108 подписчиков

Разработка технологии сверхбыстрого контура тока

7 августа 20237 авг 2023

5 мин

Оглавление

Другие новости категории
Применение винтовых домкратов ZIMM

Разработка технологии сверхбыстрого контура тока

В этой статье будет рассмотрена эволюция сервоприводов, приведшая к разработке технологии сверхбыстрого контура тока, подобной той, что используется в ряде сервоприводов Inovance.

Автор: Энцо Стампаккья, Inovance Technology, Италия (By Enzo Stampacchia, Inovance Technology, Italy)

Сервоприводы эволюционировали на протяжении десятилетий, и многие из них теперь оснащены технологией сверхбыстрого контура тока в результате ряда технологических достижений.

Эволюция технологии сервоприводов привела к разработке технологии сверхбыстрого контура тока, которая обеспечивает лучшее управление серводвигателями за счет обеспечения почти мгновенной обратной связи, улучшения пропускной способности контура управления током и увеличения скорости и возможностей позиционирования. Для достижения этой цели был проведен ряд важных разработок, не в последнюю очередь усовершенствованы силовые транзисторы, которые позволили разработчикам приводов создавать продукты, соответствующие "правилу номер 10" - эмпирическому закону, относящемуся к трем контурам управления сервоприводом.

Эволюция сервоприводов

Сверхбыстрый контур тока представляет собой следующее поколение технологии сервоприводов и является частью долгой истории инноваций, восходящей к тому времени, когда более полувека назад были разработаны сервоприводы для промышленного применения. Когда впервые появились станки с компьютерным управлением (ЧПУ), единственными силовыми полупроводниками способными управлять током, необходимым для приведения в действие серводвигателей, были тиристоры. В то время мощность каскада контура тока была ограничена использованием частотой тиристорной технологии - до 25-30 Гц.

Источник: Силовой тиристор и его применение, Дэвид Финни

Хорошо известным эмпирическим законом для управления тремя контурами сервопривода (положением, скоростью и током) является так называемое "правило № 10". Таким образом, цикл скорости должен выполняться в 10 раз быстрее, чем цикл положения, а цикл тока должен выполняться в 10 раз быстрее, чем цикл скорости. Если учесть, что частота контура тока тиристора была ограничена частотой 25-30 Гц, то контур положения был бы ограничен 0,3 Гц, что означает коэффициент усиления контура положения Kp, равный 0,3 x 2 x π = 1,9. Это слишком медленно, и поэтому изначально разработчики приводов рассчитывали, в лучшем случае, на коэффициент усиления положения Kp, равный около 10 (1,6 Гц).

Из-за ограничений, накладываемых тиристорами на каскад питания токового контура, от "правила номер 10" отказались, и разработчики приводов использовали все возможные методы, чтобы получить лучший отклик от внутренних контуров скорости и положения.
Это означало сложную настройку параметров, нелинейности и сложное управление осью; все это делало создание сервопривода и его настройку сложной задачей. За этим последовала долгая промежуточная история усовершенствований силовых полупроводниковых устройств, таких как силовые транзисторы и IGBT.
В прошлом, управление двигателем, осуществлялось с помощью аналоговых приводов, затем - гибридных (смесь аналогового и цифрового), затем - полностью цифрового управления, в результате существенного повышения производительности и снижения стоимости микроконтроллеров.

Разработки в области технологии серводвигателей

В настоящее время технология серводвигателей сильно изменилась; начиная с первого поколения электродвигателей постоянного тока с проволочной обмоткой, до электродвигателей постоянного тока с щетками на постоянных магнитах и далее, до высокопроизводительных бесщеточных двигателей переменного тока с постоянными магнитами.
Появление железно-неодимового постоянного магнита стало большим скачком вперед в разработке серводвигателей.
И последнее, но не менее важное: преобразователи частоты (частотные преобразователи). В прошлом, для регулировки скорости, использовались сервоприводы, а преобразователем обратной связи служил аналоговый тахогенератор с щеткой. Замыкание контура позиционирования первоначально осуществлялось контроллером ЧПУ, затем, позже, контроллером ЧПУ с датчиком в виде магнитного преобразователя или оптического энкодера.

С внедрением бесщеточной технологии для управления сервоприводом можно было бы использовать датчик положения, установленный на двигателе. За этим последовал оптический энкодер, который изначально был непригоден для работы в условиях высоких температур. Методы интерполяции SIN-COS сделали оптический энкодер более надежным и способным выдавать обратную связь с очень высоким разрешением по положению (много миллионов отсчетов на оборот), что позволило ему не отставать от контроллера текущего контура.

Стремление к соблюдению правила 10

Философский подход, которого придерживались все сервокомпании (разработчики и производители сервоприводов) и который следовал из теории управления сервоприводом, заключался в выполнении "правила номер 10", особенно для двух внутренних контуров: контура скорости и контура тока.
Увеличение коэффициента усиления контура скорости позволяет сервоприводу работать быстрее, с более высокой динамикой движения, уменьшением ошибок при отслеживании траектории и большей точностью при установлении положения "точка-точка". Результатом отраслевых исследований и разработок в этой области стало значительное улучшение частотной полосы в сервоприводах последнего поколения.

Компания Inovance, достигнув этой цели для высокоскоростного цикла с высокой пропускной способностью, увеличила свои усилия по соблюдению "правила №10" в текущем цикле производства. Результатом стал проект по созданию сверхбыстрого контура тока. Достигнутая производительность была превосходной, с высокой степенью линейности и полностью предсказуемой в соответствии с теорией сервоприводов, с отсутствием нелинейностей, простоев и задержек.