Od prostego pozycjonowania po synchronizację. Rozwiązania Sterowania Ruchem. Napędy Elektryczne i Sterowania

Transkrypt

1 Od prostego pozycjonowania po synchronizację Rozwiązania Sterowania Ruchem 1

2 Podstawy Silniki Sterowniki Serwo Sterowniki Motion Zajęcia praktyczne Przykłady parametryzacji serwonapędu Kreator parametryzacji dla modułów liniowych 2

3 Dlaczego trójfazowy silnik się obraca? 3

4 Działanie silnika synchronicznego Wirnik zarówno w stanie jałowym (bez obciążenia) jak i przy obciążeniu obraca się ze stałą prędkością, równą prędkości wirowania pola magnetycznego (z prędkością synchroniczną). Stąd nazwa: Silniki synchroniczne W dzisiejszych czasach jest to realizowane głównie poprzez silniki z magnesami trwałymi. 4

5 Budowa silnika Silnik asynchroniczny Silnik synchroniczny Terminal box Fan Laminated core Stator/Rotor Electrical connection Flange Housing (smooth surface) Feedback Rotor shaft Flange Bearing Coil (Stator) Short circuit cage Laminated core Stator/Rotor Housing Rotor shaft Bearing Permanent magnets (Rotor) AC coil (Stator) 5

6 Linear Motor Unwinding Rotator Motor Napędy Elektryczne i Sterowania Silnik Liniowy Silnik liniowy jest silnikiem elektrycznym Stator z rozwiniętym stojanem. Generuje siłę zamiast momentu. Nie mówimy już o wirniku i stojanie, Rotor N S S N ale o części pierwotnej i wtórej. Część pierwotna składa się z uzwojenia. S N N S Część wtórna składa się z magnesów trwałych (w przypadku silników synchronicznych). Primary N S N S N Secondary 6

7 Montaż i konfiguracja Część bazowa Część główna Prowadnice liniowe Skala liniowa 7

8 Porównanie technologii Konwencjonalny Napęd Liniowy bezpośredni napęd Enkoder Silnik Spindle Skala liniowa Prowadnica Skala liniowa Prowadnica Silnik Podstawa maszyny Podstawa maszyny Elastyczność Najwyższa dokładność powtarzania i dynamika z napędem bezpośrednim!!! 8

9 Porównanie typów silników Silnik asynchroniczny Silnik synchroniczny Silnik liniowy Konstrukcja Typowy zakres Moc: kw Stojan z Uzwojeniami Wirnik klatkowy P [kw] = M [Nm]. n [1/min] 9549 Stojan z uzwojeniami Wirnik z magnesami trwałymi Moment: Nm Primary N S N S N Siła: up to 20,000 N Secondary Cechy Trwały Tani i prosty w produkcji nawet dla dużych mocy Ciągła praca bez dużej dynamiki Duża wydajność Wysoka dokładność pozycjonowania Stabilna prędkość Wysoka dynamika Wysoka przeciążalność Wysoka sprawność Wysokie siły Duże prędkości i przyspieszenia Ruch liniowy o dużej powtarzalności Przykłady Wrzeciona obrabiarek Stoły obrotowe Nawijaki Maszyny drukarskie Pozycjonowanie Obrabiarki Synchronizacja Wykrawani, gięcie, montaż Stoły krzyżowe w obrabiarkach Centra obróbcze Piły latające 9

10 Zasada działania silnika 3-fazowego Jeśli proces wymaga od silnika stałą prędkość wykorzystywane są najczęściej silniki asynchroniczne bezpośrednio podłączone do sieci. Działają głównie pod pełnym obciążeniem. Prędkość synchroniczna n S = f 60 p # Poles Pole Pairs n sync 50Hz n sync 60Hz min min min min min min -1 1 para biegunów 2 pary biegunów min min -1 10

11 Praca ze zmienną prędkością Jeśli jest wymagana zmienna prędkość możliwe jest zastosowanie specjalnej konstrukcji silnika, jednakże takie rozwiązanie jest nieelastyczne i nie opłacalne. Zgodnie ze wzorem, f 60, prędkość n może być zmieniana poprzez zmianę n = S częstotliwości f. p Do tego celu używane są przetwornice częstotliwości. Przekształtnik częstotliwości generuje wewnętrznie napięcie stałe (DC), a następnie napięcie zmienne (AC). Napięcie te jest zamieniane poprzez falownik w napięcie o danej częstotliwości dostarczane do silnika. DC 11

12 Technology Basic Electric Drives & Controls Zasada działania przekształtnika częstotliwości 1/3 AC, U 1, f 1 constant Mains Motor Cable 3 AC, U 2, f 2 variable 12

13 Podstawy sterowania U/f Najprostszy rodzaj sterowania. Falownik kontroluje aby stosunek napięcia do częstotliwości był stały. Indukcyjne zachowanie silnika prowadzi do stałego momentu do osiągnięcia prędkości znamionowej bez przeciążenia silnika. Przy wyższych prędkościach dalsze dostosowanie prędkości nie jest możliwe: Moment maleje Minusy sterowania U/f: Mały moment przy niskich prędkościach Brak stabilności prędkości Ograniczona kontrola dynamiki 13

14 Sterowanie wektorowe dla zwykłych silników Wtedy gdy wymagana jest bardziej stabilna prędkość czy większa dynamika używane jest sterowanie wektorowe. Podstawowe cechy: Model obliczeniowy silnika elektrycznego, Określenie aktualnej prędkości, momentu, poślizgu z aktualnego prądu, Prędkość jest kontrolowana pośrednio poprzez kontrolę prądu, Oddzielna kontrola pola magnetycznego i momentu. Szeroki zakres momentu i prędkości: Prędkość: typowo 4-6 razy prędkość znamionowa, Moment: do 400% momentu znamionowego. Minusy: W porównaniu do sterowania skalarnego: Wymagany dobry czujnik prądu oraz mocny mikroprocesor. 14

15 Sterowanie wektorowe dla serwo silników Sterownik napędu z dokładną strukturą regulacyjną dla pozycji prędkości i momentu zwane są sterownikami serwonapędów Spełnione są jednocześnie najwyższe wymagania odnośnie precyzji, dynamiki oraz przeciążeń Największą różnicą w porównaniu do standardowych przetwornic częstotliwości jest sprzężenie zwrotne w postaci np. enkodera na silniku Sprzężenie zwrotne informuje stale sterownik napędu o pozycji wału silnika Algorytm różnicowy ustala aktualną prędkość na podstawie pozycji wału silnika i czasu Serwonapęd zamknięta pętla regulacji 15

16 Uproszczona pętla sterowania napędu elektrycznego Wartość komendy położenia Pętla położenia Advanced: 250 μs Basic : 500 μs F Pętla prędkości 125 μs 250 μs - Pętla prądowa 62.5 μs 125 μs u s i s ASM SM 16 khz 8Hz G d x d t 16

17 Przykład okablowania Mains: 3 Phase U: 400 V (const.) f: 50 Hz (const.) Controller Master communication Feedback Motor: 3 Phase U: variable f: variable 17

18 Rodzaje ruchu Ruch w jednej osi - Pozycjonowanie - Zmienna prędkość Ruch synchroniczny - Przekładnia - CAM Ruch skoordynowany - Roboty - Sterowanie numeryczne Regulator położenia F Regulator prędkości Regulator natężenia prądu u s - i s ASM SM d x d t G 18

19 Ruch w jednej osi Zmienna prędkość Pas Wentylator Pozycjonowanie - Pojedyncza oś 2 Pozycjonowanie - Wiele osi

20 Rodzaje ruchu Ruch w jednej osi - Pozycjonowanie - Zmienna prędkość Ruch synchroniczny - Przekładnia - CAM Ruch skoordynowany - Roboty - Sterowanie numeryczne Regulator położenia F Regulator prędkości Regulator natężenia prądu u s - i s ASM SM d x d t G 20

21 Ruch synchroniczny Mechaniczny wał liniowy Właściwości 1 główny napęd (kontrola prędkości) Sprzężenie mechaniczne z jednostkami maszyny Ograniczona elastyczność 21

22 Ruch synchroniczny Elektroniczny wał liniowy Motion Control (Controller) Bus system Drive (Converter) Motor Właściwości Minimum 1 napęd na jednostkę maszyny Brak mechanicznych sprzężeń z jednostkami maszyny Synchronizacja przez kontrolę ruchu oraz szynę systemową Duża elastyczność 22

23 Właściwości elektronicznego wału liniowego Master axis Coupling function Slave Axis Virtual Master Real Master Encoder 23

24 Rodzaje sprzężenia osiowego Synchronizacja prędkości Pas Synchronizacja fazowa Maszyna offsetowa Elektroniczny system CAM Poprzeczne uszczelnienia 24

25 Cabinet Napędy Elektryczne i Sterowania Architektura systemu klasyczna HMI Ethernet Programming & Commissioning Controller Motion & Logic I/O (centralized) Drives (Converter) I/O (decentralized) Motors 25