Управление скоростью и крутящим моментом серводвигателей осуществляется с использованием аналоговых сигналов, тогда как управление положением достигается за счет генерации импульсов. Конкретный режим управления выбирается на основе требований клиента и конкретных функций движения, которые необходимо выполнить.
три режима управления серводвигателями
- Если у вас нет особых требований к скорости или положению двигателя-и вам просто необходимо выдавать постоянный крутящий момент-, режим крутящего момента — очевидный выбор.
- Если вам требуется определенный уровень точности в отношении положения и скорости, но вас не особо интересуют значения крутящего момента в-времени, обычно предпочтительнее использовать либо режим скорости, либо режим позиционирования.
- Если ваш хост-контроллер обладает надежными возможностями управления по замкнутому-контуру, использование управления скоростью обычно дает превосходные результаты. И наоборот, если ваши требования не особенно строги-или если требований к-реагированию в реальном времени-практически нет, использование Position Control предъявляет меньшие требования к хост-контроллеру.
Что касается скорости реакции сервопривода: режим крутящего момента предполагает наименьшую вычислительную нагрузку, что приводит к максимально быстрому реагированию привода на управляющие сигналы; и наоборот, режим позиционирования предполагает самую высокую вычислительную нагрузку, что приводит к самой медленной реакции привода на сигналы управления.
Когда во время движения требуются высокие динамические характеристики, становится необходимым корректировать-двигатель в реальном времени.
- Если сам контроллер имеет относительно низкую скорость обработки (например, ПЛК или контроллер движения низкого уровня-), следует использовать управление положением.
- Если контроллер обладает относительно высокой скоростью обработки, можно использовать Speed Control; это предполагает перенос контура положения с привода на контроллер, тем самым снижая рабочую нагрузку привода и повышая общую эффективность.
- Если доступен еще более совершенный хост-контроллер, можно использовать Torque Control; это предполагает смещение контура скорости-в дополнение к контуру положения-от привода. Обычно этот подход возможен только при использовании-специализированных контроллеров высокого класса.
Обычно интуитивно понятный показатель для оценки качества управления приводом известен как «полоса отклика».
При работе в режимах управления крутящим моментом или управления скоростью генератор импульсов используется для ввода прямоугольного-сигнала, заставляющего двигатель постоянно переключаться между прямым и обратным вращением. По мере постепенного увеличения частоты сигнала осциллограф отображает сигнал с качающейся частотой-. Когда пик огибающей сигнала падает до 70,7% от максимального значения, это указывает на то, что система потеряла синхронизацию (т. е. «вышла из строя»). Частота, с которой это происходит, служит прямым показателем качества системы управления; обычно токовый контур может достигать полосы пропускания, превышающей 1000 Гц, тогда как контур скорости обычно ограничивается несколькими десятками герц.
Контроль крутящего момента
Управление крутящим моментом — это метод, используемый для установки величины внешнего выходного крутящего момента вала двигателя, который достигается либо с помощью внешнего аналогового входного сигнала, либо путем непосредственного присвоения значения определенному адресу. С практической точки зрения это означает,-например,-что если входное напряжение 10 В соответствует крутящему моменту 5 Нм, то установка внешнего аналогового входа на 5 В приведет к выходному моменту на валу двигателя 2,5 Нм. При этих условиях: если нагрузка на вал двигателя менее 2,5 Нм, двигатель вращается в прямом направлении; если внешняя нагрузка равна 2,5 Нм, двигатель остается неподвижным; и если нагрузка превышает 2,5 Нм, двигатель вращается в обратном направлении (сценарий, обычно встречающийся в приложениях, связанных с гравитационными нагрузками). Установленное значение крутящего момента можно регулировать в реальном-времени либо путем изменения аналогового входного сигнала, либо путем изменения числового значения соответствующего адреса через интерфейс связи.
Этот режим управления в основном используется в системах намотки и размотки, где существуют строгие требования к натяжению материала,-например, в машинах для намотки проволоки-или в оборудовании для волочения-оптики. В таких случаях настройка крутящего момента должна динамически регулироваться в реальном-времени, чтобы компенсировать изменения радиуса намотки, тем самым гарантируя, что натяжение, оказываемое на материал, остается постоянным независимо от изменений диаметра намотки.
Контроль положения
В режиме управления положением скорость вращения обычно определяется частотой внешних входных импульсов, а угол поворота определяется количеством импульсов. Кроме того, некоторые сервосистемы позволяют напрямую задавать значения скорости и смещения через интерфейсы связи. Поскольку режим позиционирования обеспечивает строгий контроль как скорости, так и положения, он обычно используется в механизмах позиционирования.
Области применения включают станки с ЧПУ, печатное оборудование и подобное оборудование.
Режим контроля скорости
Скорость вращения можно контролировать либо через аналоговые входы, либо путем регулировки частоты импульсов. При интеграции в систему ПИД-регулирования внешнего-контура, управляемую контроллером более высокого-уровня, режим скорости также можно использовать для задач позиционирования; однако важно передавать сигнал положения двигателя-или сигнал положения непосредственно от нагрузки-на контроллер более высокого-уровня для вычислительной обработки. Режим позиционирования также поддерживает обнаружение сигналов положения непосредственно из внешнего контура нагрузки; в этой конфигурации энкодер, установленный на валу двигателя, контролирует только скорость вращения двигателя, а сигнал фактического положения обеспечивается устройством обнаружения, расположенным на стороне конечной нагрузки. Основное преимущество этого подхода заключается в том, что он сводит к минимуму ошибки, возникающие на промежуточных этапах передачи, тем самым повышая общую точность позиционирования всей системы.
Три-цикла управления
В серводвигателях обычно применяется трехконтурная структура управления-,-а именно, система, состоящая из трех систем ПИД-управления с замкнутым-отрицательным-контуром. Самый внутренний контур ПИД — это «токовый контур». Этот контур полностью работает внутри самого сервопривода; он использует датчики Холла-для обнаружения выходного тока, протекающего от привода к каждой фазе двигателя, а затем применяет отрицательную обратную связь к заданному значению тока для выполнения ПИД-регулирования. Цель состоит в том, чтобы гарантировать, что фактический выходной ток точно соответствует желаемому заданному значению. По сути, токовая петля управляет крутящим моментом двигателя; следовательно, когда привод работает в режиме крутящего момента, вычислительная нагрузка минимальна, что приводит к максимально быстрому динамическому отклику.
Второй контур — это «контур скорости». Он выполняет ПИД-регулирование с отрицательной- обратной связью на основе сигналов, обнаруженных энкодером двигателя. Выходной сигнал ПИД-регулятора, генерируемый в этом контуре, служит непосредственно в качестве уставки для токового контура. Следовательно, при работе в режиме управления скоростью система эффективно задействует как контур скорости, так и контур тока. Другими словами, токовая петля незаменима в любом режиме работы; оно составляет фундаментальную основу контроля. Даже во время операций управления скоростью и положением система одновременно выполняет управление током (крутящим моментом) для достижения точного регулирования скорости и положения.
Третий цикл — это «цикл положения». В качестве самого внешнего контура его можно настроить либо между приводом и энкодером двигателя, либо между внешним контроллером и энкодером двигателя (или конечной нагрузкой), в зависимости от требований конкретного приложения. Поскольку внутренний выход контура управления положением служит заданным значением для контура скорости, работа в режиме управления положением требует одновременного выполнения всех трех контуров. Следовательно, этот режим создает наибольшую вычислительную нагрузку на систему и приводит к самой низкой скорости динамического отклика.