AC servo приводы

[Aether]

Доброго вечера.

Заинтересовал вопрос, может кто-то работал с AC servo приводами. Прочёл старенькое пособие по Fanuc сервоусилителям, но так и не уяснил один момент: как такие приводы синхронизируются друг с другом? Интерес не практический, скорее общеобразовательный. А суть такая: для того, чтобы приехать из одного положения в другое, привод должен противостоять инерции и прочим силам. Скорость обычно требуется обеспечить наибольшую из возможных, стало быть, имеет место наличие трёх или в ряде случаев двух участков: разгон, поддержание скорости, торможение, иногда без выхода на константную скорость. Так вот, когда привод разгоняется магнитное поле по сути должно вращаться вхолостую, чтобы на обмотке ротора был хоть какой-то ток, при этом жёсткого удержания координаты может и не получиться, тем не менее, в промышленных приводах линейность очень велика. Но, как два и более приводов заставить работать синхронно? Может есть годная литература?

[zubr]

А чем схема с шаговыми двигателями не устраивает? Имхо, проще.

[Dale]

может кто-то работал с AC servo приводами.

Принципиально именно AC? Я когда-то имел дело со сверлильно-фрезерными станками для печатных плат, во всех сервоприводы работали только на постоянном токе.

[RXL]

Это синхронный двигатель переменного тока. Постоянное поле ротора и поворот поля статора. Ток удержания постоянный. По сути такой двигатель можно считать двигателем постоянного тока с внешне коммутируемыми обмотками. Возможет опциональный магнитный тормоз.

Варианты конструкций можно посмотреть тут.

А чем схема с шаговыми двигателями не устраивает? Имхо, проще.

Сравнение с шаговым двигателем

как такие приводы синхронизируются друг с другом?

Две одинаковые сервы дадут одинаковый угол поворота в пределах допусков погрешности изготовления. Регулировка выполняется переключением обмоток и током через них. Естественно все с обратной связью.

Так вот, когда привод разгоняется магнитное поле по сути должно вращаться вхолостую

А энергию на разгон берем из эфира? Вращение поля и создает вращающий момент.

[Aether]

А чем схема с шаговыми двигателями не устраивает? Имхо, проще.

Главный минус ШД - цикл разгон-торможение происходит в течении одного "шага", таким образом, при значительной инерционной нагрузке, либо ШД должен быть внушительного размера, либо будет пропуск шагов. Заметьте, при росте размера ШД, его собственная инерция тоже растёт, поэтому их и выпускают лишь в малом диапазоне мощностей - от приводов кареток в принтерах до CNC систем по фрезерованию фанеры.

Принципиально именно AC? Я когда-то имел дело со сверлильно-фрезерными станками для печатных плат, во всех сервоприводы работали только на постоянном токе.

АС - имеют широкий диапазон мощностей, высокое качество позиционирования. АС - это не означает 380/220В сетевого напряжения, обычно переменное напряжение нужной формы синтезируется, исходя из максимума в 100В (На некоторых 200, 400В). Тормоз обычно и питание дополнительной аппаратуры - 24В постоянное.

Это синхронный двигатель переменного тока.

Две одинаковые сервы дадут одинаковый угол поворота в пределах допусков погрешности изготовления. Регулировка выполняется переключением обмоток и током через них. Естественно все с обратной связью.

А энергию на разгон берем из эфира? Вращение поля и создает вращающий момент.

Вы говорите о синхронном серво с приклеенными к ротору постоянными магнитами, а я об асинхронном - у него ротор выполнен в виде беличьей клетки и собственного магнитного поля в состоянии покоя он не имеет. Поэтому я и упомянул о вращении поля вхолостую - скольжении. То есть, момент удержания создать статичным полем нельзя - нужна трансформаторная ЭДС в обмотке ротора.

Но, ладно, исполнение исполнением, а тем не менее. ШД управляется импульсами, синхронизация импульсов способна обеспечить согласование во времени. А тут, смотрю команды - три пути: задать координату, задать скорость, либо задать момент. Причём, есть команды работы с встроенной EEPROM, то есть можно на испытании установить средний параметр инерции системы и записать его в усилитель, чтобы облегчить работу ПИД регулятора. А он как раз и должен предварительно рассчитать перемещение и позволить синтезировать требуемую форму сигнала для катушек серво.

По идее, должны быть ещё команды и какой-то интерфейс между усилителями разных осей, чтобы была синхронизация между ними. Или я чего-то не понимаю?

[RXL]

С асинхронным двигателем не обойтись без датчика положения ротора. Контролировать синхронность движения связанных приводов можно через эти датчики, вычисляя нужное количество производных (положение, скорость, ускорение) и на их основе определять инерционность системы в целом. Кроме того, отстающий привод будет потреблять меньше тока.

У меня такая мысль: для нескольких приводов, работающих на одной синхронной скорости (на одном валу или типа того) нужен один источник частоты и индивидуальные усилители тока с датчиками тока. Относительный рост и падение тока сигнализируют об опережении и отставании данного привода. Регулируем ток так, чтобы минимизировать эти пульсации, но также чтобы абсолютное значение потребленного тока существенно не разбегалось (исключаем случай полностью нагруженный + полностью ненагруженный).

На самом деле тут еще много неизвестных. Например, упругость связи этих двух приводов. На этот случай я бы все таки оставил датчик положения на каждом приводе.

[Qulac]

Вообще шаговый двигатель можно сделать из любого. Диск с прорезями, два оптрона, небольшая логическая схема и все. Интерфейс будет как у обычного шагового.

[Dale]

Интерфейс будет как у обычного шагового.

Не будет.

[Qulac]

Dale, это почему? Какой хотим такой и сделаем.

[Aether]

Вообще шаговый двигатель можно сделать из любого. Диск с прорезями, два оптрона, небольшая логическая схема и все. Интерфейс будет как у обычного шагового.

Суть шагового двигателя в применении ротора особой конструкции, которая обеспечивает исключительную однозначность его положения. Именно поэтому ШД обычно не имеет датчика положения, точнее он есть, но не внутри ШД, а снаружи, например, концевой выключатель, чтобы поймать точку нуля или максимума координат. Как только появляется обратная связь - это уже сервопривод.

Кроме того, отстающий привод будет потреблять меньше тока.

У меня такая мысль: для нескольких приводов, работающих на одной синхронной скорости (на одном валу или типа того) нужен один источник частоты и индивидуальные усилители тока с датчиками тока.

Вот тут то и фишка - контроллер (сейчас обычно всё в моноблоке с усилителем) должен как бы наперёд вычислить: какой импульс дать следующим, то есть, если контроллер видит, что, например, по оси "B" растёт нагрузка и серво начинает отставать, то он должен тут же увеличить ширину импульсов, чтобы преодолеть растущее сопротивление и догнать. При этом ток в цепи отстающего привода должен начать расти - он разгоняется и догоняет. Но, если ПИД регулятор ошибётся и даст много - будет перелёт.

Частота, нет, так как нагружение в ходе работы может различаться. Просто суть: промышленный усилитель должен иметь либо связь для синхронизации, либо команды, например, чтобы подтверждать положение обоих роторов.

[Aether]

Та же проблема с частотными проводами обычных асинхронных двигателей, например:
есть балка, перемещающаяся по рельсам, причём расстояние между рельсами заметно больше опорной базы этой балки - типичный козловой кран. Из-за сил трения поставить один электродвигатель с одной стороны нельзя - перекосит, и никуда не поедет. Организовать механическую связь обоих опорных тележек невозможно - далеко, дорого, и жёсткости связей может не хватить. Значит за рассогласованием нужно следить, и если оно появляется - тут же ликвидировать. А ставить, стало быть, два электродвигателя с двумя частотниками, как-то их связывая между собой.

[RXL]

Qulac, в шаговом нет обратной связи от привода. При переключение обмоток двигатель делает ровно один шаг на фиксированный угол.

[Qulac]

RXL, это мы знаем. Не составляет труда сделать тоже самое на электронике. Работать будет так же.

[RXL]

Aether, прикладываемую приводом силу можно высчитать по току статора и скольжению поля. Замеряем скоростную характеристику при разгоне и высчитываем ускорение. Масса = сила / ускорение. Куча формул есть здесь.

Добавлено через 16 минут и 16 секунд:
Qulac, не так же ни разу.
В шаговом постоянный нерегулируемый ток удержания в одной лишь обмотке обеспечивает типично 200-400 шагов на круг с точным позиционированием. Регулируемый ток в нескольких обмотках позволяет увеличить число шагов в 8-10 раз с меньшей точностью.
В обычном синхронном двигателе можно точно переместить ротор на угол между соседними полюсами, которых много меньше 200-400. Если точно задавать ток для каждой  обмотки для задания суммарного вектора поля, можно переместиться на любой угол без гарантии позиции.
Также не стоит забывать о инерции и возникающем от этого дребезге при шаге. Чем длиннее шаг, тем больше будет амплитуда дребезга.

[Dale]

Dale, это почему? Какой хотим такой и сделаем.

Пожалуй, я не совсем точно выразился. Правильнее будет так: имитация (с точностью до интерфейса) шагового двигателя посредством сервомотора с энкодером на оси - одна из самых бессмысленных разработок, которую только можно придумать. Это при том, что обычный шаговый двигатель - вполне доступная и довольно бюджетная вещь.

Это примерно как имитировать копеечный угольный резистор при помощи навороченного микроконтроллера, замеряя напряжение на клеммах и регулируя ток.

[Qulac]

Dale, я как-то давно разбирал старый кассовый аппарат, миниатюрный такой. Так там даже без оптронов, на валу двигателя стоял пластмассовый диск с медными полосками и к нему просто прижимались контакты. Вот такая обратная связь. Всё уже придумано до нас.

[Dale]

Вот такая обратная связь.

Чуть выше уже было совершенно правильно сказано:

Qulac, в шаговом нет обратной связи от привода.

Неважно, реализована обратная связь через контакты или оптопары. Если она есть - это сервопривод, а не шаговый двигатель. Совершенно разные устройства, хотя внешне поведение немного сходное. Но шаговый двигатель работает с дискретными шагами (если угодно - конечный автомат) и потому не нуждается в ОС принципиально, а сервопривод движется в континууме (хоть и датчик координаты при этом может быть дискретным).