Как избежать некоторых распространенных проблем с сервосистемами

Несколько простых советов для разработчиков сервосистем, которые могут улучшить их характеристики и предотвратить дорогостоящие простои.

Чтобы помочь инженерам и группам разработчиков добиться наилучших характеристик систем автоматического регулирования, мы рассмотрим некоторые из наиболее неприятных проблем с сервоприводами и способы их предотвращения.

От контроллера до сервоусилителя

Расстояние между контроллером, формирующим команды движения, и сервоусилителем нередко достигает нескольких метров. Хотя при взгляде на типичную схему, показанную на Рисунке 1, это может показаться несущественным, в результате такого разнесения напряжение земли на контроллере движения зачастую отличается от напряжения на усилителе. Без надлежащей защиты эта разность напряжений, получившая название «синфазное напряжение» (V_CM), создает помехи аналоговому сигналу, идущему от контроллера к усилителю. Это, в свою очередь, приводит к неустойчивой работе сервопривода.

Рисунок 1.	В этой схеме используется сервоусилитель, который может вносить погрешности в работу системы под воздействием синфазной помехи VCM.

Устранить V_CM практически невозможно, но инженеры могут ограничить величину этого напряжения до приемлемого уровня. Прежде всего, необходимо убедиться, что контроллер движения и сервоусилитель соединены друг с другом и заземлены с помощью хорошего проводника. Станина машины, даже если она представляет собой массивную глыбу чугуна, не является хорошим проводником. Краска и коррозия могут препятствовать хорошей проводимости. И сам чугун имеет относительно высокое сопротивление по сравнению с таким высококлассным проводником, как медь. Лучшим решением является использование экранированного кабеля, заземленного с обоих концов на корпус каждого устройства.

У сервоусилителя может быть два типа входов. Несимметричные входы показаны на схеме на Рисунке 1. Входы также могут дифференциальными; их работа зависит от напряжения между двумя входными клеммами, а не от напряжения между выводом и землей корпуса, которое очень чувствительно к V_CM.

Однако даже сервопривод с дифференциальным входом (см. схему на Рисунке 2) нуждается в определенном уровне подавления синфазного сигнала (common mode rejection, CMR), поскольку обычно присутствует некоторое напряжение V_CM. Способность устройства подавлять V_CM определяется значением его CMR, обычно выражаемым в дБ. Как правило, в системах с надлежащим заземлением CMR составляет 60 дБ и более. Величина V_CM может находиться в диапазоне от нескольких милливольт до десятков вольт. Поэтому разработчики добавляют схемы, ослабляющие влияние напряжения V_CM.

Рисунок 2.	Сервоусилители с дифференциальными входами и высоким подавлением синфазных сигналов невосприимчивы к разности напряжений земли.

Источник питания

Источник питания выпрямляет переменный ток, создавая напряжение постоянного тока. Чтобы обеспечить серводвигатель регулируемым питанием, это постоянное напряжение прерывается (модулируется) сервоусилителем с широтно-импульсной модуляцией. Однако частота прерывания (она же частота переключения) для современных сервоприводов обычно находится в диапазоне от 15 до 100 кГц. Такие высокие частоты прерывания создают токи с большими скоростями нарастания.

В свою очередь, высокая скорость нарастания тока в сочетании с индуктивностью проводов длиной более 40 сантиметров может вызвать индуктивный выброс напряжения, достаточный для создания проблем усилителю. Для их решения инженеры добавляют на клеммы усилителя развязывающий конденсатор емкостью 500 мкФ (как показано на схеме на Рисунке 3). Этот конденсатор должен быть расположен как можно ближе к силовым полупроводникам сервоусилителя.

Рисунок 3.	Если длина подводящих проводов сервоусилителя превышает 40 сантиметров, то даже при наличии конденсатора большой емкости в источнике питания часто требуется развязывающий конденсатор на самом сервоусилителе.

Поэтому его следует подключать к клеммам усилителя, а не к клеммам источника питания.

Также крайне важно, чтобы технические специалисты соблюдали инструкции производителя сервопривода по заземлению.

Для минимизации помех, создаваемых одним усилителем другому, к каждому из них должны подводиться отдельные кабели питания (как в верхней схеме на Рисунке 4). Это связано с тем, что сервоусилители потребляют значительные токи – обычно от 20 до 50 А. Кроме того, эти токи представляют собой последовательности быстро нарастающих импульсов, которые могут создавать взаимные помехи между усилителями (перекрестные помехи). Эти перекрестные помехи, в свою очередь, часто ухудшают характеристики системы.

Поэтому при последовательном подключении усилителей к общей шине постоянного напряжения (как в нижней схеме на Рисунке 4) последующие усилители подвергаются всем возмущениям напряжения питания, создаваемым предыдущими усилителями.

Рисунок 4.	Для устранения перекрестных помех между усилителями необходимо использовать отдельные пары проводов от источника питания к каждому усилителю (верхняя схема), а не общую для всех усилителей шину питания (нижняя схема).

Земли станков

Чтобы немного сэкономить на проводах, может возникнуть соблазн использовать станину станка в качестве пути для обратного тока серводвигателей постоянного тока, особенно небольших. Однако станины машин обладают значительным сопротивлением, особенно если к сопротивлению добавляется краска и другие покрытия. Такое высокое сопротивление пути возврата увеличивает перекрестные помехи между усилителями, что приводит к нестабильной работе оборудования.

Мало того, большие токи, протекающие через механическую конструкцию, могут быть причиной более долгосрочных и менее очевидных проблем – гальванических эффектов (например, коррозии). Это может привести к серьезному повреждению механических соединений.

Решением проблемы является прокладка отдельного возвратного провода от каждого двигателя к его усилителю.

Провалы питания

В силу особенностей своего применения источники питания постоянного тока являются нестабилизированными, из-за чего их выходное напряжение изменяется при изменении входного переменного напряжения и мгновенной нагрузки. Поэтому крайне важно выбрать источник питания, способный подавать на усилитель полное номинальное напряжение, когда входное переменное источника питания на 15% ниже номинального (общепринятый промышленный стандарт для допустимого спада напряжения), а сервопривод выдает номинальный пиковый крутящий момент на полной скорости. Как правило, пиковый ток сервоусилителя в два раза превышает его максимальный непрерывный выходной ток. Это наихудший сценарий, но обычно он находится в пределах допустимых режимов компонентов.

Хорошее эмпирическое правило состоит в том, чтобы выбрать источник питания, который в этих наихудших условиях может обеспечить напряжение на 10% больше номинального. Многие инженеры на собственном опыте убедились, что этот «запас» в 10% является разумной инвестицией.

Синдром циклов нагрузки

Из всех «подводных камней», с которыми сталкиваются инженеры при работе с сервоприводами, ни один не встречается чаще, чем синдром циклов нагрузки. Обычно в системах с большим разбросом нагрузок недооцениваются наихудшие значения скорости вращения и крутящего момента.

Например, на печатную плату, управляющую сверлильным станком, воздействует множество изменений между большими токами при быстром разгоне и торможении. Режимы работы при токах, которые можно считать «нормальными» (в данном примере это ток холостого хода), встречаются редко.

Поскольку тепловые постоянные времени силовых полупроводниковых приборов гораздо меньше, чем постоянные времени двигателей, для использования таких полупроводников требуются источники питания сервоприводов и усилителей, рассчитанные на непрерывные нагрузки, близкие к пиковым или равные им. Без этого, казалось бы, консервативного конструкторского решения полупроводниковые устройства могут преждевременно выйти из строя.

Намоточные станки, центрифуги и другие подобные высокоинерционные нагрузки набирают полную скорость вращения довольно долго, поэтому они потребляют большие токи в течение длительного времени. И здесь выбор сервопривода также должен быть обусловлен требованиями нестандартного рабочего цикла, когда непрерывная номинальная мощность определяется крутящим моментом.

Рекуперативное торможение

Серводвигатели позволяют реализовать рекуперативное торможение – метод остановки нагрузки и экономии электроэнергии. Это относительно просто, поскольку сервомоторы могут работать как двигатель для ускорения и движения нагрузки или превращаться в генератор при замедлении. Тогда задача сервосистемы состоит в том, чтобы рассеять вновь генерируемую энергию.

Системы с батарейным питанием, такие как гольф-кары, вилочные погрузчики и транспортные средства с автоматическим управлением, часто проектируются так, чтобы возвращать энергию, полученную при движении транспортного средства, в его аккумулятор. Это увеличивает время работы оборудования между подзарядками.

1. Для сервоприводов, работающих от обычной сети переменного тока, наиболее популярными способами поглощения или рассеивания энергии являются:Возврат энергии в конденсатор или резистор, подключенный параллельно шине постоянного тока между источником питания и усилителем (см. схему на Рисунке 5). Это наиболее распространенный метод, используемый в промышленности.

Рисунок 5.	Здесь сервопривод становится рекуперативным тормозом, преобразующим кинетическую энергию в электрическую. Электричество через сервопривод передается в шину постоянного тока, где оно заряжает конденсатор.

Но инженеры должны осознавать, что регенеративная энергия может быть источником пожарной опасности, если количество возвращаемой энергии больше, чем может выдержать конденсатор или резистор. А если кинетическая энергия, питающая систему рекуперативного торможения, будет слишком велика, конденсатор может перезарядиться и активировать защиту от перенапряжения, которая отключит сервоусилитель.

В этом случае двигатель и нагрузка перестанут управляться сервоусилителем, и будут вращаться по инерции до тех пор, пока кинетическую энергию не поглотит трение. Или, что более вероятно, двигатель и нагрузка врежутся в механические упоры и, возможно, повредят оборудование и станут причиной травм. Поэтому крайне важно обеспечить достаточную емкость конденсатора или мощность резистора.

Чтобы избежать этих угроз и отказаться от дорогостоящих и сложных схем, для управления нагрузкой следует использовать низковольтные серводвигатели. Двигатель должен питаться от низковольтного источника постоянного напряжения, а управляться высоковольтным сервоусилителем.

Кроме того, необходимо убедиться, что накопительный конденсатор и выпрямительные диоды имеют такие же допустимые напряжения, что и сервоусилитель. Например, 50-вольтовый серводвигатель работает от обычного источника постоянного напряжения 55-60 В, но сервоусилитель и конденсатор должны быть рассчитаны на 180 В.

2. Использование дорогостоящего рекуперативного источника питания для возврата энергии в сеть переменного тока. Для приложений, требующих постоянного или частого замедления, использование этого метода может быть оправданным.