Εισαγωγή
Μια γραμμική μονάδα σερβομηχανισμού-γνωστή και ως "γραμμικός σερβοενισχυτής"-είναι μια συσκευή μετατροπής τάσης-σε-ρεύματος που χρησιμοποιείται για τον έλεγχο σερβοκινητήρων. Η λειτουργία του είναι ανάλογη με αυτή ενός ενισχυτή ισχύος ήχου που οδηγεί ένα μεγάφωνο. αποτελεί αναπόσπαστο μέρος ενός σερβο συστήματος και χρησιμοποιείται κυρίως σε συστήματα εντοπισμού θέσης υψηλής ακρίβειας. Συνήθως, ελέγχει τον σερβοκινητήρα μέσω τριών τρόπων λειτουργίας-θέσης, ταχύτητας και ροπής-για την επίτευξη υψηλής-τοποθέτησης ακριβείας εντός ενός συστήματος μετάδοσης. επί του παρόντος, αποτελεί προϊόν υψηλής{10}}τελικής ποιότητας στον τομέα της τεχνολογίας μετάδοσης.
Αρχές Λειτουργίας Γραμμικών Σερβο Μονάδων
Η αρχή λειτουργίας μιας γραμμικής μονάδας σερβομηχανισμού βασίζεται στη γραμμική ενίσχυση αναλογικών κυκλωμάτων σε συνδυασμό με τον έλεγχο αρνητικής ανάδρασης κλειστού-βρόχου. Λειτουργεί μετατρέποντας αδύναμα σήματα ελέγχου σε ρεύματα μετάδοσης κίνησης υψηλής-ισχύς και προσαρμόζοντας την έξοδο σε πραγματικό-χρόνο για να επιτευχθεί έλεγχος κίνησης υψηλής ακρίβειας-του κινητήρα. Η συγκεκριμένη διαδικασία έχει ως εξής:
Λήψη σήματος και προκαταρκτική επεξεργασία
Η γραμμική μονάδα σερβομηχανισμού λαμβάνει αδύναμα σήματα εντολών-όπως σήματα αναλογικής τάσης (π.χ. ±10V)-από το σύστημα ελέγχου. Αυτά τα σήματα φέρουν τις επιθυμητές τιμές για την ταχύτητα, τη θέση ή τη ροπή του κινητήρα. Εσωτερικά, ο ηλεκτροκινητήρας φιλτράρει πρώτα και ρυθμίζει αυτά τα σήματα ώστε να εξαλείφονται οι παρεμβολές θορύβου, διασφαλίζοντας έτσι την ακρίβεια και τη σταθερότητα των σημάτων. Για παράδειγμα, στις εργαλειομηχανές CNC, η έξοδος σήματος τάσης από τον ελεγκτή μπορεί να είναι μόνο μερικά βολτ. αυτό το σήμα πρέπει να υποβληθεί σε επεξεργασία από τον ηλεκτροκινητήρα για να μπορέσει να τροφοδοτήσει αποτελεσματικά τον κινητήρα.
Υπολογισμός σφάλματος και προσαρμογή αρνητικής ανάδρασης
Η μονάδα συγκρίνει το λαμβανόμενο σήμα εντολής με-σήματα ανάδρασης σε πραγματικό χρόνο που λαμβάνονται από τη συσκευή ανάδρασης του κινητήρα (όπως ένας κωδικοποιητής). Αυτά τα σήματα ανάδρασης αντικατοπτρίζουν με ακρίβεια την τρέχουσα πραγματική κατάσταση λειτουργίας του κινητήρα, συμπεριλαμβανομένων της ταχύτητας, της θέσης και άλλων παραμέτρων. Με τον υπολογισμό της διαφοράς μεταξύ του σήματος εντολής και του σήματος ανάδρασης, η μονάδα λαμβάνει ένα "σήμα σφάλματος". Με βάση τις αρχές του ελέγχου αρνητικής ανάδρασης, ο ηλεκτροκινητήρας προσαρμόζει αυτόματα την έξοδό του ως απόκριση σε αυτό το σήμα σφάλματος, προσπαθώντας να οδηγήσει το σήμα σφάλματος προς το μηδέν. Για παράδειγμα, εάν μια εντολή απαιτεί από τον κινητήρα να περιστραφεί σε μια συγκεκριμένη γωνία, αλλά υπάρχει απόκλιση στην πραγματική γωνία, ο ηλεκτροκινητήρας θα αυξήσει το ρεύμα εξόδου του για να οδηγήσει τον κινητήρα για να διορθώσει αυτή τη διαφορά.
Ενίσχυση ισχύος και μετατροπή σήματος
Η βασική λειτουργία ενός γραμμικού σερβομηχανισμού είναι η ενίσχυση ισχύος των σημάτων ελέγχου. Χρησιμοποιεί γραμμικό σχεδιασμό αναλογικού κυκλώματος, χρησιμοποιώντας εξαρτήματα όπως λειτουργικούς ενισχυτές για τη μετατροπή αδύναμων σημάτων ελέγχου σε σήματα ρεύματος ή τάσης υψηλής- ισχύος. Αυτή η διαδικασία εκτελείται μέσω συσκευών ισχύος-όπως τρανζίστορ ισχύος-διασφαλίζοντας ότι το ενισχυμένο σήμα διαθέτει επαρκή ενέργεια για να κινήσει τον σερβοκινητήρα. Για παράδειγμα, για τους κοινούς κινητήρες βιομηχανικών ρομπότ-που απαιτούν σημαντική ροπή-η μετάδοση κίνησης πρέπει να παρέχει επαρκή ποσότητα ρεύματος για να μπορεί ο κινητήρας να παράγει την αντίστοιχη ροπή.
Οδήγηση κινητήρα και δυναμική απόκριση
Το ενισχυμένο σήμα ισχύος οδηγεί απευθείας τον σερβοκινητήρα σε λειτουργία. Λόγω του υψηλού εύρους ζώνης των γραμμικών ηλεκτροκινητήρων (συνήθως φτάνει τις πολλές χιλιάδες Hertz), είναι σε θέση να ανταποκρίνονται γρήγορα σε αλλαγές στα σήματα εντολών, επιτρέποντας έτσι την ακριβή ρύθμιση της ταχύτητας, της θέσης ή της ροπής του κινητήρα. Σε-σενάρια ελέγχου κίνησης υψηλής ταχύτητας-όπως αυτά που αφορούν εξοπλισμό επεξεργασίας πλακιδίων ημιαγωγών-οι μηχανές κίνησης πρέπει να διασφαλίζουν ότι ο κινητήρας ολοκληρώνει τις μεταβάσεις θέσης εντός εξαιρετικά σύντομων χρονικών πλαισίων ενώ πληροί τις απαιτήσεις ακρίβειας τοποθέτησης σε επίπεδο νανομέτρων-. Αυτή η ικανότητα ταχείας απόκρισης διευκολύνεται από τα χαρακτηριστικά συνεχούς διαμόρφωσης που είναι εγγενή στα αναλογικά κυκλώματα, αποφεύγοντας έτσι τις καθυστερήσεις και τα φαινόμενα κυματισμού που μπορεί να προκύψουν σε μονάδες μεταγωγής που βασίζονται σε PWM-.
Συνεχής παρακολούθηση και κλειστή-Βελτιστοποίηση βρόχου
Κατά τη λειτουργία του κινητήρα, η μονάδα λαμβάνει συνεχώς σήματα ανάδρασης και τα συγκρίνει σε πραγματικό- χρόνο με τα σήματα εντολών. Με τη συνεχή προσαρμογή των σημάτων εξόδου, δημιουργείται ένα σύστημα ελέγχου κλειστού-βρόχου, το οποίο διασφαλίζει ότι ο κινητήρας ακολουθεί με συνέπεια την προβλεπόμενη τροχιά του. Για παράδειγμα, σε μια αυτοματοποιημένη γραμμή συναρμολόγησης, εάν μια ξαφνική αλλαγή στο φορτίο προκαλέσει διακυμάνσεις στην ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα, ο ηλεκτροκινητήρας θα εντοπίσει αμέσως το σφάλμα και θα προσαρμόσει το ρεύμα εξόδου, επιτρέποντας στον κινητήρα να επιστρέψει γρήγορα σε σταθερή ταχύτητα. Αυτός ο μηχανισμός δυναμικής προσαρμογής ενισχύει σημαντικά τις δυνατότητες απόρριψης διαταραχών και τη συνολική σταθερότητα του συστήματος.
Χαρακτηριστικά Γραμμικών σερβομηχανισμών
Τα χαρακτηριστικά των γραμμικών σερβοκινητήρων εκδηλώνονται κυρίως στις ακόλουθες πτυχές:
Έλεγχος ροπής
Η λειτουργία ελέγχου ροπής περιλαμβάνει τη ρύθμιση του μεγέθους της εξωτερικής ροπής εξόδου του άξονα του κινητήρα μέσω ενός εξωτερικού αναλογικού σήματος εισόδου. Συγκεκριμένα, εάν τα 10V αντιστοιχούν σε 5 Nm, τότε όταν η εξωτερική αναλογική είσοδος έχει ρυθμιστεί στα 5V, ο άξονας του κινητήρα βγάζει 2,5 Nm. Εάν το φορτίο στον άξονα του κινητήρα είναι μικρότερο από 2,5 Nm, ο κινητήρας περιστρέφεται προς τα εμπρός. Εάν το εξωτερικό φορτίο ισούται με 2,5 Nm, ο κινητήρας παραμένει ακίνητος. και αν το φορτίο υπερβαίνει τα 2,5 Nm, ο κινητήρας περιστρέφεται αντίστροφα (ένα σενάριο που συνήθως αντιμετωπίζεται υπό βαρυτικά φορτία).
Κλειστός-Έλεγχος ρεύματος βρόχου
Ο έλεγχος ρεύματος κλειστού-βρόχου ορίζεται σε αντίθεση με τον έλεγχο ρεύματος ανοιχτού-βρόχου.
Αρχικά, ας κατανοήσουμε τον έλεγχο ρεύματος κλειστού-βρόχου: χρησιμοποιεί μια συσκευή ανίχνευσης ρεύματος για την παροχή σχολίων σχετικά με το μέγεθος του ρεύματος εξόδου. Αυτό το σήμα ανάδρασης αλληλεπιδρά με το σήμα ελέγχου για να διαμορφώσει το ρεύμα εξόδου, δημιουργώντας έτσι ένα σύστημα ελέγχου ρεύματος κλειστού-βρόχου.
Ισχύς απαγωγής έναντι ισχύος εξόδου
Κατά τη λειτουργία, τα τρανζίστορ εντός μιας γραμμικής κίνησης λειτουργούν εντός της γραμμικής τους περιοχής, με αποτέλεσμα σημαντική απώλεια ισχύος. Υποθέτοντας σταθερή ισχύ εξόδου, όσο υψηλότερη είναι η τάση που εφαρμόζεται στον ηλεκτροκινητήρα, τόσο μεγαλύτερη είναι η απαγωγή ισχύος που πρέπει να χειριστεί ο ηλεκτροκινητήρας.Προστασία σερβοκινητήρα
Οι γραμμικοί σερβομηχανισμοί διαθέτουν μια ολοκληρωμένη σειρά λειτουργιών προστασίας-συμπεριλαμβανομένων των διασφαλίσεων έναντι υπερέντασης, υπερφόρτωσης και υπέρτασης. Αφήνοντας κατά μέρος τις πιθανές επιπτώσεις των αρμονικών που δημιουργούνται στην πλευρά του μετατροπέα της γραμμικής μετάδοσης κίνησης, αυτά τα χαρακτηριστικά επιτρέπουν την πλήρη-προστασία του σερβοκινητήρα.
Λύσεις για την καταστολή αρμονικών παρεμβολών σε γραμμικούς σερβομηχανισμούς
Κατά τη λειτουργία και τη θέση σε λειτουργία των σερβο συστημάτων, ενδέχεται να προκύψουν κατά καιρούς διάφορες απροσδόκητες μορφές παρεμβολών-ιδιαίτερα σε εφαρμογές που περιλαμβάνουν παλμικούς-σερβοκινητήρες. Η επόμενη ενότητα αναλύει τους τύπους και τους μηχανισμούς τέτοιων παρεμβολών από διάφορες οπτικές γωνίες, με στόχο τη διευκόλυνση στοχευμένων στρατηγικών καταστολής παρεμβολών.
Παρεμβολές τροφοδοτικού
Οι συνθήκες λειτουργίας πεδίου υπόκεινται συχνά σε διάφορους περιορισμούς, οδηγώντας σε συχνές συναντήσεις με πολύπλοκα σενάρια. Είναι σημαντικό να υιοθετήσετε μια προληπτική και συνήθη προσέγγιση για την αποφυγή αυτών των ζητημάτων, αποτρέποντας έτσι την εμφάνιση προβλημάτων όποτε είναι δυνατόν. Σε πολλές περιπτώσεις, ενσωματώνουμε φίλτρα στις μονάδες τροφοδοσίας των περιστροφικών κωδικοποιητών και των ελεγκτών κίνησης. Επιπλέον, εξοπλίζουμε γραμμικούς σερβοκινητήρες με συσκευές όπως ρυθμιστές τάσης και μετασχηματιστές απομόνωσης. Επιπλέον, προσαρμόζουμε παραμέτρους-όπως ο χαμηλός-χρόνος διέλευσης φιλτραρίσματος για την ανάδραση θέσης και τη συχνότητα φορέα-για τον μετριασμό των παρεμβολών που εισάγονται μέσω του τροφοδοτικού και την αποφυγή αστοχιών στο σύστημα ελέγχου σερβομηχανισμού.
Τα καλώδια τροφοδοσίας για το σύστημα σερβομηχανισμού θα πρέπει να δρομολογούνται χωριστά για να ελαχιστοποιηθεί η εγγύτητα μεταξύ του ηλεκτροκινητήρα και των γραμμών ισχύος του κινητήρα, αποτρέποντας έτσι παρεμβολές στα σήματα ελέγχου που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε δυσλειτουργίες της μονάδας.
Παρεμβολές από αποδιοργανωμένα συστήματα γείωσης
Η γείωση είναι μια αποτελεσματική μέθοδος για την ενίσχυση της θορύβου του ηλεκτρονικού εξοπλισμού. χρησιμεύει για την καταστολή των εξωτερικών παρεμβολών και την προστασία του συστήματος από τις δυσμενείς επιπτώσεις του. Ωστόσο, η ακατάλληλη γείωση μπορεί να προκαλέσει σοβαρά σήματα παρεμβολής, καθιστώντας το σύστημα ανίκανο να λειτουργήσει σωστά. Η υποδομή γείωσης ενός συστήματος ελέγχου περιλαμβάνει συνήθως διάφορες κατηγορίες, όπως γείωση συστήματος, γείωση θωράκισης, γείωση AC και προστατευτική γείωση.
Εάν το σύστημα γείωσης είναι αποδιοργανωμένο, η προκύπτουσα παρεμβολή στο σερβοσύστημα πηγάζει κυρίως από την ανομοιόμορφη κατανομή δυναμικού σε διάφορα σημεία γείωσης. Πιθανές διαφορές προκύπτουν μεταξύ διαφορετικών σημείων γείωσης-όπως εκείνων στα δύο άκρα ενός θωρακισμένου τμήματος καλωδίου, κατά μήκος των καλωδίων γείωσης ή στις γειώσεις του πλαισίου του εξοπλισμού-δημιουργώντας ρεύματα βρόχου γείωσης που διαταράσσουν την κανονική λειτουργία του συστήματος.
Το κλειδί για την επίλυση αυτού του τύπου παρεμβολών έγκειται στη σαφή διάκριση μεταξύ των διαφορετικών σχημάτων γείωσης και στη διασφάλιση ότι το σύστημα παρέχεται με μια ισχυρή και αποτελεσματική υποδομή γείωσης.
Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στην περιβαλλοντική ηλεκτρομαγνητική συμβατότητα (EMC), συμπεριλαμβανομένης της θωράκισης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων υψηλής-συχνότητας και των στοιχείων ραδιοσυχνότητας (RF). Οι πηγές θορύβου τροφοδοσίας και παρεμβολών πρέπει να κατασταλεί και να εξαλειφθεί. Για παράδειγμα, οι μονάδες διόρθωσης και μετατροπέα υψηλής-συχνότητας, μεσαίας-συχνότητας ή υψηλής-ισχύς δεν πρέπει να μοιράζονται τον ίδιο μετασχηματιστή ισχύος ή ζυγό διανομής ισχύος με άλλο ευαίσθητο εξοπλισμό.
Εισάγουμε επίσης μια ασυνήθιστη προσέγγιση στη γείωση: δεδομένης της αναπόφευκτης παρουσίας σημαντικών πηγών παρεμβολών στα κυκλώματα διανομής ισχύος, μπορεί να είναι πλεονεκτικό να εγκαταστήσετε τη μονάδα σερβομηχανισμού σε ένα ειδικό περίβλημα. Σε αυτήν τη διαμόρφωση, χρησιμοποιείται μια μη μεταλλική πλάκα στερέωσης και οι συνδέσεις γείωσης που σχετίζονται με τη γραμμική μονάδα σερβομηχανισμού αφήνονται «αιωρούμενες» (μη γειωμένες), ενώ τα υπόλοιπα συστήματα μέτρησης και ελέγχου είναι αξιόπιστα γειωμένα.
Εσωτερικές παρεμβολές συστήματος
- Αυτό πηγάζει κυρίως από την αμοιβαία ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία μεταξύ εξαρτημάτων και κυκλωμάτων εντός του συστήματος-για παράδειγμα, την αμοιβαία ακτινοβολία μεταξύ λογικών κυκλωμάτων, την αμοιβαία επιρροή μεταξύ αναλογικών και ψηφιακών γειώσεων ή τη χρήση αταίριαστων στοιχείων.
- Τα θωρακισμένα καλώδια θα πρέπει να επιλέγονται για γραμμές σήματος ή ελέγχου ώστε να αποφεύγονται παρεμβολές.
- Όταν οι διαδρομές καλωδίων είναι μεγάλες-για παράδειγμα, υπερβαίνουν τα 100 μέτρα-η διατομή-των αγωγών θα πρέπει να αυξάνεται.
- Οι γραμμές σήματος ή ελέγχου πρέπει να δρομολογούνται μέσω αγωγών για να αποφευχθεί η αμοιβαία παρεμβολή με τις γραμμές παροχής ρεύματος.
- Τα κύρια σήματα που μεταδίδονται θα πρέπει ιδανικά να είναι σήματα ρεύματος, καθώς παρουσιάζουν ανώτερα χαρακτηριστικά εξασθένησης και θόρυβο. Σε πρακτικές εφαρμογές, ωστόσο, οι έξοδοι αισθητήρων είναι κυρίως σήματα τάσης. Αυτά μπορούν να μετατραπούν σε σήματα ρεύματος χρησιμοποιώντας κατάλληλους μετατροπείς.
- Για να φιλτράρετε το τροφοδοτικό συνεχούς ρεύματος για ευαίσθητα αναλογικά κυκλώματα, μπορούν να προστεθούν δύο πυκνωτές 0,01 µF (630 V): συνδέστε έναν ακροδέκτη κάθε πυκνωτή στους θετικούς και αρνητικούς ακροδέκτες του τροφοδοτικού, αντίστοιχα, και συνδέστε τον άλλο ακροδέκτη κάθε πυκνωτή στη γείωση του πλαισίου. Αυτή η μέθοδος είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική.
- Το στρώμα θωράκισης του πλευρικού καλωδίου ελέγχου του ακροδέκτη-θα πρέπει να συνδεθεί στην αναφορά 0V στην πλακέτα κυκλώματος. στο άκρο του οδηγού, ωστόσο, η ασπίδα *δεν* πρέπει να είναι συνδεδεμένη-απλώς αφαιρέστε ένα τμήμα της πλεξούδας θωράκισης, στρίψτε το σε ένα σκέλος και αφήστε το εκτεθειμένο.
- Χρησιμοποιήστε φίλτρα ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών (EMI). Εναλλακτικά, κολλήστε αντιστάσεις κατά των παρεμβολών- στις γραμμές ελέγχου ή εγκαταστήστε δακτυλίους φερρίτη στις γραμμές τροφοδοσίας του κινητήρα.