и рамой — особенно с эпоксидным покрытием. Тем не менее, каждая конструкция имеет разную теплопроводность между обмотками и каркасом, и точное моделирование этих значений требует значительного теплового моделирования или фактических измерений и испытаний. Итак, для целей этой статьи мы будем предполагать, что каждая обмотка двигателя представляет собой автономно установленную катушку — и что ни одна катушка не видит теплового преимущества в передаче тепла в область другой обмотки или витка в двигателе.
При условии полностью загруженного серводвигателя двумя наихудшими положениями переключения являются:
Это наихудшие условия, которые могли бы возникнуть в обмотках двигателя, если бы время Ipk привода истекло (контролируется I2t схема/программа) возвращается к опубликованному значению постоянного тока двигателя Ic_stall — устанавливается с равномерным распределением теплопотерь при низких оборотах.
Итак, для условия, показанного в Рисунок B, предположим, что Ic(двигатель)_stall = 10_Arms и нагрузка 10_ Нм. Также предположим, что положение коммутации и нагрузка требуют 10_Arms через фазу U для удержания этого неподвижного положения. Тогда фаза U на самом деле имеет 14,14 ампер постоянного тока [10_Arms x 2], непрерывно проходящих через нее. Это означает, что U-образная обмотка должна попытаться рассеяться (14.142 x RmØ) потери в ваттах по сравнению с (102 x RmØ) потери в ваттах — вдвое больше его мощности — чего, конечно, он не может делать постоянно.
Аналогично, для условия, показанного в Рисунок C, каждая из двух катушек пытается рассеяться (12.2472 x RmØ) потери в ваттах по сравнению с (102 x RmØ) потери в ваттах — 50% от мощности каждой катушки.
Расчеты ясно показывают это — критическим фактором при выборе размера серводвигателя является эффективный ток холостого хода (для удержания нагрузки неподвижной) по отношению к способности двигателя рассеивать потери в своих обмотках в таких условиях.
Итак, нам нужен двигатель, который имеет номинальный постоянный крутящий момент (Tc), равный требуемому значению √ 2 x T_hold — не потому, что нам нужен какой-либо дополнительный крутящий момент от двигателя, а потому, что нам нужно, чтобы каждая из обмоток двигателя надежно справлялась (в течение фактически непрерывного периода времени) с тем, что в противном случае было бы невозможно. быть мгновенным пиком-гребнем движущегося синусоидального тока.
В этих условиях (при условии номинальных значений и отсутствия запаса) использование серводвигателя с номиналом Tc (остановка) = 10 нм в приложении, требующем 10 Нм для неограниченного удержания вертикальной нагрузки, является недостаточным. Однако было бы достаточно выбрать двигатель немного большего размера, способный выдерживать Tc (stall) => 14,14 нм.
Кроме того, если привод также рассчитан с точки зрения плеч, ему потребуется только вырабатывать постоянный среднеквадратичный ток, необходимый для выработки двигателем 10 Нм (приблизительно 10 Нм, если Kt серводвигателя = 1 Нм/плечи).
Мы можем доказать это, сначала определив способность к потере ватт при непрерывной номинальной мощности — как показано на Рисунок А Затем мы сравниваем рассеиваемую мощность с двумя наихудшими точками коммутации катушек трехфазного двигателя, где ток составляет 100%, 50%, 50%. (Рисунок B) и 86,6%, 86,6%, 0% (Рисунок C).
Дана информация о двигателе:
Tc(остановка) = 10_ Нм
Ic(остановка) = 10_Arms
Kt=1,0_ Нм/Руки
Rm(L-L)_25°C = 1,006 Ом, где Rm(L-L)_150°C = (1,006 Ом х 1,491); и Rm Ø_150°C = 1,5/2 = 0,75 Ом
Температура (предельная температура намотки для непрерывной работы) = 150°C
Повышение температуры (макс. при температуре окружающей среды 25°C) = 150°C – 25°C = 125°C
Таким образом, основываясь на этой информации, условиях применения и нашем предположении, что каждая обмотка двигателя является автономной фазной (Ø) ветвью или катушкой (без преимущества передачи тепла в тепловую зону другой обмотки), каждая обмотка может рассеивать до 75 ватт.
Если мы рассмотрим первое из двух положений коммутации в наихудшем случае со всем (100%) током (I_actual = Ic x √2), мы можем заключить, что потери в ваттах (суммарные) все равно будут равны 225_watts (Рисунок B); но удельная мощность, которую необходимо рассеять через одну обмотку (Ø_UN), на 100% превышает ранее рассчитанную тепловую мощность в 75 ватт (Рисунок А), а две другие обмотки имеют мощность 50% каждая.
В этом случае (Рисунок B), чтобы уберечь любую из обмоток этого двигателя от перегрева из-за этого конкретного положения коммутации, нам нужно было бы ограничить Ic (привод) до 70,7% от Ic (двигателя). В нашем примере, если сохраняется заданное требование к удерживающей нагрузке в 10 Нм, этот выбор двигателя не позволит выполнить работу без перегрева. Следовательно, возможным решением было бы выбрать двигатель с характеристиками: Tc => √2 x T_hold, предпочтительно с примерно таким же постоянным крутящим моментом двигателя (Kt), чтобы можно было поддерживать максимально требуемые рабочие обороты без изменения привода.
Если мы рассмотрим второе наихудшее положение коммутации со всем доступным (86,6%) током, проходящим только через две обмотки (I_actual = cos(30°) x Ic (двигатель) x √2), мы увидим, что потери в ваттах (суммарные) снова будут равны 225_watts (Рисунок C); но удельная мощность, которую необходимо рассеять через обмотки (Ø_UN) и (Ø_WN), на 50% превышает ранее рассчитанную тепловую мощность в 75 ватт (рисунок А) для каждой обмотки.
В этом случае (Рисунок C)нам нужно было бы только ограничить среднеквадратичный ток привода (Ic (drive)) до 81,6% [100 x (75 Вт/112,5 Вт)1/2] микросхемы (двигателя) для предотвращения перегрева обмоток двигателя из-за этого конкретного положения коммутации. Это приводит к W_loss(Ø_UN) = W_loss(Ø_WN) = ((10_Arms / √1,5 x cos(30°)) x √2)2 х 0,75 = 75_ватт.
Тем не менее, если требование к удерживающей нагрузке в 10 Нм не будет изменено на более низкое значение, этот выбор двигателя не выполнит работу — как в случае, изображенном на Рисунок B. Для этого конкретного условия мы могли бы выбрать двигатель с возможностью Tc => √1,5 x T_hold. Однако это по-прежнему допускает перегрузку по мощности на 33,3% по сравнению с первым условием коммутации, как в Рисунок B.
Лучшим решением является выбор двигателя с возможностью Tc => √2 x T_hold, как описано в Рисунок B.
Понимание значения этого термина стойло в контексте серводвигателя позволяет инженерам правильно учитывать особенности профиля перемещения оси и требования к нагрузке в зависимости от относительного времени нагрузки (в сравнении с общим временем цикла). Таким образом, можно определить и проанализировать доминирующие факторы для расчета размеров, программирования осей станка и устранения неполадок — при нормальной работе или иным образом. Эти доминирующие факторы позволяют разумно сопоставлять результаты: среднеквадратичные расчеты и любые фактически постоянные нагрузки, удерживаемые в течение длительного времени относительно общего времени профиля движения оси, тепловые временные константы двигателя: TCT_motor и TCT_winding, а также I сервопривода.2алгоритм обратного свертывания.
Четкое представление о наихудших положениях коммутации двигателя при поддержании постоянной нагрузки практически без движения (и коммутации ШИМ-привода в состоянии покоя, которая сопутствует этому условию) является основой для правильного выбора размеров двигателя и привода. Удержание крутящего момента на нагрузке (внешней или иной) в течение интервалов, которые являются длительными по отношению к времени профиля движения или тепловым постоянным времени, может (если не будут внесены поправки) привести к ошибочным среднеквадратичным выводам.
Примечание: Аналогичные соображения требуются для периодических требований к крутящему моменту, которые являются высокими по сравнению со временем и требованиями к профилю движения, а также тепловыми постоянными времени любого предлагаемого двигателя. Это отдельная тема. Google Kollmorgen — Управление перегрузками серводвигателя переменного тока PM: Тепловая постоянная времени чтобы загрузить технический документ по этой теме.
В реальных приложениях коэффициент умножения крутящего момента может быть консервативным, учитывая хорошую теплопроводность между обмотками, пластинами и рамой современных двигателей. Тем не менее, опыт автора и собранные за многие годы отзывы о конструкциях двигателей и их применении позволяют предположить, что множитель √2 для роторных серводвигателей с железным сердечником обеспечивает запас прочности примерно от 9 до 11%. Хотя эта информация специально не проверялась, наихудший сценарий с коэффициентом √2, по-видимому, обеспечивает достаточный запас прочности для преодоления типичных производственных допусков в ±10%. Таким образом, разумно выбрать двигатель с непрерывной производительностью, равной расчетной потребности в непрерывной работе (или немного выше), используя множитель крутящего момента √2.
Однако для двигателей с бесжелезным сердечником запас прочности не предполагается, и для этих двигателей инженерам-проектировщикам рекомендуется специально учитывать определение коэффициента стойкости каждого производителя. Индустрия серводвигателей переменного тока стойло это ограниченный термин с конкретным определением, но не настолько фиксированный, чтобы его нельзя было переопределить частично или полностью — особенно для серводвигателей специального назначения или определенной конструкции — например, серводвигателей переменного тока PM с бесщелевым сердечником.
Коллморген | kollmorgen.com
Херли Гилл — старший инженер по приложениям и системам в Коллморген находится в Рэдфорде, штат Вирджиния. Он окончил Технический университет Вирджинии в 1978 году по специальности инженер и с 1980 года работает в индустрии управления движением. С ним можно связаться по адресу hurley.gill@kollmorgen.com.
С момента своего основания в 1916 году инновационные решения Kollmorgen воплощали в жизнь грандиозные идеи, делали мир безопаснее и улучшали жизнь людей. Сегодня ее знания мирового уровня в области систем и компонентов движения, лидирующее в отрасли качество и глубокий опыт в соединении и интеграции стандартных и нестандартных продуктов постоянно обеспечивают прорывные решения для движения, не имеющие себе равных по производительности, надежности и простоте использования. Это дает машиностроителям по всему миру неоспоримое преимущество на рынке и обеспечивает их клиентам абсолютное спокойствие.
Для получения дополнительной информации посетите www.kollmorgen.com, электронная почта support@kollmorgen.com, или позвоните (540) 633-3545.
Вам также может понравиться:
Свежие комментарии