В первая часть этой серии, мы объяснили требования к рекуперативной мощности для управляемого движения серводвигательных систем. Здесь мы подробно описываем общие схемы электрической защиты.

Автор: Херли Гилл • Старший инженер по приложениям и системам | Коллморген

Проектирование машины с серводвигателями, приводами и регенеративными резисторами требует учета многочисленных конструктивных факторов. Эти компоненты влияют на общую производительность всех осей конструкции во время нормальной работы — и во время как прогнозируемых, так и непредвиденных событий, требующих включения функций остановки.

Профили движения в графической форме являются полезными визуальными указателями управляемого перемещения осей для выполнения задач станка. Эти профили также могут быть использованы для определения требований к управлению энергопотреблением и рекуперации для данной оси машины или нескольких осей. Конечно, рекуперативные резисторы не всегда указаны в первоначальных спецификациях и расчетах, сборках с подтверждением концепции или прототипах. Тем не менее, часто рекомендуется минимально использовать регенерационные резисторы в конструкциях первой сборки — хотя бы для того, чтобы провести измерения контролируемого процесса и определить ограничения машины для окончательного проектирования. Кроме того, при первом запуске новых проектов редко проходит много времени, прежде чем кто-то скажет: “Как быстро мы сможем это сделать?”Разумно проявлять осторожность, поскольку контуры регенерации, недостаточно подходящие для данной прикладной функции, могут снизить безопасность персонала, качество выпускаемой продукции и производительность машины.

Без возможностей регенерации, превышающих емкость шины привода axis, первой возникшей проблемой, скорее всего, будет сбой в работе шины постоянного тока от перенапряжения. Это, в свою очередь, может привести к значительной потере времени, если это пресловутая пятница перед визитом конечного клиента во вторник.

Для большинства систем перемещения с электронным сервоуправлением наиболее безопасными являются те остановки, которые приводят к остановке всех управляемых перемещений в кратчайшие сроки — например, перед отключением питания от сети для аварийной остановки (e-stop), т.е. сервопривод с питанием используется для остановки движения оси, находящейся под его управлением, до ее Источник питания шины постоянного тока отключен.

Лучшие практики проектирования машин, использующих управляемое движение, диктуют, что самая безопасная остановка — это контролируемая остановка во время мероприятия — остановить движение в кратчайшие сроки (для контролируемой остановки контролируемого движения). За редким исключением, это требование выполняется независимо от того, включает ли остановка последующее отключение питания от сети (как для e-остановок) или нет (как для приоритетных остановок или p-остановок). Следовательно, такие документы, как Национальный электротехнический кодекс NFPA 70 (NEC) и NFPA 79 — Электрические стандарты для промышленного оборудования они “предназначены для совместной работы для достижения желаемых конечных результатов” и помогают спасать жизни, а также предотвращать потерю имущества. В конце концов, защита людей и имущества от механических и электрических воздействий — это сложная задача, для решения которой не существует единого кодекса или стандарта. Движение с замкнутым контуром (сервоприводом) повышает уровень сложности по сравнению с управлением осью с разомкнутым контуром или станком.

Итак, как количественно оценить энергию, связанную с такими остановками? Количественное определение запасенной кинетической энергии в каждом механизме, управляемом серводвигателем, является ключом к правильному проектированию системы регенерации и надежной работе машины. Для движения с сервоуправлением выбранный резистор регенерации часто определяется требованиями к функции остановки. Обычно это требует, чтобы все сервоуправляемые движения прекращались перед отключением питания.

Небольшое предостережение относительно раскаленных резисторов восстановления: Многие резисторы регенерации установлены на шкафах управления, а светящиеся красным резисторы на шкафах, как правило, нежелательны для конечных пользователей. Тем не менее, увеличение номинальной мощности регенерирующего резистора с обмоткой (для ускорения производства) может привести к его красному свечению. Выбор резистора регенерации с мощностью на 25% большей, чем требуется, позволяет выбранному резистору использовать только 80% своей мощности, предотвращая любое тревожное красное свечение. Характеристики резисторов regen по мощности указаны в опубликованных технических характеристиках или в источниках других производителей.

Выбор наилучшей защиты для защиты цепи регенерации может показаться сложной задачей, особенно из—за того, что пиковые токи при нормальной работе и остановках могут быть намного выше среднеквадратичного тока цепи, требуемого для данного приложения.

Компактность современных силовых устройств означает, что большинство сервоприводов имеют внутреннюю защиту от короткого замыкания. При обнаружении короткого замыкания они запускают неисправность привода и отключение оси. Кроме того, многие приводы также могут ограничивать ток Irms regen и Ipeak regen-circuit в соответствии с параметрами подключенных компонентов и приложений. Внешние восстановительные резисторы, изготовленные для ограничения этого тока, должны иметь собственное внутреннее устройство защиты от перегрузки, такое как последовательно подключенный термостат с ЧПУ. Для многих применений такого термостата достаточно. Однако в других случаях, возможно, лучше использовать предохранители или какое-либо другое устройство, чтобы предупредить контроллер машины, когда система приближается к максимальной мощности регенерации. Эти другие устройства могут включать в себя:

1. A предохранитель с замедленным срабатыванием последовательно с резистором регенерации, выбранным для управления среднеквадратичным током приложения, вплоть до максимального тока резистора регенерации, ограниченного его мощностью. Этот предохранитель должен быть способен выдерживать пиковые требования приложения, не вызывая аварийных отключений — как в системах с часто перегорающими предохранителями.

2. A быстродействующий предохранитель последовательно с резистором регенерации, выбранным в соответствии с требованиями приложения к пиковому току.

3. Один-единственный реле ЧПУ при перегрузке двигателя последовательно с резистором регенерации — часто с быстродействующим предохранителем. Такие реле подают сигнал контакта с ЧПУ на сервопривод и/или контроллер станка во время нормальной работы. Затем, когда контакты ЧПУ размыкаются, они сообщают сервоприводу или контроллеру более высокого уровня о том, что существует условие восстановления при перегреве. Это побуждает элементы управления следовать запрограммированным процессам замедления или завершения работы. Нагреватель в этой установке может быть подобран таким образом, чтобы отключать цепь термореле ЧПУ в соответствии с требованиями применения (или ограничивать ток восстановления) и при этом без проблем справляться с пиковыми нагрузками.

Для правильного определения требований к резистору регенерации требуется следующая информация и расчет Er(n) = E(k)–E(el)±E(ext-f)–E(f) — где восстановленная энергия Er рассчитывается с использованием информации n-сегмента профиля движения для конкретного Er(n). Для более четкого понимания энергетических переменных, влияющих на Er(n), рассмотрим их сгруппированными по тому, являются ли они кинетическими, электрическими, фрикционными или внешними по своей природе.

Кинетическая энергия E(k) = ½(J_load + J_motor) вт² [единицы измерения в джоулях]
Потери электрической энергии E(el) = 3(I²_dec x Rm/2) t_dec
Внешние энергетические силы E(ext-f) = (T_ext x Δωm/2) t_dec)
Энергия, теряемая на трение E(f) = (T_f x Δωm/2) t_dec — часто игнорируется при ручных вычислениях, если T_f является относительно небольшим.

Er = ½(J_load + J_motor) wm² – 3(Я²_dec x Rm/2) t_dec ± (T_ext x Δωm/2) t_dec) – (Tf x Δωm/2) t_dec.

E (caps) = Энергия (дополнительная мощность) = ½ C (В постоянного тока² _max(неисправность) – напряжение постоянного тока² _bus)
E(int-reg) = Энергия (внутреннее сопротивление регенерации) = R_watts x время
E(ext-reg) = Энергия (внешнее сопротивление регенерации) = R_watts x время

Как только значение кинетической энергии E(k) известно, мы должны, по крайней мере, вычесть электрические потери двигателя E(el) в режиме рекуперации. Мы также должны добавить или вычесть любые приложенные внешние силы ±E (ext-f), такие как гравитация, которые работают на [-] или против [+] изменения скорости оси. В идеале эти расчеты также учитывают потери из-за энергии трения E(f).

Результирующая энергия, которую необходимо поглотить или рассеять за общее время цикла (t_total), может быть рассчитана из суммарной энергии Er(n) путем вычитания энергетической емкости E(caps) из емкости шины постоянного тока предлагаемого или выбранного сервопривода.

Если Er(total) – E(caps) > 0, требуется внутренний (int-reg) или внешний (-reg) резистор восстановления или его эквивалент.

Если Er(total) – E(caps) – E(int-reg) > 0, то требуется внешний резистор регенерации или другая функция поглощения энергии. В этом случае общая способность поглощения энергии должна быть больше, чем Er — где Er — это рассматриваемая восстановленная энергия Er(n), Er(общая), Er(wc) или Er(sf). Кроме того, применение внешнего резистора восстановления обычно устраняет любое внутреннее сопротивление восстановления из схемы восстановления привода. Это означает, что в ситуациях, требующих внешнего резистора восстановления, все требования к питанию должны быть рассчитаны без учета каких-либо возможностей внутреннего резистора восстановления привода.

Существует 12 различных осевых переменных, требующих определения для правильного выбора и размера восстанавливающего резистора для применения в поворотных сервоприводах.

1. J_нагрузка (кг·м²) = Суммарная отраженная и непосредственно связанная инерция, наблюдаемая двигателем.

2. N (ОБ/мин)= Частота вращения двигателя в оборотах в минуту непосредственно перед началом замедления объекта.

3. wm (рад/сек) = N ÷ 9,55 — в зависимости от скорости двигателя N.

4. T_f (Нм) = момент трения и вспомогательное замедление в течение t_dec (предполагается линейное замедление).

5. t_dec (секунды) = Время замедления объекта.

6. T_dec (Нм) = Требуемый постоянный крутящий момент при условии линейного замедления. Для нелинейного замедления используйте среднеквадратичный крутящий момент, требуемый в течение t_dec.

7. I_dec (Руки/Диаметр) = T_dec (Нм) ÷ Kt (Нм/Arms) = Требуемый приложением ток замедления. Мы предполагаем, что это значение является постоянным (для линейного замедления); если оно нелинейное, обратитесь к примечанию для T_dec о том, как учесть этот факт. Обратите внимание, что значение I_dec должно быть меньше или равно возможностям привода для t_dec. В противном случае выбранный привод может ограничить текущий I_dec = I_peak, доступный для t_dec. Тогда T_dec для t_dec потребуется повторная оценка. Если ограничено, t_dec(new) = ((J_load + J_motor) x Δ ОБ/мин / 9,55) ÷ (Kt x I_peak + Tf ± T_ext).

8. T_ext (Нм) = ± Внешний крутящий момент — здесь предполагается постоянным. Сила тяжести на вертикальной оси увеличивает время замедления, так что это приводит к положительному значению T_ext.

9. t_on (секунды) = Время восстановления энергии = t_dec.

10. t_total всего = Общее время цикла (от начала до повторения) повторяющихся замедлений.

11. V_терминал = Двигатель разработан в_эдс меньшее падение ИК–напряжения непосредственно перед началом замедления на скорости N, при этом V_terminal = √3 КБИТ/с x N ÷ 1000 ÷ √3 — I_dec × (Rm/2).

12. I_shunt(Rmax) = Максимально возможный ток шунтирования регенеративного резистора от емкости шины постоянного тока основан на пиковой мощности выбранного резистора Ppk_resistor.

Существуют три различные переменные двигателя, требующие определения для выбора и калибровки резистора восстановления для применения в поворотном сервоприводе.

1. J_мотор (кг·м²) = J_мотор (кг·см²) ÷ 10 000 — номинальная инерция ротора двигателя.

2. Кт (Нм/Руки) = Постоянный крутящий момент двигателя (указан в опубликованных производителем данных)

3. Кб (Vrms/kRPM) = постоянная Bemf двигателя для синусоидальной коммутации (опубликованные данные)

4. Rm (ом) = сопротивление двигателя от линии к линии при температуре окружающей среды, указанной производителем (типичная: 25°C); значение температуры окружающей среды представляет собой желаемое наихудшее условие для этих расчетов.

1. C (фарады) = Емкость шины постоянного тока выбранного привода (опубликованные производителем данные).

2. VDC_max(ошибка) = Предельное напряжение шины постоянного тока, вызывающее сбой в работе привода из-за перенапряжения.

3. VDC_max (максимальное значение) = VDC_max(ошибка)-1; для максимально нормальной работы.

4. В = Напряжение отключения (VDC_off) схемы регенерации генератора релаксации [или эквалайзер] или минимальное напряжение включения для схемы регенерации, управляемой иным образом. VDC_max(ошибка) > Vo > шина постоянного тока.

5. Шина постоянного тока = Номинальное напряжение шины постоянного тока »гребень синусоидальной волны» в переменного тока (источник) x √2.

6. I_pk(привод) = Доступный пиковый среднеквадратичный фазный ток (Ø) предлагаемого усилителя возбуждения за время t_dec.

7. Ppk(regen)_драйв-возможность = Восстанавливает пиковую выходную мощность привода в течение одной секунды

8. I_shunt (максимальный привод) = Максимальная (1_секунда) способность привода к восстановлению текущего значения:

Об авторе: Херли Гилл — старший инженер по приложениям и системам в компании Kollmorgen, расположенной в Рэдфорде, штат Вирджиния. Он окончил Технический университет Вирджинии в 1978 году по специальности инженер и работает в индустрии управления движением с 1980-х годов. С ним можно связаться по адресу hurley.gill@kollmorgen.com.

Нажмите здесь, чтобы ознакомиться с третьей частью этой серии о том, как настроить систему для поворотной сервооси, в которой требуется регенеративный резистор.