Los servosistemas son una parte integral de los productos electromecánicos y proporcionan el más alto nivel de respuesta dinámica y densidad de par.
En consecuencia, la tendencia en el desarrollo de sistemas de accionamiento es reemplazar los tradicionales accionamientos de velocidad variable hidráulicos, de CC, paso a paso y de CA por servoaccionamientos de CA.
Esta transición tiene como objetivo llevar el rendimiento del sistema a un nuevo nivel, incluidos ciclos más cortos, mayor productividad, mayor confiabilidad y una vida útil más larga.
Para maximizar el rendimiento de los servomotores, es esencial comprender algunas de sus características de uso únicas.
Problema 1: ruido, inestabilidad
Los clientes suelen encontrar ruido excesivo y funcionamiento inestable cuando utilizan servomotores en determinadas máquinas. Cuando surgen estos problemas, la primera reacción de muchos usuarios es cuestionar la calidad del servomotor.
Esto se debe a que cuando cambian a motores paso a paso o motores de frecuencia variable para impulsar la carga, el ruido y la inestabilidad suelen disminuir significativamente.
A primera vista, en realidad parece ser un problema con el servomotor.
Sin embargo, un análisis cuidadoso del principio de funcionamiento del servomotor revela que esta conclusión es completamente errónea.
El servosistema de CA consta de un servoaccionamiento, un servomotor y un sensor de retroalimentación (generalmente, el servomotor viene con un codificador óptico).
Todos estos componentes operan dentro de un sistema de control de circuito cerrado: el inversor recibe información de parámetros externos y luego suministra una corriente específica al motor, que la convierte en torque para impulsar la carga.
La carga realiza acciones o acelera/desacelera en función de sus características.
El sensor mide la posición de la carga, lo que permite que el dispositivo de accionamiento compare el valor de información establecido con el valor de posición real. Luego ajusta la corriente del motor para mantener el valor de posición real consistente con el valor de información establecido.
Cuando un cambio repentino de carga provoca una variación de velocidad, el codificador transmitirá inmediatamente este cambio de velocidad al servoaccionamiento.
Luego, el inversor cambia la corriente suministrada al servomotor para adaptarse al cambio de carga y volver a la velocidad preestablecida.
El servosistema de CA es un sistema de circuito cerrado de alta capacidad de respuesta, donde el intervalo de tiempo de respuesta entre la fluctuación de carga y la corrección de velocidad es muy rápido. En este punto, la principal limitación en la respuesta del sistema es el tiempo de transmisión del dispositivo mecánico de conexión.
Para proporcionar un ejemplo simple: considere una máquina que utiliza un servomotor para impulsar una carga de alta inercia y velocidad constante a través de una correa trapezoidal. Todo el sistema necesita mantener una velocidad constante y características de respuesta rápida. Analicemos su proceso de operación.
Cuando el inversor suministra corriente al motor, el motor genera inmediatamente par. Inicialmente, debido a la elasticidad de la correa trapezoidal, la carga no acelera tan rápido como el motor.
El servomotor alcanza la velocidad establecida antes de la carga, momento en el que el codificador montado en el motor debilita la corriente, reduciendo posteriormente el par. A medida que la tensión de la correa trapezoidal aumenta continuamente, la velocidad del motor disminuye.
Luego, el conductor vuelve a aumentar la corriente y este ciclo se repite. Cuenta oficial: diseño mecánico no estándar de SolidWorks.
En este caso, el sistema oscila, el par del motor fluctúa y la velocidad de carga fluctúa en consecuencia.
El ruido, el desgaste y la inestabilidad resultantes son inevitables. Sin embargo, estos no son causados por el servomotor. Dicho ruido e inestabilidad se originan en el dispositivo de transmisión mecánica y se deben a una falta de coincidencia entre la respuesta de alta velocidad del servosistema y la transmisión mecánica o a un tiempo de respuesta más largo.
En otras palabras, la respuesta del servomotor es más rápida que el tiempo necesario para que el sistema se ajuste al nuevo par.
Una vez que identificas la raíz del problema, resolverlo se vuelve mucho más fácil. Haciendo referencia al ejemplo anterior, podrías:
(1) Aumentar la rigidez mecánica y reducir la inercia del sistema, disminuyendo así el tiempo de respuesta de las piezas de transmisión mecánica. Por ejemplo, reemplace las correas trapezoidales con destornilladores directos o use cajas de cambios en lugar de correas trapezoidales.
(2) Disminuir la velocidad de respuesta del servosistema y reducir el ancho de banda de control del servosistema, como disminuir el valor de ganancia del servosistema.
Por supuesto, estas son sólo algunas de las razones del ruido y la inestabilidad. Hay diferentes soluciones para diferentes causas. Por ejemplo, el ruido causado por la resonancia mecánica se puede resolver implementando supresión de resonancia o filtrado de paso bajo en el servosistema. En conclusión, las causas del ruido y la inestabilidad generalmente no se deben al servomotor en sí.
Problema 2: Coincidencia de inercia
Durante la selección y ajuste de servosistemas surge a menudo el problema de la inercia. En concreto, se manifiesta de la siguiente manera:
1. Al elegir un servosistema, además de considerar factores como el par del motor y la velocidad nominal, primero debemos calcular la inercia del sistema mecánico convertido en el eje del motor.
Luego elegimos un motor con un tamaño de inercia adecuado según los requisitos reales de acción de la maquinaria y los requisitos de calidad de las piezas.
2. Durante el ajuste (en modo manual), configurar correctamente el parámetro de relación de inercia es un requisito previo para maximizar el rendimiento de la maquinaria y el servosistema.
Este punto es particularmente prominente en sistemas que requieren alta velocidad y alta precisión (el parámetro de relación de inercia del servo Delta es 1-37, JL/JM). ¡Surge así el problema de la coincidencia de inercia! Entonces, ¿qué es exactamente la “coincidencia de inercia”?
1. Según la segunda ley de Newton, el par requerido por el sistema de potencia, T, es igual al momento de inercia del sistema, J, multiplicado por la aceleración angular, θ. La aceleración angular θ impacta las características dinámicas del sistema. Cuanto menor sea θ, mayor será el tiempo desde el comando del controlador hasta la ejecución del sistema, lo que dará como resultado una respuesta más lenta del sistema. Si θ fluctúa, la respuesta del sistema variará en velocidad, lo que afectará la precisión del mecanizado. Dado que la salida máxima T permanece constante una vez seleccionado el motor, si queremos cambios mínimos en θ, J debe ser lo más pequeño posible.
2. La inercia total del eje de potencia, J, es igual a la inercia rotacional del servomotor, JM, más la inercia de carga convertida del eje del motor, JL. La inercia de carga JL consiste en la inercia de componentes lineales y giratorios como la mesa de trabajo (en el caso de máquinas herramienta), los accesorios y piezas de la misma, el tornillo, el acoplamiento, etc., todo convertido a la inercia del vástago del motor. . JM representa la inercia del rotor del servomotor, que es constante cuando se selecciona el servomotor, mientras que JL fluctúa con los cambios de carga, como en la pieza de trabajo. Si desea que la tasa de cambio en J sea menor, es mejor minimizar la proporción que ocupa JL. Esto se denomina comúnmente "adaptación de inercia".
Ahora que entendemos qué es la coincidencia de inercia, ¿qué impactos específicos tiene y cómo se determina?
Impacto:
La inercia del inversor afecta la precisión, la estabilidad y la respuesta dinámica del servosistema. Una mayor inercia da como resultado una mayor constante mecánica del sistema, una respuesta más lenta y una frecuencia natural del sistema reducida, lo que potencialmente conduce a resonancia.
Esto limita el ancho de banda del servo y afecta la precisión del servo y la velocidad de respuesta.
Un aumento adecuado de la inercia sólo resulta ventajoso cuando se mejora el seguimiento a baja velocidad. Por lo tanto, en el diseño mecánico se deben hacer esfuerzos para minimizar la inercia sin comprometer la rigidez del sistema.
Determinación:
Al evaluar las características dinámicas de un sistema mecánico, cuanto menor sea la inercia, mejor será la respuesta dinámica del sistema. Por otro lado, una mayor inercia conduce a una mayor carga del motor, lo que hace que el control sea más desafiante.
Sin embargo, la inercia del sistema mecánico debe corresponder a la inercia del motor. Los diferentes motores tienen distintas selecciones de principios de coincidencia de inercia, cada uno con pantallas funcionales únicas.
Por ejemplo, durante el corte a alta velocidad con un centro de mecanizado CNC utilizando un servomotor, cuando la inercia de la carga aumenta, ocurre lo siguiente:
(1) Cuando los comandos de control cambian, el motor tarda una cantidad de tiempo considerable en alcanzar los requisitos de velocidad de la nueva instrucción;
(2) Pueden ocurrir errores importantes cuando la máquina opera a lo largo de dos ejes para realizar cortes arqueados rápidos:
I. En circunstancias normales con servomotores típicos, si JL es menor o igual que JM, los problemas anteriores no ocurrirán.
ii. Si JL es igual a 3 veces JM, la capacidad de control del motor disminuirá ligeramente, pero esto no afectará el corte de metal de rutina. (Para cortes curvos de alta velocidad, generalmente se recomienda que JL sea menor o igual que JM).
III. Cuando JL es 3 veces JM o más, la capacidad de control del motor disminuirá significativamente, lo cual es particularmente notable durante el corte de curvas a alta velocidad.
Diferentes acciones mecánicas y requisitos de calidad del mecanizado requieren diferentes relaciones entre JL y JM.
La determinación de la coincidencia de inercia debe basarse en las características tecnológicas de la máquina y los requisitos de calidad del proceso de mecanizado.
Problema 3: Selección del servomotor
Después de finalizar el diagrama de transmisión mecánica, es necesario seleccionar y confirmar el modelo y tamaño del servomotor.
(1) Criterios de selección
En general, la selección de un servomotor debe satisfacer las siguientes situaciones:
- La velocidad de rotación máxima del motor > la velocidad de movimiento más alta requerida del sistema;
- La inercia del rotor del motor corresponde a la inercia de la carga;
- El par de trabajo de carga continua ≤ el par nominal del motor;
- El par máximo de salida del motor > el par máximo requerido del sistema (par de aceleración).
(2) Cálculos de selección
- Cálculo de correspondencia de inercia (JL/JM);
- Cálculo de la velocidad de rotación (velocidad de rotación final de la carga, velocidad de rotación final del motor);
- Cálculo del par de carga (par de trabajo de carga continua, par de aceleración).
