Серводвигатели: история и преимущества

Слово «серво» произошло от латинского слова «servus», что переводится как слуга, раб, помощник. В машиностроительных отраслях сервоприводы традиционно выполняли преимущественно вспомогательную роль (приводы подач в станках, приводы роботов и т.п.). Теперь, когда автоматизация полностью охватила все области машиностроения, доминирующее позиции заняли электроприводы, и механика машин сильно упростилась с использованием современных индивидуальных приводов взамен центрального привода.
Давайте разберемся, чем так привлекательны современные сервоприводы использующие синхронные электродвигатели.

Сервопривод — это система привода, которая в широком диапазоне регулирования скорости обеспечивает динамичные, высокоточные процессы и обеспечивает хорошую их повторяемость. Это система, предназначенная для отработки момента, скорости и позиции с заданной точностью и динамикой. Классический сервопривод состоит из двигателя, датчика позиции и системы управления, имеющей три контура регулирования (по позиции, скорости и тока).

5 Для сервоприводов характерны следующие показатели:

• управление по скорости, по моменту или по позиции;
• диапазон регулирования скорости более 1:10000;
• статическая точность поддержания скорости по валу двигателя до 0,01%;
• точность поддержания позиции по валу двигателя;
• низкий вес и компактные размеры

Если еще совсем недавно синхронные электродвигатели применялись только в электроприводах большой мощности (во многих книгах экономически целесообразной мощностью называется мощность в 100 кВт и выше), при отсутствии необходимости регулировать частоту вращения и при длительном режиме работы, то в настоящее время эти, казавшиеся незыблемыми аксиомы, рушатся как карточный домик. Сейчас современные синхронные двигатели в составе сервоприводов могут с успехом использоваться абсолютно во всех областях. Единственное, что пока сдерживает триумфальное шествие синхронных сервоприводов — это их цена.

Синхронные серводвигатели — это трехфазные синхронные электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов и датчиком положения ротора, в качестве которого традиционно применяются фотоэлектрические инкрементальные энкодеры. Отличительная особенность синхронных серводвигателей — высокая выходная мощность при любой скорости (смотрите график внизу поста) в сочетании с небольшими размерами. Их основным достоинством является очень низкий момент инерции ротора относительно крутящего момента. Это позволяет реализовать очень высокое быстродействие. Время разгона на номинальную частоту вращения за десятки миллисекунд и реверс с полной скорости в пределах одного оборота вала двигателя.

6 На рисунке схематично изображён синхронный двигатель.

1 — статор с обмоткой
2 — разъем для подключений
3 — датчик скорости и положения
4 — электромагнитный тормоз (используется не во всех моделях)
5 — ротор с магнитами

Конструкция статора синхронных и асинхронных двигателей принципиально одинакова, но их роторы различаются: асинхронный серводвигатель имеет короткозамкнутый ротор, магнитное поле в котором создается за счет индукции; на роторе синхронного серводвигателя закреплены магниты, создающие в нем постоянное магнитное поле. Для изготовления ротора синхронных двигателей могут использоваться ферритовые магниты. Они относительно дешевы, но обеспечивают невысокий уровень индукции магнитного поля. Поэтому в последние десятилетия предпочтение отдается высокоэнергетическим магнитам на основе сплавов редкоземельных металлов, обладающих большой коэрцитивной силой. Мощные постоянные магниты, изготовленные из сплавов неодим-железо-бора и самарий-кобальта благодаря их высокой энергоемкости, существенно улучшили характеристики синхронного двигателя с магнитами на роторе при одновременном снижении массогабаритных показателей. В итоге улучшились динамические характеристики привода при снижении его габаритов.
Постоянное удешевление магнитных материалов, а также ускоряющееся развитие аппаратной базы систем управления и устройств силовой электроники сделали возможным применение сервоприводов на базе синхронных двигателей в тех областях техники, где традиционно применялись только машины постоянного тока или специальные асинхронные двигатели.
Это объясняется целым рядом конструктивных и технико-эксплуатационных преимуществ синхронных двигателей по сравнению с другими существующими типами электрических двигателей:
— бесконтактность и отсутствие узлов, требующих обслуживания.
Отсутствие у синхронных электродвигателей скользящих электрических контактов существенно повышает их ресурс и надежность по сравнению с электродвигателями постоянного тока или асинхронными двигателями с фазным ротором, расширяет диапазон достижимых частот вращения.
— большая перегрузочная способность по моменту (кратковременно допустимый момент и ток синхронного двигателя могут превышать номинальные значения в 5 и более раз);
— высокое быстродействие в переходных процессах по моменту;
— абсолютно жесткая механическая характеристика и практически неограниченный диапазон регулирования частоты вращения (1:10000 и более). Возможность регулирования частоты вращения как вниз от номинальной (с постоянством длительно допустимого и максимального моментов), так и вверх (с постоянством мощности);
— наилучшие энергетические показатели (КПД и коэффициент мощности). КПД синхронных двигателей превышает 90% и незначительно отклоняется от номинального при вариациях нагрузки, в то время как у серийных асинхронных двигателей максимальный КПД составляет не более 87,5% и существенно зависит от момента. Так, уже при половинной нагрузке на валу он может упасть до 60-70%;
— минимальные токи холостого хода;
— минимальные массогабаритные показатели при прочих равных условиях.
Так как основные электрические и магнитные потери в роторе отсутствуют, а современные редкоземельные постоянные магниты способны обеспечить максимальную индукцию в воздушном зазоре даже без концентрации потока на уровне асинхронных машин в синхронных двигателях может быть значительно повышена линейная нагрузка при сохранении суммарных потерь в машине на постоянном уровне, что и объясняет более высокую электромеханическую эффективность синхронных двигателей по сравнению с другими типами бесконтактных электродвигателей переменного тока.

В настоящее время синхронные двигатели позволяют работать в диапазоне моментов 0,5 – 100 Н м при скорости вращения до 10000 об/мин. Все эти качества синхронного двигателя обуславливают применение сервоприводов в промышленных системах автоматики, роботах и манипуляторах, приводах подач и главного движения металлорежущих станков, координатных устройствах, принтерах и плоттерах, намоточных и лентопротяжных механизмах, прецизионных системах слежения и наведения, в авиационной и медицинской технике и конечно же при построении ТПА.

Многие компании – производители электрических термопластавтоматов заявляют о новых «поколениях» своих ЭлТПА, однако развитие электрических термопластавтоматов напрямую зависит разработок именно серводвигателей. Первые серводвигатели, применяемые в ЭлТПА, не позволяли работать с большими усилиями и очень быстро перегревались. Соответственно и первые ТПА выпущенные японскими компаниями в середине 80-х не превышали 150 тонн по усилию смыкания. Второе поколение этих производителей предлагало уже машины до 450 тонн и в первую очередь это стало возможно благодаря изготовлению более мощных серводвигателей. Главным направлением совершенствования электроприводов в ближайшей перспективе будет разработка и оптимизация адаптивных «бездатчиковых» алгоритмов управления, ориентированных на микропроцессорную реализацию и обеспечивающих диапазоны регулирования с постоянством момента 1:150…200.

яндекс.метрика