Serwomechanizm (serwonapęd) to układ wykonawczy pracujący w zamkniętym układzie sterowania, w którym sygnałem wyjściowym jest jakiś parametr, np. położenie, przyspieszenie czy przesunięcie

Serwonapęd służy do precyzyjnej regulacji parametrów ruchu, zwłaszcza pozycjonowania osi wału silnika, kontroli prędkości obrotowej i kontroli momentu. Pozycjonowanie osi jest to sposób sterowania osią tak, aby przyjmowała ona ściśle określone położenie według zadanych parametrów ruchu, takich jak – prędkość, przyspieszenie, kąt obrotu.

Ruch obrotowy wału silnika może być wykorzystywany do napędzania mechanizmów obrotowych lub może być zamieniony na ruch liniowy, np. za pomocą śruby pociągowej. Serwonapędy wykorzystywane są głównie w budowie maszyn, m.in. do:
• precyzyjnego wiercenia,
• sterowania stołem obrotowym, cięcia lub perforowania w „locie”,
• utrzymywania stałego naprężenia zwijanego lub rozwijanego materiału,
• w budowie robotów,
• utrzymywania stałej prędkości i naprężenia przenośników taśmowych,
• dokręcania wkrętów z określonym momentem siły,
• pakowania produktów,
• przenoszenia i układania towarów,
• w budowie wtryskarek,
• do porcjowania produktów.

Serwomechanizm (serwonapęd) to układ wykonawczy pracujący w zamkniętym układzie sterowania, w którym sygnałem wyjściowym jest jakiś parametr, np. położenie, przyspieszenie czy przesunięcie

Konstrukcja serwonapędu

Współczesny serwonapęd to kompletny układ napędowy składający się ze sterownika, silnika elektrycznego oraz modułu sprzężeń zwrotnych – enkodera, resolvera lub tachometru, pracujących w układzie pętli zamkniętej sprzężenia zwrotnego. Podstawowe wyposażenie serwonapędów składa się z:
• sterownika ruchu, który generuje wartości nastaw i zamyka pętlę sprzężenia zwrotnego od pozycji lub prędkości,
• wzmacniacza, który przekształca sygnał kontrolny sterownika ruchu na prąd lub napięcie wymagane przez silnik napędowy,
• elementu wykonawczego – najczęściej silnika elektrycznego,
• czujnika lub czujników do sprzężenia zwrotnego – enkodera optycznego lub magnetycznego, resolvera, tachometru, urządzenia z efektem Halla służących do kontroli i przekazania informacji zwrotnych o położeniu wału silnika lub jego prędkości obrotowej,
• elementów mechanicznych służących do przekształcania ruchu obrotowego silnika elektrycznego na inną pożądaną formę ruchu.

Serwonapęd XVy-EV Gefran, o zakresie mocy 4 – 315 kW, do napędu silników bezszczotkowych (fot. CES)

Serwosterowniki

Serwosterowniki są to zazwyczaj specjalizowane urządzenia do sterowania serwosilnikami, które umożliwiają regulację prędkości oraz położenia kątowego wału silnika. Serwosterowniki mogą być jednoosiowe z wbudowanym filtrem EMC i rezystorem balastowym małej mocy lub wieloosiowe – sterowane z jednego modułu bazowego. W układzie serwonapędu zadaniem serwosterownika pracującego w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego jest, na podstawie danych z enkodera, takie sterowanie silnikiem napędowym, aby uzyskać założony skutek, np. obrót wału silnika o określony kąt. Enkoder o wysokiej rozdzielczości śledzi precyzyjnie aktualne położenie wału silnika. Powoduje to, że w przypadku zmian po stronie napędowej, np. gwałtownego wzrostu obciążenia, układ sterowania koryguje pozycję wału, zapobiegając utracie synchronizacji silnika. W zależności od przyjętej metody regulacji silnik może pozostawać w zadanej pozycji lub utrzymywać prędkość obrotową niezależnie od powstałych zakłóceń, np. spadku napięcia zasilania lub zmiany obciążenia na wale. W prostych układach napędowych sterowanie napędu odbywa się za pomocą zmian napięcia zasilającego lub sygnałów typu „krok/kierunek”. Serwosterowniki są układami cyfrowymi ale umożliwiają sterowanie analogowe z poziomu listwy zaciskowej przez wejścia/wyjścia analogowe. W trybie analogowym mogą pracować jako automatyczne regulatory ruchu realizując proste zadania. Pełne możliwości funkcjonalne serwosterowników mogą być wykorzystywane dopiero przy sterowaniu cyfrowym przy pomocy zainstalowanego mikrokontrolera pozwalającego na uzyskanie czasów próbkowania rzędu kilkudziesięciu mikrosekund oraz zamknięcia wewnętrznej pętli pozycjonowania w czasie rzędu kilkuset mikrosekund.
Współczesne serwonapędy wyposażane są w interfejsy komunikacyjne, np. RS232, które umożliwiają szybką komunikację z jednostką nadrzędną lub wymianę informacji pozwalającą na synchroniczną pracę wielu serwosilników. Sterowniki, komunikujące się za pomocą interfejsów, mogą pracować w różnych trybach: krok/kierunek (podobnie do silników krokowych), kontroli prędkości, momentu, położenia czy dojazdu do pozycji końcowej. Zazwyczaj czasy rozpędzania i hamowania są na poziomie kilku lub kilkunastu milisekund co umożliwia nastawienie bardzo stromej rampy pracy. Jednostki przeznaczone do bardziej zaawansowanych zastosowań są wyposażane w większą liczbę interfejsów komunikacyjnych, np. RS232, RS485, CANopen i Profibuis DP. Poza wejściami i wyjściami cyfrowymi sterowniki mogą mieć wejścia i wyjścia analogowe. Sterowniki mogą mieć również zamontowane wyposażenie dodatkowe – licznik czasu, komparator oraz kalkulator, które umożliwiają w odpowiednim czasie aktywowanie wcześniej zaprogramowanych sekwencji ruchu. W napędach o stosunkowo niewielkich mocach sterownik bywa wbudowany w silnik lub na nim zamontowany.

Gama urządzeń napędowych firmy Danfoss

GE Fanuc AC Servo Drive z serii VersaMotion (fot. Astor)

Serwosilniki

Serwosilnikiem może być bezszczotkowy silnik synchroniczny prądu przemiennego z magnesami trwałymi zamontowanymi na wirniku z wbudowanym enkoderem lub, rzadziej stosowany, bezszczotkowy silnik prądu stałego. Od innych rodzajów silników elektrycznych serwosilniki odróżniają się tym, że mają ustalone charakterystyki parametrów pracy. Często stosowane są silniki krokowe zasilane impulsami prądowymi, co powoduje ich ruch obrotowy o ściśle określonym kącie. Kąt obrotu wirnika jest więc ściśle uzależniony od liczby impulsów prądowych. Prędkość kątowa wirnika jest równa iloczynowi częstotliwości impulsów i wartości kąta obrotu wirnika w jednym cyklu pracy silnika. Zazwyczaj kąt obrotu wirnika pod wpływem pojedynczego impulsu prądowego wynosi od kilku do kilkunastu stopni. Silniki większych mocy są często wyposażane lub mogą być wyposażane w hamulce elektromagnetyczne.
Serwonapędy charakteryzuje wysoka sprawność, która pozostaje stała w dużym zakresie obciążeń, znaczne przyspieszenia kątowe wirnika i zazwyczaj bardzo wysoka dokładność pozycjonowania. Cechują je również dobre właściwości dynamiczne i regulacyjne, gdyż silniki z magnesami trwałymi szybko reagują na polecenia z układu sterowania, co wynika z ich stosunkowo niewielkiego momentu bezwładności.

Silnik serwo SEW-Eurodrive typ CMP 112S

Moduły sprzężenia zwrotnego

Enkodery
W serwonapędach znalazły szerokie zastosowanie enkodery czyli przetworniki położenia. Enkodery przekształcają ruch mechaniczny na sygnały elektryczne lub optyczne. Stosowane są dwie metody pomiaru: inkrementalna czyli przyrostowa i absolutna oraz dwie główne techniki pomiaru: optyczna i magnetyczna.

Serwo przemienniki częstotliwości Lenze serii i700 są dedykowane do aplikacji wieloosiowych, w szczególności do maszyn manipulacyjnych, pakujących oraz robotyki

Enkodery optoelektroniczne inkrementalne
W metodzie inkrementalnej przetwornik generuje dwa ciągi sygnałów przesuniętych względem siebie o kąt 90^o. Umożliwia to ustalenie kierunku obrotów przez liczniki lub sterowniki. Enkodery inkrementalne są przeznaczone do pomiarów przesunięć kątowych i prędkości kątowych. Pozycja względna jest ustalana przez zliczanie liczby impulsów. Kierunek obrotów jest zaś określany na podstawie opóźnienia ciągów sygnałów względem siebie. Oznacza to, że przy kierunku obrotów zgodnym z kierunkiem ruchu wskazówek zegara przykładowy ciąg A jest opóźniony w stosunku do ciągu B o kąt 90^o. Przy kierunku przeciwnym jest odwrotnie.
Część pomiarowa enkodera optoelektronicznego zbudowana jest ze szklanej skali, w postaci listwy w enkoderach liniowych lub szklanej tarczy w enkoderach obrotowych. Przetwornik składa się z dwóch płytek szklanych z naniesionymi prążkami, na przemian przepuszczającymi i nieprzepuszczającymi promieni podczerwonych, z nadajnika złożonego z diod elektroluminescencyjnych i odbiornika (układu odczytującego) z elementów fotooptycznych. Płytki są względem siebie ruchome. Jedna z nich jest skalą, druga noniuszem. Przetworniki obrotowe charakteryzuje liczba prążków naniesionych promieniowo na skali. Rozdzielczość takiego układu zależy od liczby prążków przepuszczających i nieprzepuszczających promieniowania (jasnych i ciemnych). Noniusz (polaryzator) jest mechanicznie połączony z układem optycznym. Element światłoczuły odbiera impulsy świetlne przechodzące przez skalę, przetwarza je na impulsy elektryczne, które po wzmocnieniu są dalej przekształcane na sinusoidalny sygnał wyjściowy.
W enkoderach oprócz ścieżki pomiarowej zaznaczone są tzw. punkty referencyjne. W enkoderach obrotowych jest to jeden punkt, w przetwornikach liniowych może ich być kilka. Celem tych punktów na tarczy jest identyfikacja położenia skali względem noniusza, a zatem bazowanie układu pomiarowego. Gdy punkt referencyjny znajdzie się w polu odczytu noniusza, generowany jest sygnał. Sygnał wyjściowy może mieć postać sinusoidy o odpowiedniej amplitudzie prądu lub napięcia. Sygnały sinusoidalne dwóch układów optycznych są przesunięte względem siebie o jedną czwartą okresu, czyli o 90^o. Aby z sygnału tego uzyskać informację, trzeba go przetworzyć (np. w komparatorach). W wyniku komparacji (porównania) powstają dwie zwielokrotnione fale prostokątne przesunięte względem siebie o kąt 90^o.

SK 200E firmy Nord DriveSystems – falownik zintegrowany z silnikiem, alternatywne rozwiązanie dla techniki serwo

Enkodery magnetyczne
W trudnych warunkach pracy – przy zapyleniu, wibracjach, znacznych długościach pomiarowych – enkodery obrotowe optyczno-elektroniczne są często zastępowane enkoderami zbudowanymi w oparciu o magnetyczne metody pomiarowe. Zaletami enkoderów magnetycznych, oprócz większej odporności na trudne warunki pracy w stosunku do enkoderów opartych na optycznych metodach pomiaru, jest bezkontaktowy pomiar, dłuższa żywotność i niższa cena.
Spotykane są różne konstrukcje enkoderów magnetycznych. Jedna z nich, wykorzystywana do pomiaru przesunięć kątowych, oparta jest na zjawisku Halla. Zasada działania takiego przetwornika polega na detekcji przemieszczenia kątowego magnesu osiowo spolaryzowanego. Przetwornik składa się z układu detekcji Halla zamkniętego w obudowie, która zawiera otwór do tulejki. W tulejce tej z jednej strony jest umieszczony osiowo spolaryzowany magnes, zaś z drugiej strony jest otwór do wałka wyjściowego. Średnica otworu w obudowie jest nieco większa niż średnica tulei, co umożliwia jej bezstykowy obrót w otworze obudowy enkodera. Enkoder zbudowany jest z czujnika pola magnetycznego, przetworników elektronicznych oraz osiowo spolaryzowanego magnesu. W układzie scalonym przetwornika są odpowiednio rozmieszczone mikroprzetworniki Halla zasilane prądem o niewielkim natężeniu. Pod wpływem pola magnetycznego magnesu powstaje napięcie Halla skierowane prostopadle do kierunku przepływu prądu. Tego rodzaju konstrukcje są odporne na działanie zewnętrznych pól magnetycznych nawet o znacznych natężeniach.
Enkodery oparte na technologii detekcji Halla są wykorzystywane do uzyskiwania sprzężeń zwrotnych silników elektrycznych zarówno przy dużych prędkościach obrotowych (do 60 000 obr./min) jak i w wysokich temperaturach – do 125^oC. Opcje rozdzielczości układu dwójkowego i dziesiątkowego, duża dokładność
± 0,3^o, możliwość uzyskiwania i zachowania w czasie eksploatacji stopnia ochrony IP68, bezdotykowa, niepodlegająca zużyciu konstrukcja umożliwiają niezawodne działanie w długim okresie użytkowania.
Elektroniczne metody przetwarzania sygnałów oraz interpolacji w czasie rzeczywistym pozwalają na otrzymywanie szeregu rodzajów sygnałów wyjściowych, np. absolutny sygnał równoległy, absolutny sygnał szeregowy czy sygnał inkrementalny (przyrostowy). Zakres możliwych rozdzielczości przetworników wynosi zazwyczaj od 64 do 8 192 impulsów lub położeń na obrót (do 13 bitów).

Enkodery absolutne
W enkoderach absolutnych na tarczy skali naniesione są obwodowo prążki kodu cyfrowego. Najczęściej jest to absolutny kod Graya lub binarny, mogą być również inne kody. Kod Graya charakteryzuje się tym, że przy zmianie położenia o jedną działkę następuje zmiana sygnału tylko na jednej pozycji. Sygnał wyjściowy z przetwornika jest sygnałem równoległym z liczbą bitów zależną od rozdzielczości. Np. przy rozdzielczości takiego przetwornika wynoszącej na 1 obrót tarczy 8, 10, 12 lub 13 bitów, na tarczy jest 8, 10, 12 lub 13 okręgów złożonych na przemian z odcinków przezroczystych i nieprzezroczystych dla promieni podczerwonych, co jest źródłem sygnału świetlnego „0-1”.
Enkodery absolutne różnią się od enkoderów inkrementalnych głównie tym, że mają naturalną „pamięć” położenia. Dlatego stosowane są tam, gdzie natychmiast po włączeniu zasilania potrzebna jest znajomość bezwzględnego położenia bez konieczności bazowania. Oznacza to, że enkoder z przetwornikiem absolutnym nie jest wrażliwy na zanik zasilania, gdyż po powrocie napięcia będzie wskazywać aktualną pozycję i zliczać od wartości, na której się zatrzymał, w przeciwieństwie do enkodera inkrementalnego, który w takiej sytuacji zawsze zaczyna liczyć od zera i nie wskazuje aktualnej pozycji.
Odpowiednio aplikowane enkodery obrotowe mierzą przemieszczenie liniowe, kątowe, prędkość, kierunek obrotów i liczbę wykonanych obrotów. Stosuje się je m.in. do stabilizacji prędkości obrotowej silników, pozycjonowania stołów obrabiarek, pomiarów długości materiałów.
W enkoderach liniowych skalę oraz głowiczkę instaluje się na wzajemnie przesuwających się podzespołach, których położenie względem siebie ma być mierzone. Enkodery liniowe występują w trzech wersjach – w obudowie, bez obudowy i jako długościomierze. Enkodery liniowe są z reguły mniej szczelne niż enkodery obrotowe. Dlatego nie mogą być instalowane w środowisku zapylonym.

Enkodery pojemnościowe
W ofercie rynkowej można spotkać przetworniki (enkodery) pojemnościowe, w których metoda pomiaru opiera się na zmianie pojemności, odpowiadającej zmianie położenia elementu obracającego się. Na podstawie zmian pojemności generowany jest sygnał elektryczny, który po przetworzeniu jest nośnikiem informacji o absolutnym przemieszczeniu elementu obrotowego. Zaletą technologii pojemnościowej jest możliwość budowy przetworników o szerokim zakresie temperatur pracy, nawet powyżej 100^oC.

Resolvery
W serwonapędach do ustalania położenia wału silnika napędowego stosowane są również resolvery czyli przetworniki kąta obrotowego, które przekształcają ruch mechaniczny na sygnał elektryczny. Resolver złożony jest z uzwojonych stojana i wirnika. Uzwojenia wirnika wytwarzają zmienne pole magnetyczne, które indukuje napięcia w dwóch uzwojeniach stojana. Napięcia te są względem siebie przesunięte o kąt 90o. Napięcia indukowane w tych uzwojeniach są proporcjonalne do sinusa i cosinusa kąta obrotu. W resolverach bezszczotkowych stosowane są transformatory obrotowe, które przenoszą energię między stojanem i wirnikiem. Eliminuje to elementy mechaniczne – pierścienie i szczotki. W takim rozwiązaniu uzwojeniem pierwotnym tego transformatora jest uzwojenie stojana, zaś uzwojeniem wtórnym uzwojenia wirnika. Sygnałem wyjściowym resolvera jest sygnał analogowy i musi on być przetworzony na sygnał cyfrowy. Służy do tego przetwornik R/D (ang. resolver to digital), w którym stosuje się tzw. metodę śledzenia kąta. Determinuje on rozdzielczość całego układu pomiarowego.

Opracowano
na podstawie materiałów
firmowych i stron www