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

Silnik

i prądu stałego (DC) Portescap o małej bezwładności wirnika z enko-

derem.

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

Silniki skokow

e Portescap o małej bezwładności wirni-

ka.

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

Bezszczotkowe

mikrosilniki

Portescap.

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

Motoredu

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

Silniki bezszczo

tkowe (serwonapędy).

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