Современные структуры синхронизации осей сервоприводов Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Современные структуры синхронизации осей сервоприводов

Ромашков Александр Леонидович

аспирант, Национальный исследовательский университет «МЭИ»,

Ладыгин Анатолий Николаевич

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

В настоящее время в литературе нельзя найти 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 рассмотрены основные современные методы и структуры синхронизации осей сервоприводов, проанализированы показатели качества и точность синхронизации каждого отдельно взятого метода, определены возможные варианты применения методов синхронизации осей сервоприводов в промышленных технологических установках, сделаны выводы по работе, позволяющие подобрать наиболее оптимальный метод синхронизации при проектировании, наладке и модернизации систем, где необходима синхронизация приводов с определенной точностью. Ключевые слова: 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]

Сервопривод - электропривод, обеспечивающий исполнение команд и заданий, управляющих скоростью или положением рабочих или регулирующих органов машин и технологических установок, с требуемой точностью [2].

В настоящее время синхронизация сервоприводов выполняется как синхронизация скоростей, или как синхронизация перемещений. Синхронизация скоростей необходима в системах многодвигательных механизмов, взаимосвязанных гибким материалом. Синхронизация перемещений необходима в установках, к которым предъявляются повышенные требования по скорости выполнения операции и точности положения в каждый момент времени [1].

Перед выполнением анализа и сравнения различных методов синхронизации осей сервоприводов необходимо дать определение синхронизации и четко определить критерии оценки синхронизации осей.

О 55 I» £

55 П П

о ы

а

а

«

а б

В данной статье для анализа и сравнения были определены следующие критерии оценки синхронизации:

1. точность синхронизации скорости;

2. точность синхронизации перемещений.

Для исключения возможных разночтений, необходимо дать определение этим критериям:

Точность - это характеристика, отражающая степень истинного соответствия чему-либо. [6] Так же точность определяется как характеристика качества измерений, отражающая близость к нулю погрешностей их результатов. [5].

Еще одно определение точности - это степень близости результата измерений к принятому опорному значению.

Синхронизация (от греч. зупеИгопоэ - одновременный) - приведение двух или нескольких процессов к синхронности, т. е. к такому их протеканию, когда одинаковые или соответствующие элементы процессов совершаются одновременно [3].

Таким образом точность синхронизации скорости (перемещений) - приведение двух или нескольких периодически изменяющихся скоростей (перемещений) к взаимному соответствию периодов их протекания с погрешностью результатов близкой к нулю или близостью результата измерений к принятому опорному значению.

Необходимо отметить, что некоторые производители комплектных сервоприводов разделяют сервопреобразователи, как для работы с серводвигателями, так и для работы с асинхронными двигателями. Разные типы используемых электродвигателей дают преимущество выбора пользователям, но отличаются по качеству регулирования и качеству синхронизации двух и более приводов.

Синхронизация скоростей

Задачи синхронизации скоростей валов нескольких электродвигателей, механически не связанных между собой, приходится решать в различных промышленных применениях. Зачастую можно обойтись без использования ПЛК и специализированных блоков синхронизации, только возможностями современных преобразователей [3].

Рассмотрим некоторые методы синхронизации осей сервоприводов:

3. с последовательным (каскадным) управлением, когда с изменением скорости предыдущего электропривода изменяются в определенном соотношении скорости последующих электроприводов;

4. параллельном (независимым) управлением;

5. комбинированным управлением, сочетающим в себе способы последовательного и параллельного управления.

Все рассмотренные выше методы синхронизации скоростей можно осуществить различными вариантами применения и согласования оборудования.

1) Синхронизация без использования датчиков обратной связи по скорости

Данный метод наиболее прост в реализации, не требует дополнительных устройств (интерфейсных плат, датчиков обратной связи и др.). Может быть обеспечена точность синхронизации скоростей, с абсолютной погрешностью в пределах +/- 1 %. Здесь, относительная погрешность синхронизации скоростей определяется как:

а =

П00 %,

1.1

0

где а - относительная погрешность;

01 - фактическая скорость привода 1;

02 - фактическая скорость привода 2;

В данном случае на точность регулирования так же будет влиять разрядность АЦП и ЦАП ведущего и ведомого преобразователей, так как сигнал задания на ведущий привод поступает в качестве аналогового сигнала, который преобразуется в цифровой сигнал внутри преобразователя для дальнейшего управления двигателем.

Синхронизация по аналоговым входам-выходам:

Сигнапзадания

О .-106 или 4 ,20мА

0. 10В

или4...20мА

П2

А1

Рис. 1. Последовательная синхронизация по аналоговым входам-выходам

При применении данного метода, возможно настроить смещение скоростей, отмасштабиро-вав аналоговый вход второго преобразователя (П2) или аналоговый выход П1. Можно реализовать практически на любых моделях преобразователей с хорошим аналоговым выходом (разрядность ЦАП не меньше 10).

В простейшем варианте можно просто давать параллельное задание:

Сигнап задания

0...10В или* 20чА

П2

А1

Рис. 2. Параллельная синхронизация по аналоговым входам-выходам

В данных методах скорость синхронизируется по аналоговому сигналу задания путем его подачи на аналоговый вход преобразователя. Этот метод подходит для таких установок, в которых нужно синхронизировать работу сервоприводов, которые работают, к примеру, на параллельных конвейерах.

Комбинированная синхронизация скоростей сервоприводов применяется при использовании 3-х и более сервопреобразователей, где как минимум 2 из них синхронизируются по одному из вышеописанных методов, поэтому в данной статье этот метод не будет рассматриваться более подробно отдельно.

Оценка методов синхронизации:

Относительная погрешность синхронизации скорости/перемещений Возможность синхронизации скорости и синхронизации перемещений

± 1 % Только синхронизация скорости

Синхронизация по последовательному интерфейсу:

Сигнал заданий ^

0...10Ё или -1 2СмА

П1 ведущий

AI СОМ RS-«5

П2

ведомый

сом

Рис. 3. Синхронизация по последовательному интерфейсу

При использовании данного метода, сигнал задания является аналоговым, а синхронизирующие сигналы передаются второму преобразователю по встроенному цифровому интерфейсу. Здесь точность задания скорости ведомого преобразователя (П2) не зависит от разрядности ЦАП аналоговых входов-выходов. В данном случае относительная погрешность синхронизации скоростей определяется по формуле (1.1) и составляет 0,5 %.

Не все частотные преобразователи, имеющие коммуникационные порты, предназначены для такого режима. Для осуществления синхронизации по данному методу, преобразователи должны поддерживать режим работы «Master/Slave». Кроме того, в данном методе синхронизируемыми двигателями могут являться как асинхронные двигатели, так и синхронные двигатели с постоянными магнитами (серводвигатели). Оценка метода синхронизации производилась при синхронизации асинхронных двигателей.

Оценка методов синхронизации:

Относительная погрешность синхронизации скорости/перемещений Возможность синхронизации скорости и синхронизации перемещений

± 0,5 % Только синхронизация скорости

2) Синхронизация по импульсным сигналам с датчиками обратной связи по скорости

Данный метод позволяет обеспечить более высокую точность синхронизации скоростей, чем при синхронизации по аналоговым входам-выходам, так как присутствуют датчики обратной связи, ведомому приводу передается цифровой сигнал задания, а не аналоговый.

Метод востребован в полиграфическом оборудовании; в различных типах намотчиков, прокатных станов; в упаковочных и фасовочных линиях; в оборудовании по производству пленки и т.д. Поэтому при использовании данного метода синхронизации, необходимо применять серводвигатели.

Вариант 1. Оба преобразователя (ведущий и ведомый) работают с обратной связью по скорости:

Рис. 4. Синхронизация по сигналам с датчиков обратной связи

Вариант 2. Данный метод используется, когда ведущий привод нерегулируемый, или с простым не векторным преобразователем частоты, или без возможности работать с обратной связью:

О В

I»

£

55 т П Н

Рис. 5. Синхронизация с нерегулируемым ведущим преобразователем

о ы

а

В данном случае относительная погрешность синхронизации скоростей так же определяется по формуле (1.1) и составляет 0,1 %.

Оценка описанных методов синхронизации:

Относительная погрешность синхронизации скорости/перемещений Возможность синхронизации скорости и синхронизации перемещений

± 0,1 % Только синхронизация скорости

Синхронизация перемещений

При синхронизации перемещений уже нельзя обойтись встроенными средствами преобразователя, поэтому необходимо добавить в систему управления контроллер перемещения. Принципиальной особенностью режима синхронного управления перемещениями является сравнение углового положения роторов синхронизируемых двигателей.

Данный метод позволяет обеспечить синхронизацию как перемещений, так и скоростей. Относительная погрешность синхронизации скоростей, при использовании данного метода, определяется по формуле (1.1) и составляет 0,05 %. Относительная погрешность синхронизации перемещений будет определяться по формуле:

51 _ 52

а=

-□100 %,

1.2

где а - относительная погрешность;

51 - фактическое перемещение привода 1;

52 - фактическое перемещение привода 2;

Метод востребован в манипуляторах, упаковочном оборудовании, системах с перемещением по следящим датчикам с заранее неизвестной траекторией и пр. оборудовании. При данном методе, для получения наилучших характеристик системы, обязательно использование серводвигателей в качестве синхронизируемых.

3

а б

Рис. 6. Синхронизация по импульсным сигналам с контроллера

Оценка описанных методов синхронизации:

Относительная погрешность синхронизации скорости/перемещений Возможность синхронизации скорости и синхронизации перемещений

± 0,05/± 0,05 % Синхронизация скорости и синхронизация перемещений

Заключение

В заключение необходимо отметить, что приведенный в статье анализ точности для различных систем синхронизации осей сервоприводов, направлен на помощь при проектировании и модернизации систем сервоприводов. Приведем сводную оценочную таблицу всех рассмотренных методов синхронизации осей сервоприводов.

Таблица 1

Метод син- Относительная по- Возможность синхро-

хрониза- грешность синхрони- низации скорости и

ции зации скорости/перемещений синхронизации перемещений

По аналого- ± 1 % Только синхронизация

вым вхо- скорости

дам-

выходам

По после- ± 0,5 % Только синхронизация

дователь- скорости

ному интерфейсу

По им- ± 0,1 % Только синхронизация

пульсным скорости

сигналам с

датчиками обратной

связи

С примене- ± 0,05/± 0,05 % Синхронизация скоро-

нием кон- сти и синхронизация

троллера перемещений

перемеще-

ния

Так же необходимо отметить, что рассмотренные методы синхронизации сервоприводов, достаточно разнообразны, а варианты их применения обширны и неоднозначны, что в свою очередь создает дополнительные сложности при проектировании и выборе систем синхронизации сервоприводов.

Литература

1. Белов, М. П. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов [Текст] / М. П. Белов, В. А. Новиков, Л. Н. Рассудов. М.: Академия - 2007. - 576 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. Мир энциклопедий [Электронный ресурс]. - Большая советская энциклопедия. -http://www.encyclopedia.ru/cat/books/book/38231.

6. Толковый словарь Ожегова онлайн [Электронный ресурс]. -https://slovarozhegova.ru/word.php?wordid=32072.

Modern structures of synchronization of axes servodrives 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 servodrives.

The main modern methods and structures of synchronization of axes of servo drives are analyzed, the quality indicators and the synchronization accuracy of each individual method are analyzed, possible options for using synchronization methods for servo axes in industrial process units are determined, conclusions on the work are obtained that allow choosing the most optimal synchronization method for designing , adjustment and modernization of systems, where synchronization of drives with a certain accuracy is necessary.

Keywords: servodrive, synchronization methods, synchronization of speeds, synchronization of movements, synchronization accuracy.

References

1. Belov, MP. Automated electric drive of typical production mechanisms and technological complexes. [Text] / MP Belov, VA Novikov, LN Rassudov. Moscow: Academy -2007. - 576 p.

2. Bychkov, MG Modern Servo Drive - Classification and Terminology [Text] / MG Bychkov, AN Ladygin. - М .: Publishing house MEI, 2013. - Reports of the scientific-methodical seminar. Servo. - 88 sec.

3. Terekhov, VM Control Systems of Electric Drives [Text] / VM

Terekhov, OI Osipov. Moscow: Academy - 2005. - 304 p.

4. Romashkov, AL Development of an initial practical training workshop on servo drive [Text] / AL Romashkov, AN Ladygin. - Perm .: Publisher of the Perm National Research Polytechnic University, 2016. - Proceedings of the IX International (XX All-Russian) Conference on Automated Electric Drive AEP-2016. - 615 sec.

5. The world of encyclopedias [Electronic resource]. - Great Soviet Encyclopedia. -http://www.encyclopedia.ru/cat/books/book/38231.

6. Explanatory dictionary Ozhegova online [Electronic resource].

- https://slovarozhegova.ru/word.php?wordid=32072.

0 R U

£

R

n

H