Serwosilniki i serwonapędy – jak działa układ serwo

Co to jest układ serwo?

W układzie serwo silnik realizuje zadaną pozycję, prędkość lub moment, a enkoder stale informuje, gdzie oś faktycznie się znajduje. Układ składa się z następujących elementów:

• Serwosilnik – zwykle synchroniczny silnik z magnesami trwałymi o małym momencie bezwładności, zbudowany do szybkiego przyspieszania i dużej chwilowej przeciążalności.
• Serwonapęd – nazywany też serwowzmacniaczem, a w Yaskawa SERVOPACK. Zasila silnik i reguluje pozycję, prędkość i moment.
• Sprzężenie zwrotne – enkoder inkrementalny, enkoder absolutny lub resolwer na wale silnika. Nowoczesne serwosilniki mają często enkodery o rozdzielczości 20 bitów lub więcej na obrót.
• Sterowanie ruchem – PLC lub kontroler ruchu, który oblicza trajektorię i wysyła polecenia do napędów.

Napęd wykorzystuje trzy zagnieżdżone pętle, czyli regulację kaskadową. Pętla wewnętrzna reguluje prąd, a tym samym moment, kolejna – prędkość, a zewnętrzna – pozycję. Im szybsze pętle, tym szybsza i stabilniejsza oś.

Serwo, falownik czy silnik krokowy?

Granice się zacierają. Niektóre falowniki potrafią pozycjonować z enkoderem, a istnieją też silniki krokowe z pętlą zamkniętą. Gdy jednak kilka osi musi poruszać się synchronicznie, z krótkimi czasami cyklu i dużą dokładnością, serwo jest niemal zawsze właściwym wyborem.

Silniki obrotowe, liniowe i z napędem bezpośrednim

• Obrotowe serwosilniki – standardowy wybór, połączone z obciążeniem przez przekładnię, śrubę kulową, pasek zębaty lub listwę zębatą. Dostępne z małym momentem bezwładności do szybkich osi, ze średnim do cięższych obciążeń oraz z hamulcem postojowym do osi pionowych.
• Silniki liniowe – płaski, prosty silnik, który napędza bezpośrednio wózek. Bez śruby kulowej i paska nie ma luzu ani zużycia w przeniesieniu napędu.
• Silniki z napędem bezpośrednim (silniki momentowe) – napędzają stół obrotowy lub wał bezpośrednio, bez przekładni. Wysoki moment, duża sztywność i brak luzu.

Enkoder inkrementalny po zaniku zasilania wymaga bazowania. Enkoder absolutny zna pozycję zaraz po powrocie zasilania, a enkodery wieloobrotowe zliczają też obroty, z baterią lub bez niej. W robotach, prasach i osiach, w których bazowanie jest kłopotliwe, enkodery absolutne są standardem.

Jak dobrać serwooś

Punktem wyjścia jest ruch, a nie silnik: droga, czas, postój i obciążenie. Następnie trzeba sprawdzić cztery rzeczy:

1. Moment szczytowy podczas przyspieszania, z uwzględnieniem tarcia i sił zewnętrznych. Musi być mniejszy od momentu maksymalnego silnika, który często wynosi ok. trzykrotność momentu znamionowego.
2. Moment skuteczny (RMS) w całym cyklu. Decyduje o nagrzewaniu i musi być mniejszy od momentu znamionowego.
3. Prędkość – najwyższa prędkość w ruchu musi być z zapasem niższa od prędkości maksymalnej silnika.
4. Stosunek momentów bezwładności – moment bezwładności obciążenia sprowadzony na wał silnika w porównaniu z momentem bezwładności silnika.

Popularna reguła mówi, że stosunek momentów bezwładności powinien być mniejszy niż ok. 10:1, a w osiach o wysokiej dynamice jeszcze mniejszy. Napędy z tłumieniem drgań radzą sobie z wyższym stosunkiem, ale z mniejszym zapasem. Przekładnia zmniejsza moment bezwładności obciążenia widziany przez silnik o kwadrat przełożenia.

1. Dobór silnika według mocy. Decydują moment szczytowy, moment skuteczny i stosunek momentów bezwładności, a nie kW.
2. Zbyt podatna mechanika. Długie paski, luz w przekładni i słabe mocowania powodują oscylacje osi, niezależnie od jakości napędu.
3. Zatrzymywanie hamulcem postojowym. Hamulec służy do utrzymania obciążenia na postoju. Używany do zatrzymywania poruszającego się obciążenia szybko się zużywa.
4. Złe okablowanie. Kable silnikowe i enkoderowe muszą być ekranowane, prowadzone z dala od kabli sygnałowych i przystosowane do prowadników kablowych, gdy oś się porusza.

Sterowanie i funkcje bezpieczeństwa

Sterowanie analogowe ±10 V i ciągiem impulsów w dużej mierze ustąpiło miejsca deterministycznym sieciom, w których kontroler ruchu synchronizuje wiele osi z czasami cyklu poniżej jednej milisekundy:

• EtherCAT – otwarty i rozpowszechniony. Profil napędu CiA 402 ułatwia łączenie różnych marek, a sygnały bezpieczeństwa mogą współdzielić sieć dzięki FSoE (Safety over EtherCAT).
• MECHATROLINK-III – sieć ruchu opracowana przez Yaskawa, łatwa w konfiguracji ze sterownikami Yaskawa.
• PROFINET – popularny w środowiskach Siemens, z profilem PROFIdrive i PROFIsafe do funkcji bezpieczeństwa.

Ruch programuje się często za pomocą bloków funkcyjnych PLCopen Motion Control w IEC 61131-3, np. do krzywek elektronicznych, przekładni elektronicznej i nożyc latających.

Funkcje bezpieczeństwa napędów są zdefiniowane w IEC 61800-5-2. STO (Safe Torque Off) natychmiast odłącza moment i odpowiada kategorii zatrzymania 0 według IEC 60204-1. SS1 (Safe Stop 1) hamuje silnik w kontrolowany sposób, a następnie aktywuje STO, co odpowiada kategorii zatrzymania 1. Moduły bezpieczeństwa dodają SBC do bezpiecznego sterowania hamulcem postojowym i SLS do bezpiecznie ograniczonej prędkości podczas ustawiania i wyszukiwania usterek. Wymagany poziom, PL według ISO 13849-1 lub SIL według IEC 62061, wynika z oceny ryzyka maszyny.

Gdzie stosuje się układy serwo?

• Pakowanie i żywność – pakowarki flow-pack, etykieciarki, napełnianie i pick-and-place z kilkoma zsynchronizowanymi osiami.
• Roboty i manipulacja – roboty przemysłowe, roboty bramowe i pojazdy AGV.
• Obrabiarki – osie posuwu we frezarkach CNC, tokarkach i wycinarkach laserowych.
• Prasy i obróbka blach – serwoprasy z programowalnym profilem skoku i podajniki blach.
• Półprzewodniki i elektronika – manipulacja płytkami krzemowymi, montaż komponentów i inspekcja z silnikami liniowymi i z napędem bezpośrednim.
• Medycyna i laboratoria – obsługa próbek i roboty pipetujące.

Układy serwo w ofercie SCN

Oferujemy układy serwo Yaskawa: serwosilniki i serwonapędy serii Sigma-7 i Sigma-X, silniki liniowe, silniki z napędem bezpośrednim i kontrolery ruchu do 64 osi. Wystarczy opisać ruch, obciążenie i system sterowania, a pomożemy dobrać oś.

Przykłady z naszej oferty

Najczęściej zadawane pytania

Czym różni się serwosilnik od zwykłego silnika?

Serwosilnik jest zbudowany do szybkiego przyspieszania i precyzyjnego pozycjonowania i zawsze ma enkoder. Standardowy silnik indukcyjny jest przeznaczony do długotrwałej pracy ze stałą prędkością.

Do czego służy serwonapęd?

Zasila silnik i reguluje pozycję, prędkość i moment na podstawie sygnału z enkodera. Nazywany jest też serwowzmacniaczem, a w Yaskawa SERVOPACK.

Co to jest stosunek momentów bezwładności?

To stosunek momentu bezwładności obciążenia, sprowadzonego na wał silnika, do własnego momentu bezwładności silnika. Niski stosunek, często poniżej 10:1, daje szybszą i stabilniejszą oś.

Czy można łączyć serwosilnik i serwonapęd różnych producentów?

Czasami tak, ale napęd musi obsługiwać enkoder i dane silnika. Najprościej wybrać silnik i napęd z tej samej serii.