Os servossistemas são parte integrante dos produtos eletromecânicos, proporcionando o mais alto nível de resposta dinâmica e densidade de torque.
Conseqüentemente, a tendência no desenvolvimento de sistemas de acionamento é substituir os tradicionais acionamentos hidráulicos, CC, de passo e de velocidade variável CA por servoacionamentos CA.
Esta transição visa elevar o desempenho do sistema a um novo nível, incluindo ciclos mais curtos, maior produtividade, maior confiabilidade e maior vida útil.
Para maximizar o desempenho dos servomotores, é essencial compreender algumas de suas características exclusivas de uso.
Questão 1: Ruído, Instabilidade
Os clientes frequentemente encontram ruído excessivo e operação instável ao usar servomotores em determinadas máquinas. Quando estes problemas surgem, a primeira reação de muitos usuários é questionar a qualidade do servo motor.
Isso ocorre porque quando eles mudam para motores de passo ou motores de frequência variável para acionar a carga, o ruído e a instabilidade geralmente diminuem significativamente.
À primeira vista, parece realmente ser um problema com o servo motor.
Contudo, uma análise cuidadosa do princípio de funcionamento do servo motor revela que esta conclusão é totalmente equivocada.
O sistema servo CA consiste em um servo acionamento, um servo motor e um sensor de feedback (geralmente, o servo motor vem com um codificador óptico).
Todos esses componentes operam dentro de um sistema de controle de malha fechada: o inversor recebe informações de parâmetros externas e, em seguida, fornece uma corrente específica ao motor, que a converte em torque para acionar a carga.
A carga executa ações ou acelera/desacelera com base em suas características.
O sensor mede a posição da carga, permitindo que o dispositivo de acionamento compare o valor da informação definida com o valor da posição real. Em seguida, ajusta a corrente do motor para manter o valor da posição real consistente com o valor de informação definido.
Quando uma mudança repentina de carga causa uma variação de velocidade, o encoder retransmitirá imediatamente essa mudança de velocidade para o servoconversor.
O inversor então altera a corrente fornecida ao servo motor para acomodar a mudança de carga e retornar à velocidade predefinida.
O sistema servo AC é um sistema de malha fechada altamente responsivo, onde o intervalo de tempo de resposta entre a flutuação da carga e a correção da velocidade é muito rápido. Neste ponto, a principal limitação na resposta do sistema é o tempo de transmissão do dispositivo de conexão mecânica.
Para fornecer um exemplo simples: considere uma máquina que utiliza um servo motor para acionar uma carga de alta inércia e velocidade constante por meio de uma correia em V. Todo o sistema precisa manter uma velocidade constante e características de resposta rápida. Vamos analisar seu processo de operação.
Quando o inversor fornece corrente ao motor, o motor gera torque imediatamente. Inicialmente, devido à elasticidade da correia em V, a carga não acelera tão rapidamente quanto o motor.
O servo motor atinge a velocidade definida antes da carga, momento em que o encoder montado no motor enfraquece a corrente, reduzindo posteriormente o torque. À medida que a tensão na correia em V aumenta continuamente, a velocidade do motor diminui.
Então, o driver aumenta a corrente novamente e esse ciclo se repete. Conta oficial: Projeto mecânico não padrão do SolidWorks.
Neste caso, o sistema oscila, o torque do motor flutua e a velocidade da carga flutua de acordo.
O ruído, desgaste e instabilidade resultantes são inevitáveis. No entanto, estes não são causados pelo servo motor. Tal ruído e instabilidade originam-se do dispositivo de transmissão mecânica e são devidos a uma incompatibilidade entre a alta velocidade da resposta do servo sistema e a transmissão mecânica ou tempo de resposta mais longo.
Ou seja, a resposta do servo motor é mais rápida que o tempo necessário para o sistema se ajustar ao novo torque.
Após identificar a raiz do problema, resolvê-lo fica muito mais fácil. Referindo-se ao exemplo anterior, você poderia:
(1) Aumentar a rigidez mecânica e reduzir a inércia do sistema, diminuindo assim o tempo de resposta das peças de transmissão mecânica. Por exemplo, substitua as correias em V por aparafusadores diretos ou use caixas de engrenagens em vez de correias em V.
(2) Diminua a velocidade de resposta do servo sistema e reduza a largura de banda de controle do servo sistema, como diminuir o valor de ganho do servo sistema.
Claro, estas são apenas algumas razões para ruído e instabilidade. Existem diferentes soluções para diferentes causas. Por exemplo, o ruído causado pela ressonância mecânica pode ser resolvido através da implementação de supressão de ressonância ou filtragem passa-baixa no sistema servo. Concluindo, as causas do ruído e da instabilidade geralmente não são devidas ao próprio servo motor.
Emitir 2: Correspondência de Inércia
Durante a seleção e ajuste de servossistemas, surge frequentemente o problema da inércia. Especificamente, manifesta-se da seguinte forma:
1. Ao escolher um sistema servo, além de considerar fatores como torque e velocidade nominal do motor, primeiro precisamos calcular a inércia do sistema mecânico convertido no eixo do motor.
Em seguida, escolhemos um motor com tamanho de inércia adequado, com base nos requisitos reais de ação do maquinário e nos requisitos de qualidade da peça.
2. Durante o ajuste (no modo manual), configurar corretamente o parâmetro da relação de inércia é um pré-requisito para maximizar o desempenho do maquinário e do servo sistema.
Este ponto é particularmente proeminente em sistemas que exigem alta velocidade e alta precisão (o parâmetro da relação de inércia do servo Delta é 1-37, JL/JM). Assim, surge o problema da correspondência por inércia! Então, o que exatamente é “correspondência de inércia”?
1. De acordo com a segunda lei de Newton, o torque necessário para o sistema de alimentação, T, é igual ao momento de inércia do sistema, J, multiplicado pela aceleração angular, θ. A aceleração angular θ impacta as características dinâmicas do sistema. Quanto menor for θ, maior será o tempo desde o comando do controlador até a execução do sistema, resultando em uma resposta mais lenta do sistema. Se θ flutuar, a resposta do sistema variará em velocidade, afetando a precisão da usinagem. Dado que a saída máxima T permanece constante uma vez selecionado o motor, se quisermos alterações mínimas em θ, J deve ser o menor possível.
2. A inércia total do eixo de alimentação, J, é igual à inércia rotacional do servo motor, JM, mais a inércia da carga convertida do eixo do motor, JL. A inércia de carga JL consiste na inércia de componentes lineares e rotativos como a mesa de trabalho (no caso de máquinas-ferramenta), os acessórios e peças sobre ela, o parafuso, o acoplamento, etc., todos convertidos para a inércia do motor haste. JM representa a inércia do rotor do servo motor, que é uma constante quando o servo motor é selecionado, enquanto JL flutua com mudanças na carga, como na peça de trabalho. Se quiser que a taxa de variação em J seja menor, é melhor minimizar a proporção que JL ocupa. Isso é comumente chamado de “correspondência de inércia”.
Agora que entendemos o que é a correspondência de inércia, que impactos específicos ela tem e como é determinada?
Impacto:
A inércia do inversor afeta a precisão, estabilidade e resposta dinâmica do servosistema. Uma inércia maior resulta em uma constante mecânica do sistema maior, resposta mais lenta e uma frequência natural do sistema reduzida, levando potencialmente à ressonância.
Isso limita a largura de banda do servo e afeta a precisão do servo e a velocidade de resposta.
Um aumento apropriado na inércia só é vantajoso quando se melhora o rastreamento em baixa velocidade. Portanto, no projeto mecânico, devem ser feitos esforços para minimizar a inércia sem comprometer a rigidez do sistema.
Determinação:
Ao avaliar as características dinâmicas de um sistema mecânico, quanto menor for a inércia, melhor será a resposta dinâmica do sistema. Por outro lado, uma inércia maior leva a uma carga motora maior, tornando o controle mais desafiador.
Contudo, a inércia do sistema mecânico deve corresponder à inércia do motor. Diferentes mecanismos têm seleções variadas para princípios de correspondência de inércia, cada um com exibições funcionais exclusivas.
Por exemplo, durante o corte em alta velocidade com centro de usinagem CNC através de servo motor, quando a inércia da carga aumenta, ocorre o seguinte:
(1) Quando os comandos de controle mudam, o motor leva um tempo considerável para atingir os requisitos de velocidade da nova instrução;
(2) Erros significativos podem ocorrer quando a máquina opera ao longo de dois eixos para executar cortes arqueados rápidos:
eu. Em circunstâncias normais com servomotores típicos, se JL for menor ou igual a JM, os problemas acima não ocorrerão.
ii. Se JL for igual a 3 vezes JM, a controlabilidade do motor diminuirá ligeiramente, mas isso não afetará o corte rotineiro de metal. (Para corte em curva de alta velocidade, geralmente é recomendado que JL seja menor ou igual a JM).
iii. Quando JL for 3 vezes JM ou mais, a controlabilidade do motor diminuirá significativamente, o que é particularmente perceptível durante o corte em curva de alta velocidade.
Diferentes ações mecânicas e requisitos de qualidade de usinagem exigem relações diferentes entre JL e JM.
A determinação da correspondência de inércia precisa ser baseada nas características tecnológicas da máquina e nos requisitos de qualidade do processo de usinagem.
Emitir 3: Seleção do Servo Motor
Após finalizar o esquema de transmissão mecânica, é necessário selecionar e confirmar o modelo e tamanho do servo motor.
(1) Critérios de seleção
Em geral, a seleção de um servo motor deve satisfazer as seguintes situações:
- A velocidade máxima de rotação do motor > a maior velocidade de movimento necessária do sistema;
- A inércia do rotor do motor corresponde à inércia da carga;
- O torque de trabalho de carga contínua ≤ o torque nominal do motor;
- O torque máximo de saída do motor > o torque máximo requerido do sistema (torque de aceleração).
(2) Cálculos de seleção
- Cálculo de correspondência de inércia (JL/JM);
- Cálculo da velocidade rotacional (velocidade de rotação final da carga, velocidade de rotação final do motor);
- Cálculo do torque de carga (torque de trabalho de carga contínua, torque de aceleração).
