Servomotores

¿Qué es un servomotor?

 

Un servomotor es un motor que controla el funcionamiento de los componentes mecánicos en un sistema de servo. Es un tipo de motor auxiliar con cambio de velocidad indirecta.

 

Un servomotor puede controlar la velocidad con precisión de posicionamiento extremadamente precisa, convirtiendo las señales de voltaje en torque y velocidad para conducir el objeto controlado. La velocidad del rotor de un servomotor está controlada por una señal de entrada y responde rápidamente. Se utiliza como actuador en los sistemas de control automático y presenta una pequeña constante de tiempo electromecánica y alta linealidad. Convierte la señal eléctrica recibida en un desplazamiento angular o salida de velocidad angular en el eje del motor. Los servomotores se clasifican en dos categorías: DC y AC. Sus principales características son que no exhiben rotación de sí mismo - cuando el voltaje de la señal es cero, y su velocidad disminuye de manera uniforme a medida que aumenta el torque.

 

Principio de trabajo de servomotor

 

Un sistema de servo es un sistema de control automático que permite una variable de salida (por ejemplo, posición, orientación o estado) seguir cambios arbitrarios en un objetivo de entrada (o punto de ajuste). Un servo se basa principalmente en pulsos para el posicionamiento. Básicamente, cuando un servomotor recibe un pulso, gira por el ángulo correspondiente a ese pulso, logrando así el desplazamiento. Debido a que el servomotor en sí emite pulsos, envía un número correspondiente de pulsos para cada ángulo que gira, creando un circuito cerrado con los pulsos que recibe. Esto asegura que el sistema sabe cuántos pulsos ha enviado al servomotor y cuántos pulsos ha recibido. Esto permite un control preciso de la rotación del motor, logrando una precisión de posicionamiento tan baja como 0.001 mm. Los servomotores de DC se clasifican como cepillados y sin escobillas. Los motores cepillados ofrecen bajo costo, una estructura simple, un par de arranque alto, un amplio rango de velocidad y facilidad de control. Si bien requieren mantenimiento, son inconvenientes (debido al reemplazo del cepillo de carbono), generan interferencia electromagnética y tienen requisitos ambientales. Por lo tanto, son adecuados para el costo - aplicaciones generales sensibles industriales y de consumo.

Los motores sin escobillas son compactos y livianos, que ofrecen una alta salida, respuesta rápida, alta velocidad, baja inercia, rotación suave y torque estable. Si bien el control complejo es fácil de implementar con tecnología inteligente, su conmutación electrónica es flexible, lo que respalda tanto la onda Square - Wave y Sine - Wave. Son mantenimiento - gratuito, altamente eficiente, operan frescos, emiten radiación electromagnética mínima y tienen una larga vida útil, lo que los hace adecuados para su uso en una variedad de entornos.

 

Los servomotores de CA también son motores sin escobillas y se clasifican como motores sincrónicos y asincrónicos. Los motores sincrónicos generalmente se usan en control de movimiento. Tienen un amplio rango de potencia y pueden alcanzar una potencia muy alta. Su alta inercia da como resultado una velocidad máxima baja que disminuye rápidamente a medida que aumenta la potencia, lo que las hace adecuadas para aplicaciones que requieren una velocidad baja -, operación estable.

 

El rotor dentro de un servomotor es un imán permanente. La corriente de la fase U/N/N de la fase U/N controlada por el controlador crea un campo electromagnético, lo que hace que el rotor gire. Simultáneamente, el motor está construido - en el codificador proporciona retroalimentación al controlador, que compara la retroalimentación con el valor de destino y ajusta el ángulo de rotación del rotor. La precisión del servomotor está determinada por la precisión del codificador (recuento de líneas).

 

La diferencia funcional entre los servomotores de CA y los servomotores de CC sin escobillas es que los servos de CA son superiores porque usan el control de las ondas sinusoidales, lo que resulta en una ondulación de baja par. Los servos de DC usan control de onda trapezoidal.

 

Comparación de selección de motor de servo

 

Servo Motor de CA

La estructura del estator de un servomotor de CA es esencialmente similar a la de un condensador - dividido único - Motor asíncrono de fase. El estator está equipado con dos devanados, colocados en 90 grados: el devanado de excitación RF, que siempre está conectado al voltaje de CA UF; El devanado de control l, que está conectado al voltaje de la señal de control UC. Por lo tanto, AC Servo Motors también se llaman dos - Servomotores de fase.

 

El rotor de un servomotor de CA es típicamente un tipo de jaula de ardilla -. Sin embargo, para garantizar un amplio rango de regulación de velocidad, características mecánicas lineales, ningún fenómeno de "{2}}} de rotación" y respuesta rápida, el motor del servo debe tener una alta resistencia al rotor y un bajo momento de inercia en comparación con los motores ordinarios. Dos estructuras de rotor de uso común son: una ardilla - rotor de jaulas con altas barras de resistividad - hechas de material conductor de resistividad alto -}. Para reducir el momento de inercia del rotor, el rotor es delgado. El otro es un rotor de copa hueca hecho de aleación de aluminio con una pared muy delgada, solo 0.2-0.3 mm. Para reducir la resistencia magnética del circuito magnético, se coloca un estator interno fijo dentro del rotor de copa hueca. Los rotores de copa hueca ofrecen un momento bajo de inercia, respuesta rápida y operación suave, lo que los hace ampliamente adoptados.

 

Cuando no se aplica un voltaje de control, el estator de un servomotor de CA está sujeto solo al campo magnético pulsante generado por el devanado de excitación, y el rotor permanece estacionaria. Cuando se aplica un voltaje de control, se genera un campo magnético giratorio dentro del estator, lo que hace que el rotor gire en la dirección del campo magnético giratorio. En condiciones de carga constante, la velocidad del motor varía con la magnitud del voltaje de control. Cuando el voltaje de control está fuera de fase, el servomotor se invierte.

 

Motor de servomotor de AC por imán permanente

 

Desde la década de 1980, con el desarrollo de circuitos integrados, tecnología de electrónica de potencia y tecnología de accionamiento de velocidad variable de CA, la tecnología de accionamiento de AC Magnet Permanent ha hecho un progreso sobresaliente. Los famosos fabricantes eléctricos en varios países han lanzado sucesivamente sus propios productos AC servo Motor and Servo Drive Series y los han mejorado y actualizado continuamente. AC Servo System se ha convertido en la principal dirección de desarrollo del sistema de servo de rendimiento contemporáneo High Después de la década de 1990, el Sistema de servo de CA que se ha comercializado en varios países del mundo utiliza un servomoto de motor de onda sinusoidal totalmente controlado digitalmente. El desarrollo de dispositivos de accionamiento de servo de CA en el campo de transmisión está cambiando con cada día que pasa.

 

En comparación con DC Servo Motors, las principales ventajas de los servomotores de AC Magnet permanente son:

(1) No hay cepillos y conmutadores, por lo que funciona de manera confiable y tiene bajos requisitos de mantenimiento y servicio.

(2) La disipación de calor del devanado del estator es relativamente conveniente

(3) inercia pequeña, fácil de mejorar la velocidad del sistema

(4) Adaptar a alta velocidad -} y condiciones de trabajo de par -}

(5) Volumen y peso más pequeños a la misma potencia

 

Comparación entre servomotores y motores asíncronos de fase -}

 

Aunque el principio operativo de los servomotores de CA es similar al de la fase Split - única - fase motores asíncronos, la resistencia al rotor de los servomotores es mucho mayor. Por lo tanto, los servomotores tienen tres ventajas distintas sobre motores asíncronos de fase -} individuales:

 

1. Alto par inicial

Esta alta resistencia al rotor difiere significativamente de la curva característica del par de los motores asincrónicos ordinarios. Esto permite que el deslizamiento crítico S0 sea mayor que 1, lo que hace que la característica del torque (características mecánicas) sea más lineal y proporciona un par inicial más alto. Por lo tanto, tan pronto como se aplica el voltaje de control del estator, el rotor gira inmediatamente, lo que resulta en un inicio rápido y una alta sensibilidad.

2. Amplio rango operativo

3. Sin rotación -

 

Un servomotor operativo normalmente se detendrá inmediatamente después de la pérdida de voltaje de control. Cuando un motor de servo pierde el voltaje de control, funciona en un solo estado de fase -}. Debido a la alta resistencia al rotor, la interacción entre los dos campos magnéticos giratorios opuestos en el estator y el rotor produce dos características de torque (T1 -} curvas S1 y T2-S2) y una característica de torque combinada (curva TS).

 

La potencia de salida de un servomotor de aire acondicionado generalmente varía de 0.1 a 100W. Cuando la frecuencia de la fuente de alimentación es de 50Hz, los voltajes son 36V, 110V, 220V y 380V; Cuando la frecuencia de la fuente de alimentación es de 400Hz, los voltajes son de 20V, 26V, 36V y 115V.

 

Los servomotores de CA funcionan suavemente y en silencio. Sin embargo, sus características de control no son lineales, y debido a la alta resistencia al rotor, las pérdidas son altas y la eficiencia es baja. Por lo tanto, en comparación con los servomotores de CC de la misma capacidad, son más grandes y más pesados, lo que los hace adecuados solo para sistemas de control de potencia - bajos en el rango de 0.5-100W.

 

Método de depuración de servomotor

 

1. Inicialización de parámetros

Antes del cableado, inicialice los parámetros.
En la tarjeta de control: seleccione el modo de control; Borre los parámetros PID a cero, deshabilitando la señal de habilitación de forma predeterminada cuando la tarjeta de control está encendida; Guarde este estado para asegurarse de que la tarjeta de control esté en este estado cuando se enciende nuevamente.
En el servomotor: configure el modo de control: habilitar externamente; Establezca la relación de engranaje para la salida de la señal del codificador; y establezca la relación entre la señal de control y la velocidad del motor. En términos generales, se recomienda que la velocidad de diseño máxima del servo se ajuste a un voltaje de control de 9V. Por ejemplo, una de nuestras series tiene una configuración de velocidad de 500 para un voltaje de 1V. Si solo planea operar el motor a velocidades inferiores a 1000 rpm, configure este parámetro en 111.

 

2. Cableado
Desconecte la tarjeta de control y conecte los cables de señal entre la tarjeta de control y el servo. Se requieren los siguientes cables: el cable de salida analógico de la tarjeta de control, el cable de señal de habilitación y el cable de señal del codificador de la salida de servo. Después de verificar el cableado, alimente el motor y la tarjeta de control (y la PC). El motor no debe moverse y debe girar fácilmente con la fuerza. Si no, verifique la configuración de la señal de habilitación y el cableado. Gire el motor para verificar que la tarjeta de control pueda detectar correctamente los cambios en la posición del motor. Si no, verifique el cableado y la configuración de la señal del codificador.

 

3. Dirección de prueba
Para un sistema de control de bucle - cerrado, la dirección de señal de retroalimentación incorrecta puede ser desastrosa. Habilite la señal de habilitación de servo a través de la tarjeta de control. El servo ahora debería girar a una velocidad más lenta, conocida como "deriva cero". La tarjeta de control generalmente incluye un comando o parámetro para suprimir la deriva cero. Use este comando o parámetro para probar si la velocidad y la dirección del motor se pueden controlar. Si no, verifique la configuración del parámetro de método de cableado y control analógico. Asegúrese de que los valores positivos indiquen la rotación del motor directo y los recuentos de codificadores aumenten, mientras que los valores negativos indican la rotación inversa del motor y los recuentos de codificadores disminuyen. No use este método si el motor está cargado y tiene un viaje limitado. Evite el voltaje excesivo durante la prueba; Se recomienda mantenerlo por debajo de 1V. Si la dirección es inconsistente, ajuste los parámetros en la tarjeta de control o el motor para alinearse.

 

4. Supresión de deriva cero
Durante el control de bucle cerrado -, cero la deriva puede afectar la efectividad del control, por lo que es mejor suprimirlo. Use los parámetros de supresión de deriva cero en la tarjeta de control o servidor para ajustar cuidadosamente la velocidad del motor a casi cero. Dado que la deriva cero en sí tiene cierta aleatoriedad, no es necesario requerir que la velocidad del motor sea absolutamente cero.

 

5. Establecer control de bucle cerrado -
RE - Habilitar la señal de Actitud de servo a través de la tarjeta de control. Ingrese una pequeña ganancia proporcional en la tarjeta de control. En cuanto a lo grande que se considera pequeño, solo puede usar su instinto. Si realmente no está seguro, ingrese el valor mínimo permitido por la tarjeta de control. Encienda las señales de habilitación tanto para la tarjeta de control como para el servo. En este punto, el motor debería poder seguir aproximadamente los comandos de movimiento.

 

6. Ajuste los parámetros de bucle cerrados -
Ajustar finamente los parámetros de control para garantizar que el motor se mueva de acuerdo con las instrucciones de la tarjeta de control sea esencial, y esta parte del proceso depende en gran medida de la experiencia.

 

Comparación de rendimiento de servomotores y motores paso a paso

 

Como un sistema de control de bucle Open -, los motores paso a paso están intrínsecamente vinculados a la tecnología de control digital moderna. Los motores paso a paso son ampliamente utilizados en los sistemas de control digital doméstico. Con el advenimiento de los servomotores de CA completamente digitales, los servomotores de CA también se utilizan cada vez más en los sistemas de control digital. Para adaptarse a la tendencia de desarrollo del control digital, los sistemas de control de movimiento utilizan principalmente motores paso a paso o servomotores de CA completamente digitales como motores de actuador. Aunque sus métodos de control son similares (señales de trenes de pulso y dirección), difieren significativamente en los escenarios de rendimiento y aplicación. Este documento compara su rendimiento.

 

1. Diferente precisión de control
Los ángulos de paso de dos motores de paso híbrido de fase - híbridos son generalmente 1.8 grados y 0.9 grados, mientras que los de cinco motores de paso híbrido de fase híbridos de cinco {}}} son generalmente 0.72 grados y 0.36 grados. Algunos motores paso a paso de alto rendimiento - pueden lograr ángulos de paso aún más pequeños a través de la subdivisión.

La precisión de control de los servomotores de CA está garantizado por un codificador giratorio en el extremo trasero del eje del motor. Tomando nuestros servomotores de CA digitales como ejemplo, para un motor con un codificador estándar de 2000 líneas, la tecnología de frecuencia cuadruple interna del conductor produce un equivalente de pulso de 360 ​​grados /8000=0.045. Para un motor con un codificador de 17 bits, el conductor recibe 131,072 pulsos por revolución del motor, lo que resulta en un equivalente de pulso de 360 ​​grados /131, 072=0.0027466 grado, que es 1/655 del equivalente de pulso de un motor directo con un ángulo de paso de 1.8 grados.

 

2. Diferentes características de frecuencia -}
Los motores paso a paso son propensos a una vibración de frecuencia baja - a bajas velocidades. La frecuencia de vibración depende de la carga y el rendimiento del controlador, y generalmente se considera que es la mitad de la frecuencia de inicio de carga no - de carga. Esta baja vibración de frecuencia -, determinada por el principio operativo de los motores paso a paso, es perjudicial para el funcionamiento normal de la máquina. Cuando los motores paso a paso funcionan a bajas velocidades, las técnicas de amortiguación generalmente se usan para superar la vibración de frecuencia - baja, como agregar un amortiguador al motor o implementar la tecnología de subdivisión en el controlador.

Los servomotores de CA funcionan muy bien, sin vibración incluso a bajas velocidades. Los sistemas de servo de CA tienen capacidades de supresión de resonancia para abordar las deficiencias de rigidez mecánica. Además, el sistema está construido - en frecuencia - función de resolución (FFT) puede detectar puntos de resonancia mecánica, facilitando los ajustes del sistema.

 

3. Diferentes características de frecuencia -
El par de salida de un motor paso a paso disminuye a medida que aumenta la velocidad y cae bruscamente a velocidades más altas. Por lo tanto, su velocidad de funcionamiento máxima es generalmente entre 300 y 600 rpm. Los servomotores de CA ofrecen salida de par constante, lo que significa que pueden entregar un par nominal hasta su velocidad nominal (típicamente 2000 o 3000 rpm). Por encima de la velocidad nominal, ofrecen potencia constante.

 

4. Diferentes capacidades de sobrecarga.

Los motores paso a paso generalmente carecen de capacidad de sobrecarga. AC Servo Motors, sin embargo, tienen una fuerte capacidad de sobrecarga. Por ejemplo, los sistemas de servo de Sanyo AC ofrecen capacidades de sobrecarga de velocidad y par. Su par máximo es de dos a tres veces el par nominal, que puede usarse para superar el momento de inercia de las cargas de inercia al inicio. Debido a que los motores paso a paso carecen de esta capacidad de sobrecarga, a menudo se requiere un mayor par para superar este momento de inercia durante la selección del modelo. Sin embargo, este alto par no es necesario durante la operación normal de la máquina, lo que resulta en un par desperdiciado.

 

5. Diferente rendimiento operativo
Los motores paso a paso están abiertos - bucle controlado. Las altas frecuencias iniciales o las cargas excesivas pueden conducir fácilmente a pasos o estancamientos perdidos. Las altas velocidades durante la detención también pueden causar un sobreimpulso. Por lo tanto, para garantizar la precisión del control, se debe abordar la aceleración y desaceleración adecuadas. AC Servo Drive Systems utilizan control de bucle cerrado -. El controlador muestra directamente la señal de retroalimentación del codificador del motor, formando internamente un bucle de posición y un bucle de velocidad. Esto generalmente evita los pasos perdidos o el sobreimpulso asociado con los motores paso a paso, lo que resulta en un rendimiento de control más confiable.

 

6. rendimiento de respuesta de velocidad diferente
Un motor paso a paso lleva entre 200 y 400 milisegundos para acelerar de una parada a su velocidad de funcionamiento (generalmente varios cientos de revoluciones por minuto). AC Servo Systems ofrece un rendimiento de aceleración superior. Por ejemplo, nuestros servomotores de CA aceleran de un punto muerto a su velocidad nominal de 3000 rpm en solo unos pocos milisegundos, lo que los hace adecuados para aplicaciones de control que requieren tiempos de inicio y parada rápidos.

En resumen, los servomotores AC superan a los motores paso a paso en muchos aspectos de rendimiento. Sin embargo, los motores paso a paso a menudo se usan como motores de actuador en aplicaciones menos exigentes. Por lo tanto, al diseñar un sistema de control, es importante considerar exhaustivamente múltiples factores, incluidos los requisitos de control y el costo, para seleccionar el motor de control apropiado.

 

Cálculo de selección de servomotores

 

1. Confirme la velocidad y la resolución del codificador.
2. Convierta el par de carga en el eje del motor y calcule el par de aceleración y desaceleración.
3. Calcule la inercia de la carga y coincida con la inercia. Por ejemplo, en nuestra serie, algunos productos pueden igualar la inercia hasta 50 veces, pero cuanto más bajo, mejor, mejor para la precisión y la velocidad de respuesta.
4. Calcule y seleccione la resistencia regenerativa. Para servos superiores a 2 kW, generalmente se requiere una resistencia externa.
5. Selección de cable: el cable del codificador debe retorcerse y protegerse. Para nuestros productos, el codificador absoluto tiene 6 núcleos, y el codificador incremental tiene 4 núcleos.

 

Modo de frenado

 

Los usuarios a menudo confunden las funciones del frenado electromagnético, el frenado regenerativo y el frenado dinámico, y eligen los accesorios incorrectos.

El freno dinámico está compuesto por una resistencia de frenado dinámico, que acorta la distancia de alimentación mecánica del servomotor a través del frenado del consumo de energía en caso de falla, parada de emergencia o corte de energía.

El frenado regenerativo se refiere a la energía generada por el servomotor cuando se desacelera o se detiene, que se vuelve a encender al bus de CC a través del circuito del inversor y absorbido por el circuito del condensador de resistencia -.

 

El frenado electromagnético bloquea el eje del motor a través de un dispositivo mecánico.

 

Las diferencias entre los tres:

(1) El frenado regenerativo debe ser efectivo cuando el servo funciona normalmente. No puede frenar el motor en caso de falla, parada de emergencia o corte de energía. Los frenos dinámicos y los frenos electromagnéticos no requieren energía cuando están trabajando.

(2) El frenado regenerativo es realizado automáticamente por el sistema, mientras que los frenos dinámicos y los frenos electromagnéticos requieren un control de retransmisión externo.

(3) El frenado electromagnético generalmente se activa después de Svoff, de lo contrario puede causar una sobrecarga del amplificador. Los frenos dinámicos generalmente se activan después de SV, OFF, o el circuito principal está apagado, de lo contrario puede causar la resistencia dinámica del freno al sobrecalentamiento.