Сервоприводы — замкнутая система автоматического регулирования параметров движения. Она состоит из двигателя, системы обратной связи и управляющей электроники. Такие устройства играют ключевую роль в современных системах автоматизации. Сервоприводы обеспечивают точное управление движением в различных отраслях, таких как робототехника, на некоторых производствах и так далее. В статье рассмотрим, какой сервопривод выбрать в зависимости от поставленных задач.
Расчет параметров привода по требуемой динамике
Для достижения требуемой динамики в системах автоматизации необходимо корректно рассчитать параметры сервопривода. Расчет производят, чтобы правильно подобрать мотор по мощности и другим характеристикам. Его выполняют по следующей схеме:
1. Анализ системы. На этом этапе определяют параметры элементов, таких как:
- масса элементов поступательного движения (кг);
- скорость нагрузки (м/мин);
- длина, диаметр и шаг резьбы винта (м);
- плотность шарика (кг/ куб. м);
- передаточное число редуктора;
- суммарный момент инерции редуктора и соединительной муфты (кг*кв. м);
- частота подач (перемещений);
- дистанция перемещения (м);
- максимальное время перемещения (с);
- точность остановки (мм);
- коэффициент трения скольжения;
- КПД механики (%).
2. Расчет параметров. Определяют:
- время движения при помощи циклограммы линейного перемещения;
- скорость вращения вала;
- крутящий момент, прикладываемый к валу;
- приведенный момент инерции системы;
- мощность серводвигателя для обеспечения требуемой динамики системы.
Такой подход гарантирует, что двигатель подойдет для решения конкретной задачи.
Момент инерции системы и его влияние на выбор двигателя
Момент инерции системы — критическая характеристика, влияющая на выбор серводвигателя. Он определяет, насколько трудно привести в движение или остановить систему. Например, в системах с тяжелыми нагрузками, таких как промышленные манипуляторы, из-за большой массы движущихся частей момент инерции может достигать больших значений.
Если момент инерции большой, то требует использовать двигатель с большим крутящим моментом. Это необходимо, чтобы обеспечить стабильную работу без вибраций или потери точности.
Предварительный выбор серводвигателя осуществляют, сравнивая характеристики конкретных моторов (номинальный момент, мощность, номинальная скорость вращения, допустимый момент инерции нагрузки) с результатами расчетов.
В финале выполняют проверочный расчет. Рассчитывают моменты для создания ускорения и при торможении, а также эквивалентный момент. Мотор подходит для конкретной задачи, если два первых показателя меньше пикового момента, а последний — номинального.
Подбор редукторов и передаточных механизмов
Редуктор — важная составляющая систем, где используются сервоприводы, так как он преобразует высокую скорость вращения двигателя в необходимый крутящий момент. Правильно выбирать редуктор в зависимости от характеристик системы и задач.
Основные типы:
- Планетарные редукторы. Обеспечивают низкий люфт (1–2 угловые минуты) и высокую эффективность (до 98%). Подходят для систем с высокими требованиями к точности, например в координатных столах.
- Червячные редукторы. Используются в системах с высокими передаточными числами, но имеют больший люфт. Подходят для менее точных систем, таких как подъемные механизмы.
- Гармонические редукторы. Идеальны для систем, где требуется минимальный люфт (<1 минута), например в робототехнике или аэрокосмической промышленности.
При выборе редуктора учитываются:
- передаточное число, определяющее соотношение скорости и момента;
- совместимость с типом сервомотора (например, бесколлекторный или коллекторный);
- условия эксплуатации, такие как температура или нагрузка.
Пример выбора передачи
Основной вопрос, какой привод выбрать для теплого пола — нормально-открытый или закрытый? Устройство устанавливается на термоклапан подающего коллектора. Его соединяют с комнатным термостатом или контроллером и подключают к электросети.
Когда температура подачи воздуха достигает нужного значения, термостат подает электрический ток на привод. Термоэлемент расширяется и воздействует на шток терморегулирующей арматуры. В результате перекрывается либо останавливается движение теплоносителя в системе. При остывании термоэлемента происходит обратный процесс.
Нормально-открытый (NO) привод находится в открытом положении. При подаче питания он перекрывает клапан, препятствуя прохождению теплоносителя. Нормально-закрытые модели при поступлении сигнала от термостата открывают термостатический клапан. В большинстве случаев для суровой зимы предпочтительнее открытый вариант. Однако необходимо также учитывать особенности автоматики и конкретные требования сети. Кроме того, сервопривод должен обеспечить достаточный момент для поворота клапана и стабильную работу в условиях низкой нагрузки.
Этапы выбора:
- Определить момент нагрузки.
- Выбрать тип привода.
- Подобрать редуктор.
- Проверить совместимость.
Типичные ошибки при проектировании и их устранение
При проектировании систем с сервоприводами часто допускаются ошибки, которые снижают эффективность работы. Основные из них:
- Неправильный расчет момента инерции. Игнорирование инерции нагрузки приводит к выбору неподходящего двигателя, что вызывает вибрации или перегрев. Устранение: рассчитать момент инерции системы и выбрать сервомотор с запасом по мощности.
- Неправильный выбор редуктора. Использование редуктора с большим люфтом в системах, требующих высокой точности, снижает производительность. Для устранения ошибки рекомендуется выбрать редуктор с минимальным люфтом.
- Игнорирование условий эксплуатации. В таких системах, как теплый пол, выбор сервопривода без учета влажности может привести к коррозии. Решение проблемы: использовать агрегаты с защитой IP54 или выше.
- Недостаточная частота отклика. В динамичных системах аналоговые сервоприводы с частотой 50 Гц могут не успевать реагировать. Устранить проблему можно, выбрав цифровой привод с частотой до 200 Гц.
Правильный выбор сервопривода, основанный на характеристиках системы, типе нагрузки и принципе работы, позволяет избежать этих ошибок и обеспечить надежное функционирование устройства.
