- Инженерная методика выбора компонентов сервопривода фирмы SEW-EURODRIVE
- Введение
- Блок 1. Необходимая информация о приводном механизме
- Блок 2. Расчет параметров привода
- Блок 3. Выбор редуктора
- Блок 5. Выбор двигателя, исходя из данных нагрузки
- Блок 7. Проверка выполнимости всех условий
- Выводы
- Список литературы
Инженерная методика выбора компонентов сервопривода фирмы SEW-EURODRIVE
Фирма SEW-EURODRIVE за свою 75-летнюю историю прошла большой путь развития. Из семейного предприятия по производству электродвигателей она превратилась в одну из лидирующих мировых корпораций в области электроприводной техники. Штаб-квартира фирмы, научно-исследовательский центр, конструкторские бюро и производство электроники расположены на юге Германии, в городе Брухзале. Заводы по выпуску комплектующих для электромеханических приводов находятся в ФРГ, Франции, США и Бразилии. Сборка приводов из готовых компонентов ведется на 58 предприятиях по всему миру, в том числе и в России.
Богатый ассортимент продукции, высокое качество, короткие сроки поставки и сервис по всему миру делают SEW-EURODRIVE идеальным партнёром для предприятий, применяющих приводные системы различного назначения. Важную часть в производственной программе SEW-EURODRIVE занимают сервоприводы. Фирма разрабатывает и производит синхронные и асинхронные серводвигатели, линейные двигатели, низколюфтовые редукторы для сервоприводов. Следует отметить такие компоненты, как компактные и экономичные мотор-редукторы, состоящие из серводвигателей и редукторов стандартного исполнения.
SEW-EURODRIVE поставляет как отдельные компоненты, так и комплектные сервоприводы с полным набором дополнительного оборудования и аксессуаров.
Введение
Данная публикация является продолжением статьи о сервоприводах фирмы SEW-EURODRIVE. Пристальное внимание уделено основам практического выбора компонентов сервопривода: двигатели, редукторы, приводные преобразователи и опции к ним.
Сервопривод с синхронным двигателем с постоянными магнитами на роторе в последнее время занимает ведущие роли в автоматизации производства и отвоевывает позиции у приводов, основанных на двигателях постоянного тока.
Современные алгоритмы регулирования и более совершенные серводвигатели позволяют сервоприводу добиваться статических и динамических характеристик, свойственных ранее только приводам с двигателями постоянного тока.
Перед разработчиками автоматизированных систем встает задача по подбору компонентов сервопривода: непосредственно двигателя зачастую с понижающим редуктором, интеллектуального управляющего устройства — приводного преобразователя с опциями, устройств визуализации и управления всей системой — операторской панели и контроллера.
Представление методики по выбору компонентов и есть, по мнению авторов, основная цель статьи. Любой алгоритм, связанный с поиском решения, всегда содержит исходные данные для проектирования и постановку задачи — конечного результата, которого необходимо достичь. Таким образом, разработчик, проходя этап за этапом, приближается к подбору оптимально согласованных компонентов.
Структура из семи блоков, поясняющая выбор компонентов, представлена на рисунке 1.
Существенные аспекты, влияющие на правильность выбора, объяснены в методике более подробно, кратко упоминаются лишь те из них, которые не вызывают трудностей с пониманием и реализацией.
Блок 1. Необходимая информация о приводном механизме
Как правило, разработчик имеет сформулированную задачу, описывающую принцип действия, желаемые параметры, производительность конструируемой системы или механизма.
Можно выделить несколько массивов исходных данных:
- Требования технологии: масса груза и исполнительных элементов, требуемая скорость движения, время, отведенное на разгон и торможение, продолжительность включения, количество включений в час, количество рабочих смен в день и т.д.
- Данные кинематики: диаметры приводных и приводящих элементов, вид промежуточной передачи, коэффициенты трения, общий КПД нагрузки и т.д..
- Представленные диаграмма движения n(t), диаграмма зависимости момента нагрузки Mнагр.(t) или мощности Рнагр.(t).
- Требуемый диапазон регулирования скорости и точность позиционирования.
Для сервоприводов характерны следующие показатели:
- управление по скорости, по моменту или по позиции;
- диапазон регулирования скорости более 1:1000;
- статическая точность поддержания скорости по валу двигателя до 0,01%;
- точность поддержания позиции по валу двигателя менее ±1º.
Блок 2. Расчет параметров привода
Используя формулы приводной техники (6), разработчик определяет все необходимые для последующего выбора данные:
- мощности в статическом, динамическом и генераторном режимах;
- соответствующие им вращающие моменты нагрузки;
- значение частоты вращения двигателя;
- частоту вращения на выходе редуктора и др.
Блок 3. Выбор редуктора
Рассчитанный максимальный момент нагрузки определяет требуемый максимальный допустимый момент редуктора и, следовательно, его габаритные размеры. Соответственно, исходя из компоновки механизма, выбираем типоразмер и тип редуктора из стандартного ряда R — цилиндрических, F — цилиндрических с параллельными валами, K — цилиндро-конических редукторов. Типоразмер стандартных редукторов определяется эксплуатационным коэффициентом запаса fb (1), (6).
В стандартных редукторах SEW-EURODRIVE существуют также низколюфтовые исполнения (6’…14’).
Разработчик может остановить свой выбор и на специально спроектированных и выпускаемых редукторах для сервоприменений, таких как низколюфтовые BSF — конические, PSF/PSB/PSE — планетарные (1), (2). Отличительными чертами этих редукторов являются большая плотность передаваемой мощности, высокий кпд, большая жесткость на скручивание, низкий люфт (2’…10’), собственный малый момент инерции, компактные размеры. Типоразмер редукторов для сервоприменений зависит от максимального вращающего момента на выходном валу.
Для позиционных систем и систем синхронного управления рекомендуется выбирать редукторы с точным передаточным числом, чтобы избежать накопления погрешностей округления. В таблицах параметров точные передаточные числа i таких редукторов отмечены символом «*» и указаны с двумя позициями после запятой.
При подборе всегда следует четко определять монтажную позицию редуктора — его положение в пространстве (рис. 3). От этого зависит уровень заливаемого в редуктор масла и место установки дыхательного клапана (сапуна) при сборке на заводе.
Пример. Редуктор, собранный для горизонтальной позиции M1, переставили в вертикальную позицию М4 (выходным валом вниз) без изменения количества масла. Результатом будет работа быстроходных шестерен редуктора без смазки и их быстрый выход из строя.
В редукторах типов R, F и K при некоторых монтажных позициях (1) возможны значительные потери от перемешивания масла шестернями. Эти потери проявляются при повышении частоты вращения входного вала. Поэтому разработчику необходимо проверить — может ли на входе редуктора быть установлен двигатель с выбранной максимальной частотой вращения. Допустимые значения частоты вращения вала двигателя приведены в таблице 1.
| Монтажная позиция | Тип редуктора | Типоразмер редуктора | Ряд вращающих моментов, кНм | Частота вращения входного вала (об/мин) | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| M2, M4 | R | 97…107 | 3…4,3 | 107 | 4,3 | 107 | 8,0 | 107 | 8,0 | Таблица 2. Коэффициент запаса fz в зависимости от вида передачи | |||||||
| Передающий элемент | Коэффициент запаса fz | Примечания | |||||||||||||||
| Прямая передача | 1,0 | — | |||||||||||||||
| Шестерни | 1,0 | ≥ 17 зубьев | |||||||||||||||
| Шестерни | 1,15 | 5 м/с 2 ). Компания SEW?EURODRIVE производит асинхронные (типа CT/CV) и синхронные (типа CM/DS) серводвигатели. Конструкция статора этих двигателей принципиально одинакова, но их роторы различаются: асинхронный серводвигатель имеет короткозамкнутый ротор, магнитное поле в котором создается за счет индукции; на роторе синхронного серводвигателя закреплены магниты (сплав неодим-железо-бор), создающие в нем постоянное магнитное поле. Если попытаться сравнить два типа двигателей для сервопривода, то можно заметить, что возможности и ограничения по использованию в основном происходят из конструктивных особенностей и принципа работы (табл. 3).
Кроме того, двигатель типа CT/CV имеет больший собственный момент инерции, что улучшает коэффициент относительного момента инерции J’ нагрузки / J мотора, и снижает общую динамику привода. Необходимо заметить, что при прочих равных условиях для двигателей типа CT/CV требуется приводной преобразователь большей мощности из-за потерь в роторе и потребности в намагничивающем токе. Кроме вентиляторов принудительного обдува серводвигатели могут оснащаться электромагнитным тормозом, который обычно применяется при длительной остановке — стояночный режим или при аварийной остановке. В стандартной комплектации двигатель CT/CV производится с синусно-косинусным инкодером, а синхронный CM двигатель поставляется с резольвером. Датчики типа Hiperface и абсолютного отсчета с интерфейсом SSI могут быть установлены на эти двигатели по запросу. Как можно видеть, выбор в пользу одного или другого серводвигателя может быть сделан только в результате анализа данных, полученных в ходе расчета и оценки требований, предъявляемых в целом к сервоприводу. Для предварительного анализа можно исходить из следующих рекомендаций:
Блок 5. Выбор двигателя, исходя из данных нагрузкиРассмотрим механические характеристики асинхронных и синхронных серводвигателей. На механической характеристике можно выделить три ограничивающих участка, которые следует учитывать при проектировании:
Рассмотрим условия по правильному выбору асинхронных и синхронных серводвигателей.
В этой точке, указанной на рис. 4 цифрой I, должно выполняться условие Ммакс.нагр. 15…20, то в таких случаях предпочтительнее выбирать асинхронный серводвигатель с более высоким моментом инерции. Снижение относительного момента инерции за счет частоты вращения двигателя или подбором передаточного числа редуктора при значении J’ нагрузки / J мотора Таблица 4. Величина относительного момента инерции | |||||||||||||||
| Передающие узлы | Характеристики регулирования | Относительный момент инерции J’ нагрузки / J мотора | |||||||||||||||
| кованая зубчатая рейка, редуктор со сниженным люфтом | низколюфтовый привод с высокой жесткостью | J’ нагрузки / J мотора Iмакс.нагр. Длительный выходной ток преобразователя зависит от многих факторов — окружающей температуры, питающего напряжения, выходной частоты и частоты ШИМ. В случае механизмов с высокой динамикой и коротким временем перегрузки (до 1 с.) выходной ток преобразователя может достигать 150% от номинального тока даже на частотах ШИМ 8 и 16 кГц. Средний за цикл нагрузки ток не должен превышать значений допустимого выходного тока преобразователя, указанных на соответствующих диаграммах (3). Кроме вышеперечисленных требований необходимо проверить нагрузочную способность преобразователя при работе на низких скоростях. Для этого следует обратиться к зависимостям выходного тока преобразователя от частоты Iном.вых.пч (f) (3). В состав приводного преобразователя MOVIDRIVE всегда входит дополнительный силовой транзистор, являющийся тормозным прерывателем. Практически всегда приводной сервопреобразователь оснащается тормозным резистором, на котором рассеивается энергия торможения; этот резистор подключается к звену постоянного тока тормозным прерывателем. Сопротивление тормозного резистора определяется максимальным допустимым током транзистора тормозного прерывателя и приведено для каждого типа преобразователя в технических данных. Номинальная мощность тормозного резистора для ПВ=100% определяется электрической мощностью торможения, которая возвращается в преобразователь за вычетом потерь в рабочей машине, редукторе и двигателе. При этом должно быть учтено, что пиковая тормозная мощность существует в течение ограниченного времени. Таким образом, тормозной резистор должен быть способен рассеять пиковую мощность и длительно выдерживать среднюю тормозную мощность. Компания SEW-EURODRIVE предлагает для защиты преобразователя и соблюдения требований электромагнитной совместимости сетевые ND и выходные HD дроссели, входные фильтры электромагнитных помех NF и синусоидальные выходные HF фильтры. Приводной преобразователь MOVIDRIVE с помощью интерфейсов промышленных шин Profibus, DeviceNet, CANOpen, Interbus, Ethernet и др. может быть легко встроен в автоматизированную систему управления. Благодаря унифицированной аппаратной части и набору параметров приводной преобразователь MOVIDRIVE способен управлять как стандартными асинхронными двигателями, так и серводвигателями, используя следующие сигналы датчиков скорости: TTL, sin/cos, SSI, Hiperface, резольвер. Блок 7. Проверка выполнимости всех условийЭтот этап является заключительным. Разработчик еще раз проверяет совместимость подобранных компонентов, выполняет проверочные расчеты и убеждается в том, что полученная система сервопривода удовлетворяет всем предъявляемым требованиям. ВыводыВ производственную программу компании SEW-EURODRIVE входят двигатели и редукторы собственной разработки, приводные преобразователи MOVIDRIVE MDX61B с высокоэффективными алгоритмами управления, следовательно, неоспоримым преимуществом фирмы является понимание процессов, проходящих в электромеханических узлах. Вышеперечисленные факты позволяют заказчику укомплектовывать систему сервопривода оптимально согласованными друг с другом компонентами. Для удобства разработчика бесплатно предоставляется хорошо структурированная и ясно изложенная документация на русском языке, а также помощь компетентных инженеров ЗАО «Сев-Евродрайф». Качество продукции SEW-EURODRIVE: серводвигателей, редукторов, приводных преобразователей, операторских панелей подтверждается безотказной эксплуатацией на предприятиях различных отраслей, в том числе и с самыми тяжелыми условиями работы — в металлообработке, деревообработке, производстве строительных материалов, на предприятиях химической промышленности, в автомобилестроении. ЗАО «Сев-Евродрайф» осуществляет техническую поддержку, гарантийное и послегарантийное обслуживание продукции SEW-EURODRIVE в России. Благодаря наличию склада и продуманной логистической политике продукция SEW-EURODRIVE в короткие сроки доставляется до заказчика. Наличие учебных классов SEW-EURODRIVE в ведущих ВУЗах предоставляет возможность персоналу заказчика повысить квалификацию. Список литературы
А. Г. ДОРРЕР, ведущий инженер ЗАО «СЕВ-ЕВРОДРАЙФ». А. М. СУСЛОВ, старший инженер ЗАО «СЕВ-ЕВРОДРАЙФ». Источник |
