Разработка лабораторного стенда синхронизации сервоприводов Lexium Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Разработка лабораторного стенда синхронизации сервоприводов Lexium

Ромашков Александр Леонидович

аспирант, Национальный исследовательский университет «МЭИ»,

Ладыгин Анатолий Николаевич

к.т.н., профессор, Национальный исследовательский университет «МЭИ»

В настоящее время в литературе нет исчерпывающих рекомендаций по построению структур систем синхронизации осей сервоприводов. При этом известно, что эти структуры, а так же алгоритмы их работы, должны зависеть от технологических требований со стороны конкретных установок, оси которых приводятся в движение сервоприводами. В данной статье представлено описание разработки и реализации лабораторного стенда для синхронизации осей сервоприводов, на базе оборудования Schneider Electric. Для построения стенда были выбраны современные серво-преобразователи Lexium 32M и высокоскоростные серводвигатели серии BSH.

Так же на лабораторном стенде были проведены эксперименты по синхронизации осей сервоприводов с использованием различных современных методов проанализированы показатели качества и точность синхронизации каждого отдельно взятого метода.

Ключевые слова: лабораторный стенд, сервопривод, методы синхронизации, синхронизация скоростей, синхронизация перемещений, точность синхронизации.

Введение

Применение сервоприводов, в различных технологических процессах (установках), неуклонно расширяется. Сервопривода позволяют решать актуальные задачи автоматизации технологических установок, в таких областях как робототехника, упаковка, изготовление бумаги, обработка материалов и др. Как правило, такие установки содержат по несколько осей, приводимых в движение сервоприводами. При этом, часто требуется синхронизация осей, приводимых в движение сервоприводами [2].

Одновременно, тенденция все более широкого применения сервоприводов в оборудовании автоматизированных машин и технологических комплексов имеет своим следствием растущую потребность в специалистах со знанием принципов работы сервосистем, особенностей их наладки и сервиса, специалистов способных разрабатывать и применять системы с сервоприводом. [4]

В связи с этим, была поставлена следующая цель: разработать лабораторный стенд синхронизации осей сервоприводов для проверки теоретических данных о различных методах синхронизации сервоприводов.

Выбор и описание преобразователя и серводвигателя

Для построения лабораторного стенда необходимо правильно подобрать оборудование, которое будет отвечать всем современным требованиям, обладать высоким откликом на задание, иметь различные интерфейсы для синхронизации. Так же немаловажным фактором являются габариты как преобразователя, так и серводвигателя. [3] Исходя из вышеперечисленных требований, были выбраны комплектные сервопреобразователи Lexium 32M фирмы Schneider Electric с высокоскоростными серводвигателями серии BSH.

Семейство продуктов Lexium 32 состоит из различных моделей сервоприводов, которые охватывают различные области применения. Вместе с серводвигателями Lexium BMH или серводвигателями Lexium BSH, а также с обширным ассортиментом опций и аксессуаров, приводы идеально подходят для реализации

х

X

о го А с.

X

го m

о

ю 2

М О

о

сч

сч

OI

О Ш

m

X

<

m О X X

компактных, высокопроизводительных решении для широкого спектра требований по мощности.

Описание особенностей сервопривода:

Гибкость продукта позволяет адаптировать его для широкого круга задач с помощью многочисленных модулей.

Доступные модули включают в себя сети ОАЫореп/ОАЫтойоп, йеуюеЫе^ РгоНЬиэ йР и ЕШегпеМР.

Модуль энкодера позволяет добавить второй энкодорный интерфейс для цифровых энкоде-ров, аналоговых энкодеров или резольверов.

Продукт вводится в эксплуатацию через интегрированный НМ1, ПК с программным обеспечением ввода в эксплуатацию или по сети.

Функция безопасности «Безопасное отключение момента» (ЭТО) в соответствии с 1ЕО 61800-5-2 присутствует в самом устройстве. Дополнительный модуль безопасности ЕЭМ предлагает дополнительные функции безопасности.

Слот для карт памяти предназначен для резервного бэкапа и копирования параметров, а так же быстрой замены устройства.

Обзор компонентов и интерфейсов серво-преобразователя представлен на рисунке 1. [1]

Рисунок 1 - Обзор компонентов и интерфейсов ¡-вх'шт 32 (ОЫ1) - Подключение к сети (блок питания) (ОЫ2) - Разъем для: Питание контроллера 24 В Функция безопасности ЭТО (ОЫ3) - Подключение энкодера двигателя (энкодер 1)

(ОЫ4) - Разъем для РТО (Шлейф импульсных выходов)

ЕЭ1М (симуляция энкодера) (ОЫ5) - Разъем для РТ1 (Шлейф импульсных входов)

Импульс/направление

Сигналы энкодера А/В CW/CWW импульсы (CN6) - Входы и выходы 6 конфигурируемых цифровых входов 3 конфигурируемых цифровых выхода (CN7) - Modbus (Интерфейс ввода в эксплуатацию)

(CN8) - Разъем для внешнего тормозного резистора

(CN9) - Разъем шины постоянного тока (CN10) - Подключение фаз двигателя (CN11) - Подключение стояночного тормоза двигателя

(Slot 1) - Слот для модуля безопасности (Slot 2) - Слот для модуля энкодера (Энкодер 2) или модуля расширения цифровых/аналоговых сигналов

(Slot 3) - Слот для сетевого модуля Серводвигатели серии BSH отличаются превосходной динамикой и точностью в диапазоне моментов от 0,42 до 36 Н^м и скоростей от 750 до 8000 об/мин. Благодаря датчику положения ротора SinCos Hiperface двигателей BSH преобразователь Lexium 32 автоматически получает номинальные характеристики двигателя. Ручная регулировка параметров двигателя не требуется. Функция автонастройки Lexium 32 автоматически определяет оптимальные коэффициенты усиления контуров регулирования в зависимости от механической части установки для различных видов перемещения.

Лабораторный стенд состоит из: двух сервоприводов Lexium 32M, каждый из которых оснащен модулем расширения аналоговых/цифровых сигналов, а так же имеет собственный серводвигатель, ПК с предустановленным ПО SoMove, кабеля-преобразователя TCSMCNAM3M002P для подключения сервопреобразователя к ПК. Методы синхронизации Для проверки теоретических данных по точности синхронизации были выбраны следующие методы синхронизации сервоприводов: синхронизация скорости по аналоговым сигналам при параллельном задании сигнала (рисунок 2,а), синхронизация скорости по аналоговым сигналам при последовательном задании сигнала, когда один из сервопреобразователей является ведущий, а второй ведомым (рисунок 2,б).

П1 AI задание ±\ ,_ П2 AI

- — -

I— I—

Рисунок 2 - Варианты задания сигнала на синхронизируемые преобразователи

При синхронизации сервоприводов по аналоговым сигналам, исходя из теоретических данных, точность синхронизации составляет порядка ±1 %. [статья]

Ход выполнения эксперимента А) Синхронизация скорости при параллельном задании

При параллельном задании, необходимо подключить сигнал задания 0-10 В на пины 6 и 7 модуля расширения одного из сервопреобразо-вателей (рисунок 3), а так же на пины 6 и 7 второго сервопреобразователя. Схема подключения преобразователей представлена на рис. 4.

Рисунок 3 - Пины модуля расширения сигналов

Рисунок 4 - Схема подключения преобразователей при параллельном задании сигнала

При проведении эксперимента на входы преобразователей подавались сигналы амплитудой 5 В и 10 В. Графики скорости вращения выходного вала каждого из сервоприводов представлены на рисунках ниже.

Рисунок 5 - Снятие графика скорости первого сервопривода при напряжении 5 В

Рисунок 6 - Снятие графика скорости второго сервопривода при напряжении 5 В

Рисунок 7 - Снятие графика скорости первого сервопривода при напряжении 10 В

т а ^ ьм я

шж* . а и » © . —

д- Г-

Рисунок 8 - Снятие графика скорости второго сервопривода при напряжении 10 В

Проанализировав графики скорости вращения выходного вала каждого из сервоприводов при напряжении задания 5 В, а так же при напряжении задания 10 В, можно рассчитать абсолютную погрешность синхронизации скорости, по формуле 1, для данного метода синхронизации и сравнить полученные значения с теоретическими.

х

X

о

го А с.

X

го т

о

ю 2

М О

а = [100%, 1

о

сч

сч

О!

О Ш

т

X

3

<

т о х

X

0

где а - относительная погрешность;

0 - фактическая скорость привода 1; 02 - фактическая скорость привода 2; Результаты расчетов сведены в таблицу 1.

Таблица 1

Результаты при синхронизации скорости при параллельном задании

Относительная теоретическая погрешность синхронизации скорости Относительная погрешность синхронизации скорости при задании 5 В Относительная погрешность синхронизации скорости при задании 10 В

± 1 % 0,86 % 0,88 %

Б) Синхронизация скорости при последовательном задании

При последовательном задании один из приводов является ведущим, второй ведомым. Необходимо подключить сигнал задания 0-10 В на пины 6 и 7 модуля расширения одного из серво-преобразователей (рисунок 3), который будет являться ведущим. Пины 6 и 7 ведомого серво-преобразователя необходимо подключить на пины 3 и 4 ведущего соответственно. Схема подключения преобразователей представлена на рисунке 9.

Рисунок 9 - Схема подключения преобразователей при последовательном задании сигнала

При проведении эксперимента на входы преобразователей так же подавались сигналы амплитудой 5 В и 10 В. Графики скорости вращения выходного вала каждого из сервоприводов представлены на рисунках ниже.

Рисунок 10 - Снятие графика скорости ведущего сервопривода при напряжении 5 В

Рисунок 11 - Снятие графика скорости ведомого сервопривода при напряжении 5 В

Рисунок 12 - Снятие графика скорости ведущего сервопривода при напряжении 10 В

Рисунок 13 - Снятие графика скорости ведомого сервопривода при напряжении 10 В

Так же необходимо проанализировать графики скорости при данном методе синхронизации, рассчитать абсолютную погрешность синхронизации и сравнить ее с теоретическими данными. Результаты расчетов сведены в таблицу 2.

Таблица 2

Результаты при синхронизации скорости при последовательном задании

Относительная теоретическая погрешность синхронизации скорости Относительная погрешность синхронизации скорости при задании 5 В Относительная погрешность синхронизации скорости при задании 10 В

± 1 % 0,81 % 0,85 %

Заключение

В заключение необходимо отметить, что приведенный в статье анализ точности для различных систем синхронизации осей сервоприводов, подтвердил полученные ранее теоретические данные о точности синхронизации, и направлен на помощь при проектировании и модернизации систем сервоприводов. Так же стоит обратить внимание на методы синхронизации осей сервоприводов по цифровым интерфейсам, которые в настоящий момент являются более перспективными.

Литература

1. ЬХМ32М Сервопривод переменного тока, инструкция по применению - М.: 2016. - 692 с..

2. Бычков, М. Г. Современный сервопривод -классификация и терминология [Текст] / М. Г. Бычков, А. Н. Ладыгин. - М.: Издательство МЭИ, 2013. - Доклады научно-методического семинара. Сервопривод. - 88 с.

3. Терехов, В. М. Системы управления электроприводов [Текст] / В. М. Терехов, О. И. Осипов. М.: Академия - 2005. - 304 с.

4. Ромашков, А. Л. Разработка учебного практикума начального уровня по сервоприводу [Текст] / А. Л. Ромашков, А. Н. Ладыгин. -Пермь.: Издательство Пермского национального исследовательского политехнического университета, 2016. - Труды IX Международной (XX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2016. - 615 с.

5. Ромашков, А. Л. Современные структуры синхронизации осей сервоприводов [Текст] / А. Л. Ромашков, А. Н. Ладыгин. // Инновации и инвестиции. - 2018. - № 6. С. 211-216.

Development of laboratory stand synchronization ser-

vodrive Lexium Romashkov A.L., Ladygin A.N.

National Research University «MPEI»

At the present time in the literature it is impossible to find exhaustive recommendations for constructing the structures of synchronization systems for servo axes. It is known that these structures, as well as the algorithms of their operation, should depend on the technological requirements from specific installations, the axes of which are driven by ser-vodrives.

This article describes the development and implementation of a laboratory stand for synchronizing servo drives, based on Schneider Electric equipment. To build the stand, modern Lexium 32M servo drives and high-speed servomotors of the BSH series were chosen. Also on the laboratory bench, experiments on synchronization of servo axes with the use of various modern methods were carried out. The quality indicators and the synchronization accuracy of each individual method were analyzed. Keywords: laboratory stand, servodrive, synchronization methods, synchronization of speeds, synchronization of movements, synchronization accuracy.

References

1. LXM32M Servo AC, instructions for use - M .: 2016. - 692 p.

2. Bychkov, M. G. Modern servo drive - classification and terminology [Text] / M. G. Bychkov, A. N. Ladygin. - M .: Publishing House of Moscow Power Engineering Institute, 2013. - Reports of the scientific and methodological seminar. Servo. - 88 s.

3. Terekhov, V. M. Control systems of electric drives [Text] / V.

M. Terekhov, O. I. Osipov. M .: Academy - 2005. - 304 p.

4. Romashkov, A. L. Development of an entry-level training workshop on servo [Text] / A. L. Romashkov, A. N. Ladygin. - Perm .: Publishing house of the Perm National Research Polytechnic University, 2016. - Proceedings of the IX International (XX All-Russian) conference on the automated electric drive AEP-2016. - 615 s.

5. Romashkov, A. L. Modern structures of servo axis synchronization [Text] / A. L. Romashkov, A. N. Ladygin. // Innovation and investment. - 2018. - № 6. P. 211-216.

X X О го А С.

X

го m

о

ю 2

М О