Zadania układu regulacji automatycznej serwonapędu
I. Utrzymywać zadaną wartość prędkości obrotowej lub realizować zadaną trajektorię
położenia
Praca dla zadanej prędkości
Praca dla zadanego przemieszczenia
v
0
t=0 t
p
t
x
0
x
k
x
p
t=0 t
p
t
k
t
t=0 t
p1
t
p2
t
k1
t
k2
t
t=0 t
p1
t
p2
t
k1
t
k2
t
v
0
a
0
a
s
a
h
M
e
t
M
e
t
I
dop
I
dop
Układy regulacji automatycznej (prędkości i położenia) w serwona-
pędach
Najprostsza struktura z silnikiem prądu stałego (lub falownikiem i silni-
kiem klatkowym)
(sprzężenie zwrotne o d prędkości zastąpiono pomiarem napięcia na silniku)
st
u
st
p
sz
u
k
u
U
k
u
u
,
0
Odchyłka regulacji prędkości w stanie ustalonym
)
(
2
p
u
w
t
wzb
obc
k
k
R
R
c
M
n
Bez sprzężenia mamy istotny wpływ R
w
, tzn.
)
(
2
w
t
wzb
obc
R
R
c
M
n
Ze sprzężeniem k
u
-->
możemy uzyskać
t
wzb
obc
R
c
M
n
2
niezależność od rezystancji źródła, istotne przy słabym pod względem mocy źródle
Regulator
Sterownik
(zasilacz)
Silnik
Przetwornik
, x
, x
Układ
formuj
ący
x
0
,
0
-
Regulator
napięciowy
k
u
Zasilacz
sterowany
E
z
R
w
u
0
I
t
wzb
+
U
st
R
1
R
t
-
k
p
u
sz
R
2
Sprzężenie prędkościowe
Odchyłka regulacji w stanie ustalonym
)
(
2
p
u
TG
w
t
wzb
obc
k
k
k
R
R
c
M
n
Regulacja z nadzorowaniem wartości prądu (momentu obciążenia)
W zakresie zmiany prądu I
t
<0, I
max
> nie występuje reakcja regulatora prądu
M
n
sprzężenie prędkościowe
ch-tyka naturalna (R
w
= 0)
sprzężenie napięciowe
bez sprzężenia
Regulator
napięciowy
k
u
Zasilacz
sterowany
E
z
R
w
u
0
I
t
wzb
+
U
st
R
t
-
k
p
u
TG
TG
k
TG
Regulator
napięciowy
k
u
Zasilacz
sterowany
E
z
R
w
I
t
wzb
-
u
TG
+ u
0
U
st
R
t
k
p
TG
I
max
-I
t
k
TG
Regulator
prądu k
I
Układy regulacji automatycznej dla silników indukcyjnych
Regulacja prędkości obrotowej z nadzorowaniem prądu stojana
M
obc
n
TG
U
st
f
S
Przekroczenie wartości momentu powoduje zmniejszenia wartości
S
i
zmniejszenie wartości obrotów wirnika aż do zatrzymania
k’
RI
>
k”
RI
n
M
I
t
< I
max
==> U
RI
= 0
I
t
> I
max
==> U
RI
> 0
Ponieważ M
e
~ I
t
to jest to
również kontrola momentu
maksymalnego (np.
sprawdzenie zablokowania
wału)
Regulator
częstotliwości
k
u
Falownik
sterowany
-
u
TG
+ u
0
U
st
f
s
TG
I
max
-I
S
k
TG
Regulator
prądu k
RI
k’
RI
n
M
Właściwe sterowanie prędkością i momentem (z nadzorowaniem prądu)
Sterowanie wektorowe
(wektorem pola magnetycznego stojana)
W silniku indukcyjnym
musi być pewien poślizg, bo inaczej nie wystąpi
SEM wytwarzająca strumień wirnika (przy normalnej pracy silnikowej), a
zatem s>0, tzn. przy
S
W
<
S
M ~
S
W
Jeżeli musimy zmieniać w istotny sposób (znacznie!, np. 50 – 100%)
moment to wtedy:
1.
wyraźnie wpierw zmniejszyłaby się prędkość wirnika i s
s>0,
2. wzrasta SEM wirnika
, I
W
oraz
W
, zaczyna być kompen-
sowany zwiększony moment obciążenia,
3.
następnie układ pomiarowy obserwuje odchyłkę prędkości i za-
czyna zwiększać
S
tak by przyspieszyć pole wirowania i nad-
gonić poślizg
s,
S
ale, wtedy wraz ze wzrostem
W
zaczyna
maleć SEM wirnika i znowu należy zwiększyć
S
.
4.
Nowy stan się ustali przy nowej wartości
S
ale stan nieustalony
będzie dość długi i w efekcie
W silniku beszczotkowym
gwałtowna zmiana momentu obciążenia po-
wyżej wartości dysponowanej przez układ zasilania powoduje że:
1.
halotrony systemu nadążania za wirnikiem obserwują wolniejszy
obrót wirnika i nie komutują następnych sekcji uzwojenia stoja-
na, tzn. nie ciągną równie szybko wirnika za sobą i pole stojana
zwalnia,
2.
Następuje rozchylenie wektorów pól magnetycznych stojana i
wirnika, zwiększa się moment elektromagnetyczny na wale,
3.
Układ pomiaru prędkości sygnalizuje odchyłkę i układ regulacji
obrotów zaczyna tę odchyłkę kompensować przy zwiększonym
prądzie stojana,
W efekcie: długi stan nieustalony – zmniejszenia obrotów wirnika
t
n [obr/min]
M
obc
Idea zapobiegania: przy obserwacji odchyłki prędkości powodowanej
zmienionym obciążeniem należy próbować sterować wektorem pola ma-
gnetycznego a nie wartością prędkości wirowania pola,
tzn.
I. Gdy
s >0 należy zwiększyć strumień pola magnetycznego
S
,
i wtedy SEM wirnika (d/dt
S
sin (
...) )
oraz I
W
oraz
W
i na-
stępuje natychmiastowa reakcja w formie zwiększenia momentu M
~
S
W
i to w obu czynnikach (!),
II. W silniku bezszczotkowym gdy obserwowana jest odchyłka
prędkości obrotowej nie powodowana zadaną zmianą prędkości
obrotowej wówczas następuje szybka reakcja obwodu sterującego
i gwałtowne zwiększenie wartości napięcia podawanej na stojan
s
ilnika co powoduje zwiększenie pola
S
oraz zwiększenie M
em
.
Sterowniki silników bezszczotkowych są dostosowane do dużych,
chwilowych zmian (przeciążeń) do 400% wartości nominalnej prą-
du stojana (!). I tu również sterowany jest wektor pola magnetycz-
nego.
Regulator
częstotli-
wości
k
u
Falownik
sterowany
k
TG
Ogranicznik
momentu
k
RI
Prostownik
sterowany
Zmiana poziomu napięcia,
M ~ U
2
nadzorowanie prądu I
S
M
max
Określenie częstotli-
wości falownika f
S
n
0
S
Regulacja poziomu napięcia generowa-
nego w uzwojeniach stojana
Silniki krokowe (silnik magneto-elektryczny)
Zasilanie faz a-x :
M= - M
nom
sin (
)
b-y :
M= - M
nom
sin (
-
/2)
ax
– by: M= -
2
M
nom
sin (
-
/4)
Silniki reluktancyjne
Silniki hybrydowe (wirniki pazurowe tworzą zespół magnesów trwałych)
M
N
S
b
a
x
b
Zmiana położenia o
/10 przy wyste-
rowaniu kolejnej fazy uzwojenia wirnika
– zapewnia dużą liczbę kroków na jeden
obrót, tzn. dużą rozdzielczość np. pozy-
cjonowania. Stosowane liczby kroków na
1 obrót: 70 - 1000
Duża f
gr
, f
synchr
Mały M
nom
Wirniki są przesunięte względem sie-
bie o niewielki kąt i wtedy wystero-
wanie kolejnej fazy dla stojana powo-
duje niewielki skok i przy trzech wir-
nikach można uzyskać 3 x więcej kro-
ków na obrót
Duża f
gr
, f
synchr
Zwiększony M
nom
N
S
N
S
N
S
Sterowanie komutatorem (
wysterowane pojedyncze fazy
)
Wysterowane po dwie fazy
Wysterowane po dwie fazy
– krok zmniejszony
Silnik 4 fazowy (standard)
– sterowanie 1 skok co
/4, zasilanie +,0
A (dwa nabiegun-
niki na fazę)
skok co
/2
B B zasilanie + -
A
A A A A A
B B B B
A (dwa nabiegun-
niki na fazę)
skok co
/2
B B zasilanie + -
zwiększony
moment – 2 fazy
A
A
A A A A A A A A
B B B B B B B B
A (dwa nabiegun-
niki na fazę)
skok co
/4
D B zasilanie + 0
zwiększony
moment – 2 fazy
C
A
B
C
D
Q1
Q2
f
Charakterystyki silnika krokowego
Silnik hybrydowy, 3.5 kg (!)
125 W, 120 imp/obrót
Prędkość graniczna 240 obr/min
Sprawność
=0.12
Mały silnik hybrydowy Mikroma FA 161
Liczba faz: 4, skok 7.5
o
, napięcie 24V, prąd znam. 0.5A,
Moment maks: 24 mNm, moment rozruch. 16 mNm,
f rozruch. 267 Hz, f synchr. 330 Hz
masa 150 g,
Moc na wale:? P
me
=
* M (267* 2
/ 48) * 0.024 N = 0.84W
P
el
= 12 W
= 0.84/12 = 0.07 (!)
Nm
ch-tyka synchroniczna
1.6
ch-tyka rozruchowa
1.2
0.8
0.4
0 50 100 150 200 250 300
Forsowanie działania silnika krokowego (przyspieszenie reakcji –
zwiększenie częstotliwości pracy)
Komutacja silnika krokowego
Schemat realizacji forsowania dla 4 faz
I
f
U
n
I
f
U
n
R
f
L
f
T
f
= L
f
/ R
f
t
Układ ster. i
komutatora
k U
n
k U
n
I
f
T
f
= L
f
/ R
f
U
b
D D
t
T
f
’
= T
f
/ k
Układ ste-
rujący i
komutator
D
t
R
b
D
A
D
C
T
A
T
C
D’ A A’ B B’ C C’ D
T
D
D
B
T
B
D
D
I
f
I
g
I
sr
I
d
T
A
D
A
t [
s]
Silnik hybrydowy Mikroma FA 161
Liczba faz: 4, skok 7.5
o
, napięcie 24V, prąd znam. 0.5A,
Moment maks: 24 mNm, moment rozruch. 16 mNm,
f rozruch. 267 Hz, masa 150 g,
Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi
Stojan trójfazowy p = 2, 4 mały wirnik dla p=2 wirnik dla
p=2 (
N
S
)
Rozruch silnika może następować jak rozruch silnika klatkowego,
a po uzyskaniu prędkości bliskiej synchronicznej silnik wchodzi w bieg
synchroniczny z polem stojana
Przykładowy mały silnik 1 FT5 034 (komutator elektroniczny)
M
n
= 0.6 Nm
n = 2000 obr/min
J=0.62 10
-4
kg m
2
I
n
= 1.6 A
P
n
= 0.13 kW = 130 W
masa 230 g,
Miniaturowe silniki bezszczotkowe BLDC
prądu stałego firmy Portescap.
Tradycyjne silniki stałoprądowe wyposażone w komutator wykorzystują
pole magnetyczne powstające w uzwojeniach wirnika , obracającego
się wraz z komutatorem który zapewnia załączanie odpowiednich
pasm uzwojeń wirnika. Magnesy trwałe są wbudowane w stojan.
We współczesnych silnikach typu BLDC wirnik stanowią magnesy
trwa
łe, a uzwojenia są częścią stojana, a komutacja odbywa się elek-
tronicznie, a nie jak w tradycyjnych silnikach, mechanicznie z udziałem
komutatora i szczot
ek, które są elementami podatnymi na awarie i w
trudnych warunkach pracy mogą ulec awarii. Również w silnikach
osiągających prędkości powyżej 10000 obr/min, szybkość zużywania
się komutatorów mechanicznych uniemożliwia ich praktyczne stoso-
wanie i właśnie wówczas znajdują zastosowanie silniki bezszczotkowe
z komutacją elektroniczną.
Silniki bezszczotkowe są bezawaryjne, a ich żywotność bardziej ogra-
niczona jest z trwałością łożysk niż elementów sterujących
Położenie wirnika jest kontrolowane przez tranzystory mocy komutato-
ra. Inne proponowane metody kontroli położenia wirnika to wbudowa-
nie czujnika Halla, lub zewnęczne enkodery czy resolwery , które cha-
rakteryzuje duża rozdzielczość pomiarów .
Przegląd małych maszyn na przykładzie danych Firmy Portescap
Podlegających dużym rożnicą pręd-
kości i obciążenia
i prądu stałego (DC) Portescap o małej bezwładności wirnika z enko-
Silniki wykonane są w technologii bezżelazowych wirni-
ków. Utworzony ze skośnych zwojów, pole magnetyczne
wzbudzają magnesy AlNiCo lub z ziem rzadkich, komuta-
cja przy pomocy szczotek z metali szlachetnych lub w
ę-
glowych.
Maksymalny znamionowy ciągły moment od 0,96 do 115
mNm, wysoki moment szczytowy (pik). Zakres prędkości
znamionowej do 12 000 obr/min, zakres mocy ciągłej od
0,5 do 90 W. Wysokie przyspieszenie, krótkie mechanicz-
ne st
ałe czasowe, niska rezystancja styku zapewniająca
niskie napi
ęcie startu. Zakres wielkości od 8 do 35 mm.
Zintegrowane magnetyczne enkodery. Enkodery optyczne
do 500 impul
sów (obrót wielkości 22 mm).
Zastosowania: Sprzęt medyczny, pompy, automatyka
e Portescap o małej bezwładności wirni-
Silniki wykonane są w technologii dysku magnetycznego z
magnesami wysokoenergetycznymi ziem rzadkich.
Moment trzymający od 1,85 mNm do 1,06 Nm.
Wysoki stosunek moc/objętość.
Wysoka dokładność kątowa w trybie mikroskokowym (nie
ma sprzężeń między fazami). Bardzo wysokie przyspiesze-
nia do
265 000
rad/s2.
Niskie straty w żelazie dla wysokich prędkości (10 000 sko-
ków/s).
Zastosowania: Włókiennictwo, automatyka, zabezpie-
czenie dostępu
Silniki, w których stosowane są magnesy AlNiCo lub z ziem
rzadkich zapewniają wysoki stosunek mocy/objętości.
Maksymalny ciągły moment od 1,2 mNm do 25,8 mNm.
Prędkość obrotowa do
76000 obr/min
. Maksymalna ciągła moc
od 2W do
30W
. Możliwe jest otrzymanie silnika z czujnikiem hal-
lotro
nowym lub bez. Wielkość silnika od
10 do 33 mm.
Wysoki
MTBF (czas do wystąpienia pierwszego uszkodzenia) przy zna-
mionowym obciążeniu:
30 000 godzin przy 10 000 obr/min
.
Zastosowania: Narzędzia ręczne, pompy, wentylatory
ktory i przekładnie Portescap.
Wykonane w technologii przekładni zębatej lub planetar-
nej.
Duży zakres momentu dynamicznego od
12 mNm do 10
Nm
.
Dostępna duża ilość przekładni. Mechaniczne części do-
bierane tak aby zapewnić niski akceptowalny poziom ha-
łasu. Przekładnie specjalne.
Średnica od 10 do 40 mm.
Silniki skokowe hybrydowe DPM.
Moment trzymający od 40 mNm do
30 Nm
.
Zakres wielkości od ø 28 do 111 mm.
Bardzo dobry stosunek jakość/cena.
Zastosowania: Sprzęt mechatroniczny, pompy, automa-
tyka
Wykonane w technologii stojącej. Magnesy z ziem rzadkich .
Maksymalny ciągły moment od 100 mNm do 400 mNm.
Prędkość obrotowa do 4 000 obr/min.
Maksymalna ciągła moc od 40 do 250 W.
Średnica 57 mm z różnymi długościami.
Sprzężenie zwrotne przy pomocy czujnika hallotronowego.
Zastosowania:
serwonapędy
.
Pomiar prędkości obrotowej oraz położenia wału maszyny
1.
Prądnica komutatorowa
2.
Prądnica synchroniczna
Mostek tachometryczny (bez prądnicy !!) dla silnika prądu stałego
N
S
U = k
R
obc
N
S
U = I
2
(R
t
+R
3
) + C
1
U = I
1
(R
1
+R
2
)
U
wy
= C
1
R1/(R
1
+R
2
) +
+ I
2
(R
1
R
t
– R
2
R
3
) /(R
1
+R
2
)
0
U
wy
=
[C
1
R1/(R
1
+R
2
)]
U
wy
=
K
tach
R
t
R
2
U U
wy
R
3
R
4
I
2
I
1
Układ impulsowy
Początkowy kierunek obrotów przeciwny kierunek obrotów
Resolwer
U
1
2 ciągi pasków
U
2
U
1
t
U
1
t
U
2
t
U
2
t
U
wy
t
U
wy
t
Na zaciski uzwojenia wirnika podawane jest
napięcie zmienne U
0
, które indukuje w
uzwojeniach stojana napięcia u
1
i u
2
. W
trakcie obrotu wirnika napięcia zmienne są
mierzone i pozwalają określić:
1.
poprzez liczbę pełnych sinusoid zmien-
ności – liczbę pełnych obrotów,
2.
poprzez wartość chwilową
aktualny kąt obrotu z dokładnością 20”
U
0