Здесь мы объясняем данные, необходимые для определения требований к регенеративной мощности и выбора регенеративного сопротивления для управляемого движения систем серводвигателей.

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

Электрические серводвигатели переменного тока представляют собой синхронные или асинхронные двигатели, используемые в конфигурациях с замкнутым контуром (сервопривод) для точного управления выходной мощностью. Управление выходными сигналами движения, которые могут включать положение, скорость и крутящий момент, основывается на сигналах обратной связи от датчиков на оборудовании или его двигателе (ах) к контроллерам двигателя (усилителям привода). Когда позиционный контур замыкается вокруг контура скорости, двунаправленный сервомеханизм управляет:

Требуемые сигналы обратной связи могут генерироваться либо от множества устройств обратной связи, подключенных к двигателю/нагрузке, либо от индивидуально подключенного датчика обратной связи (от которого выводятся другие необходимые сигналы обратной связи). Независимо от должности, контур скорости может управлять двунаправленной скоростью и крутящим моментом, одновременно управляя скоростью двигателя, током и реакцией на постоянно меняющиеся нагрузки, помехи и команды.

Конструкции щеточных серводвигателей постоянного тока существуют уже более пятидесяти лет, а асинхронных серводвигателей переменного тока — с середины 1980-х годов. Но сегодня в индустрии автоматизации термин поворотный серводвигатель обычно относится к приводам, основанным на технологии синхронных двигателей переменного тока с постоянными магнитами (PM). Аналогично, линейный серводвигатель обычно относится к линейным приводам, основанным на конструкции синхронного двигателя переменного тока PM. Эти двигатели приводят в действие оси вращения или линейные оси, пересекающие вертикальную, горизонтальную или другие плоскости.

Точно контролируемые (и часто повторяющиеся) ускорения, перемещения, замедления и остановки каждого серводвигателя в течение определенного периода времени представлены профилем движения. Каждый сегмент профиля движения имеет соответствующее количество энергии, запасенной или рассеянной в зависимости от скорости управляемого движения и нагрузок. Кинетическая энергия запасается общим моментом инерции или массой и заданной (и достигнутой) осевой скоростью. Предполагая отсутствие потенциальных источников энергии, энергия, используемая для ускорения оси до заданной скорости, поступает от источника питания сервопривода. Аналогично, замедление той же массы или инерции вращения требует с помощью некоторых физических средств поглощения или рассеивания накопленной механической энергии. Поглощение или рассеивание энергии происходит, когда двигатель переходит в режим выработки электроэнергии:

Когда система серводвигателя находится в процессе восстановления кинетической энергии оси во время контролируемого торможения, серводвигатель переходит в режим регенерации мощности, преобразуя избыточную механическую энергию обратно в электричество. По конструкции его привод возвращает эту энергию обратно к тому же источнику питания, который первоначально использовался для подачи энергии на двигатель. Если бы источником питания была батарея, возвращаемое питание просто подзарядило бы эту батарею. Более распространенные приводы переменного тока с входным питанием поглощают полученную дополнительную энергию (джоули) за счет емкости шины постоянного тока (сверх номинально накопленных джоулей). Повышенное напряжение на шине постоянного тока (накачка шины постоянного тока) является физическим эффектом этой дополнительной энергии, поглощаемой конденсаторами шины постоянного тока.

Однако емкость шины постоянного тока и максимальное результирующее напряжение ограничены конструкцией привода и выбранными конденсаторами. В производственных условиях типичный серводвигатель питается от широтно-импульсной модуляции (ШИМ) шины постоянного тока через полноволновую трехфазную мостовую схему выпрямления (обычно питается от 208 до 480 В переменного тока, несмотря на более низкие требования к напряжению).

Всякий раз, когда серводвигатель замедляется (независимо от того, замкнут внешний сервокольцо вокруг двигателя или нет), кинетическая энергия может вернуться к источнику питания привода. При торможении оси механически накопленная энергия преобразуется обратно в электрическую энергию, и любая энергия, которая не теряется из-за механического трения или не рассеивается внутри двигателя (например, когда двигатель работает как генератор переменного тока), должна поглощаться приводом. Это происходит, когда внутренне генерируемое напряжение электродвижущей силы двигателя (ЭДС) превышает напряжение, подаваемое на привод. Затем генерируемая ЭДС становится доминирующим источником питания, обращая ток в обмотках двигателя вспять. Это, в свою очередь, вызывает торможение оси.

Вопрос о регенерированной энергии: Что происходит, когда управляемое движение, определяемое профилем движения оси, требует, чтобы серводвигатель преобразовывал (регенерировал) больше энергии, чем конденсаторы шины постоянного тока могут безопасно поглощать для данного сервопривода?

Ответ: Дополнительная энергия, превышающая емкость накопителя шины постоянного тока, должна отводиться таким образом, чтобы напряжение шины постоянного тока оставалось ниже своего максимального безопасного значения как при нормальной работе, так и при остановке функции. Превышение напряжения на шине постоянного тока должно привести к неисправности привода и его отключению. С этим избытком энергии можно справиться с помощью одного или нескольких из следующих подходов:

Восстановительный резистор — это устройство с резистивным питанием, используемое для рассеивания накачанной энергии шины постоянного тока — чтобы рассеять избыток. Напряжение на шине постоянного тока регулируется сбросом мощности на резистор восстановления, и (до тех пор, пока способность схемы восстановления сбрасывать мощность превышает мощность, возвращаемую двигателем) напряжение на шине постоянного тока будет падать. Многократное включение и выключение резистора регенерации на конденсаторах шины постоянного тока контролируемым образом позволит поддерживать напряжение шины постоянного тока в безопасном диапазоне между выпрямленным напряжением сети переменного тока (номинальная шина постоянного тока) и верхним пределом напряжения шины постоянного тока, установленным электроникой привода.

Если размер восстановительного резистора недостаточен или его нет там, где он необходим, скорость производства может снизиться, и машина может даже отключиться из-за неприятного отключения, вызванного перегоранием от перенапряжения или отключением схемы защиты и / или повреждением компонентов привода.

Вопросы о регенерационном резисторе: Как инженер определяет, требуется ли восстановительный резистор? Если требуется такой резистор, какими должны быть значения его сопротивления и мощности?

Ответ: Проще говоря, мы должны оценить расход энергии в течение цикла движения машины. Если поток мощности в виде энергии/времени от двигателя к приводу имеет значительное распределение мощности по конденсаторам шины постоянного тока привода, системе потребуется силовой резистор для рассеивания избыточной регенеративной мощности. В противном случае необходимо будет снизить расход энергии. Этот анализ регенерации упрощается за счет учета общей возвращаемой энергии, а не точных деталей потока мощности. Механическая кинетическая энергия E(k) за вычетом всех применимых потерь E(el)andE(f) и любых внешних сил E(ext-f) для каждого замедления оси, суммируемая вместе, сравнивается с емкостью накопителя энергии конденсаторов шины постоянного тока привода E(caps). Если общая восстановленная энергия Er (total) больше, чем дополнительная емкость аккумулятора шины постоянного тока E (caps), то требуется восстановительный резистор.

Следует выбрать восстановительный резистор с постоянной мощностью, превышающей требования приложения, для удовлетворения (Pc_req=(Er(total)–E(caps))/t_total). Для многоосевых станков с общей емкостью шины постоянного тока общая потребность в непрерывной мощности Pc_req(total) определяется путем суммирования требований к непрерывной мощности каждой оси для количества осей, обслуживаемых общей шиной постоянного тока. Выраженный в виде уравнения, этот Pc_req(total) равен:

Pc_req(A1)+Pc_req(A2)+Pc_req(ось#).

Но сначала нам нужно рассчитать кинетическую энергию за вычетом потерь Er(n) для каждого замедления (n) рассматриваемой оси с Er(n)=E(k)–E(el)± (ext-f)–E(f) и:

Er(n) = ½(J_load+J_motor)wm²
– 3(I²_dec×Rm/2)t_dec
± (T_ext × Δωm/2) t_dec)
– (Tf × Δωm/2) t_dec.

Где Он(всего)=Он(1)+Он(2)+Он(3)+Он(ы).

Для каждой рассматриваемой оси мы должны определить каждый представленный сегмент движения профиля движения оси с потенциальной восстановленной кинетической энергией (джоулями), которая должна быть поглощена или рассеяна. Каждый определенный сегмент замедления в пределах профиля движения оси потенциально будет представлять некоторую восстановленную кинетическую энергию Er (n), требующую поглощения емкостью шины постоянного тока — и потенциального дальнейшего рассеивания восстановительным резистором. Следовательно, следует учитывать каждое замедление каждой оси.

Несложно рассчитать сумму восстановленных энергий каждой оси Er (всего), которые будут рассеяны за время цикла машины (или для любого конкретного замедления n). Это, в свою очередь, определяет минимально необходимую непрерывную мощность выбранного восстановительного резистора:

Где t_total = Время цикла оси
Pc_req(всего) = Pc_req(A1) + Pc_req(A2) + Pc_req(A#)
Любая заданная ось (A#) с результирующим Er(n) < 1 устанавливается = 0.

Обратите внимание, что вычисленный Pc_req для любой заданной оси (A#) может стать довольно маленьким для профилей движения с большими промежутками между активными движениями. В этих случаях резистор регенерации обычно выбирается таким образом, чтобы удовлетворять пиковым требованиям к мощности, а не средним требованиям с течением времени. Кроме того, в многоосевых машинах часто возникают ситуации, когда одна ось возвращает энергию, в то время как другая одновременно потребляет энергию — таким образом, чистая возвращаемая энергия может приближаться к нулю или быть равна ему. Вот почему, если только все оси машины не будут одновременно возвращать энергию (как во время функций контролируемой остановки движения), инженерам следует учитывать время возврата всей энергии.

Как только станет известна общая потребляемая непрерывная мощность (Pc_req (total)) для нормальной работы (а не для функций остановки), можно добиться дальнейшего уточнения путем вычитания дополнительной емкости шины постоянного тока, поглощающей мощность.

Правильный выбор восстановительного резистора также требует расчета пиковых требований (Ppk_req). Значения вычисляются во многом аналогично значениям Pc_req, но обычно для пиковой (максимальной) мощности двигателя непосредственно перед началом замедления в нулевой момент времени (t_0) режима рекуперации мощности.

Вопрос о пиковой мощности: Когда возникают условия наихудшего случая наивысшей мощности (wc), определяющие пиковую энергию Er(n) или Er(wc) и требования к ее поглощению?

Ответ: Эти условия обычно определяются сегментом движения с наибольшей массой или моментом инерции и скоростью — представленным как E(k). Но это наихудшая рекуперированная энергия Er (wc), которая должна быть поглощена независимо от периода времени, в течение которого происходит замедление.

Независимо замедленные оси при нормальной работе станка могут требовать и часто требуют, чтобы рассеиваемая кинетическая энергия превышала емкость накопителя шины постоянного тока другими способами, такими как, например, использование емкости шины постоянного тока, совместно используемой несколькими приводами. Иногда проще установить максимальную мощность восстановления на основе максимально возможной возвращаемой энергии, заданной входной линией переменного тока привода, и его пикового выходного тока с небольшим запасом на потери. 20%-ная маржа на случай убытков — это хорошее эмпирическое правило. Другими словами, для трехфазного серводвигателя верхняя граница пиковой мощности (ВА) равна 0,8 · (напряжение в сети переменного тока) · (пиковый фазный ток привода) ·√3.

Конечно, безопасность является главной задачей при проектировании большинства конструкций машин (и их осей). Лучшие практики для проектирования сервоуправляемого движения требуйте максимально короткого времени остановки для p-остановок с регулируемым движением и e-остановок, за редкими исключениями. В идеале каждая ось машины с сервоуправлением должна иметь возможность останавливать контролируемое движение в кратчайшие возможные сроки для максимальной защиты человека, машины и продукта. Выполнение этого требования для управляемого движения требует отдельной оценки результирующей восстановленной энергии каждой оси для функции остановки Er(sf):

Er(wc) или Er(sf) = E(k)-3(I²_dec×Rm/2)t_dec
± (T_ext × Δωm/2) t_dec)
– (Tf × Δωm/2) t_dec

Где E(k) = ½(J_load + J_motor) ⋅ wm²=Удельная кинетическая энергия E(k), используемая для определения максимального результирующего восстановленного Er(wc) или Er(sf) для рассматриваемой конкретной оси.

Примечание: Требуемый I_dec, разработанный приложением двигателя, должен соответствовать пиковому току двигателя Ipk (двигатель) и пиковому току Ipk (привод) предлагаемого сервопривода в течение определенного времени (t_dec). Иначе:

При этом I_dec (требуется) ≤ Ipk (двигатель) и Ipk (привод), где Ipk — пиковый среднеквадратичный фазный ток (Ø), а I_dec:

Кроме того, Ppk_req = Er(n)/t_dec, где Er(n) = Er(wc) для мгновенного пика в наихудшем случае (wc) при нормальной работе оси или Er (sf) для функций остановки, таких как p-stops или e-stops — это две отдельные оценки.

Никакая часть емкости шины постоянного тока E(caps) не рассматривается как в (Er(n) — E(caps))/t_dec), поскольку доступная емкость шины постоянного тока до возникновения функции остановки не может быть гарантирована или легко определена. Максимальное значение R_regen(Ω) для любого выбранного восстановительного резистора не должно превышать:

Где Ppk_req(total) представляет собой количество энергии, которое необходимо откачать от шины постоянного тока. Это максимально возможное значение сопротивления для определенного состояния приложения, которое будет постоянно поддерживать работу шины постоянного тока при максимальном значении VDC_max(неисправность).

Конечно, на пиковую потребляемую мощность восстановительного резистора (Ppk_req) и его выбор можно повлиять, используя минимально возможное время остановки, как при выполнении функций остановки. Для некоторых отдельных осей или нескольких осей станка с общей шиной постоянного тока определяющее замедление — и определяющий фактор для выбора восстановительного резистора — основан на оценках наилучшей практики проектирования для контролируемых остановок. Здесь восстановительный резистор выбирается на основе требований к пиковой мощности. В противном случае, когда для нормальной работы оси требуется восстановительный резистор, Pc_req является типичным доминирующим критерием.

Опять же, будьте осторожны с профилями движения со значительным временем задержки относительно общего времени цикла (t_total), особенно относительно рассчитанного значения Ppk_req нормальной работы.

Программа определения размеров электропривода должна рассматривать каждый сегмент движения для вычисления Pc_req и определять наихудший Ppk_req для нормальной работы оси, хотя типичные программы определения размеров требуют отдельной оценки для событий замедления с уникальными значениями. Все функции e-stop и p-stop для данной оси обычно устанавливаются на одно и то же минимальное время остановки торможения.

Для многоосевых станков с общей шиной постоянного тока одновременное замедление всех осей во время события остановки функции требует значения сопротивления, чтобы шина постоянного тока оставалась ниже VDC_max (неисправность).

Подсказка по спецификации: По возможности выберите стандартное значение Ом, указанное производителем восстановительного резистора, или значение в пределах опубликованного диапазона. Инженеры должны убедиться, что опубликованный производителем максимальный непрерывный / пиковый ток не превышен, выбрав восстановительный резистор:

Для последнего это означает Vmax = VDC_max(неисправность) – 1 во время нормальной работы (замедления/ остановки нормальной оси) и во время любой e-stop или p-stop. Для любого выбранного восстановительного резистора R_regen(Ω) может быть рассчитан максимальный ток шунтирования от емкости шины постоянного тока.:

В рамках определенного приложения рассчитывается максимальная мгновенная или импульсная пиковая мощность выбранного восстановительного резистора:

Возможности выбранного восстановительного резистора должны соответствовать следующим условиям:

1. Pc_resistor (мощность) > ось’ рассчитала требуемый Pc_req.

2. Ppk_resistor (мощность) > ось’ рассчитала требуемое значение Ppk_req (при любых условиях).

3. R_regen(Ω) должно находиться в пределах указанного производителем привода диапазона восстановительных резисторов, где внешнее сопротивление может быть представлено в виде диапазона Ом и/или предпочтительного стандартного значения.

4. Как упоминалось ранее, максимальное значение R_regen(Ω) для любого выбранного восстановительного резистора не должно превышать:

Это верно даже для одновременного замедления всех осей, например, во время полной остановки машины, как определено Ppk_req(total) = Ppk_req(A1) + Ppk_req(A2) + Ppk_req(A3) + + Ppk_req(A#). Выбранное значение R_regen(Ω) должно быть меньше максимально возможного сопротивления для определенных условий применения, что позволит шине постоянного тока постоянно оставаться при максимальном значении VDC_max (неисправность).

5. R_regen(Ω)>Pc_req(всего)/I²_shunt (максимальный ток привода) и выбранный R_regen(Ω) должны быть больше минимально возможного сопротивления для заданного максимально возможного тока восстановления шунтирования выбранного привода или резистора. Это ограничивает ток восстановления при непрерывной работе чем-то меньшим, чем максимальная пропускная способность по току шунтирования.

Для многих регенерирующих резисторов пиковая/импульсная мощность устанавливается эмпирическим правилом, кратным (скажем, в десять или пятнадцать раз) опубликованной непрерывной мощности. Мгновенная пиковая мощность, как и непрерывная мощность данного восстановительного резистора, зависит от его физической конструкции, материалов, рабочего цикла (используемого и прикладываемого) и производственного процесса, и во всех случаях пиковая мощность резистора должна быть опубликована или определена иным образом. Один раз номинальная мощность двигателя после выбора восстановительного резистора можно проанализировать более конкретные возможности в сравнении с требованиями, используя нелинейные дифференциальные уравнения, когда известна вся необходимая информация о применении и резисторе.

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

Нажмите здесь, чтобы ознакомиться со второй частью этой серии — и пример того, как указать систему для поворотной сервооси нужен регенеративный резистор.