Drivteknik.nu

 

Hem / SKOLA / Skola - Servo

ALLMÄNT OM SERVOTEKNIK

 

Ordet servo (lat. servus) betyder slav. Därmed kan begreppet servoteknik ges en mycket vid betydelse. Här avhandlas bara sådant som berör elservosystem.

Ett normalt elservo består av följande komponenter:

• Servomotor
• Ärvärdesgivare för varvtal och/eller position
• Drivelektronik
• Styrelektronik
Drivelektroniken kallas ofta servoförstärkare, och har tillsammans med styrelektroniken till uppgift att ständigt kontrollera ärvärdesgivaren och korrigera så att skillnaden mellan är- och börvärde hålls så liten som möjligt. Gränsen mellan driv- och styrelektronik ibland svår att definiera, eftersom de flesta servoförstärkare i allmänhet också tar hand om delar av styrningen.

Servosystemet består av två eller tre styrkretsar (loopar eller slingor):

1. Strömslingan, en intern mycket snabb krets, som styr strömmen till motorlindningarna, och därmed är direkt relaterad .till motorns vridmomentet.
2. Hastighetsslingan är överordnad strömslingan. Här ingår oftast någon form av extern givare, t.ex. en DC-takogenerator. Signalen från denna, hastighetsärvärdet, jämförs med börvärdet, som kan komma från en potentiometer, ett styrsystem eller ett positioneringssystem. Hastighetsslingans respons är långsammare än strömslingans.Nu har vi ett hastighetsservo för noggrann reglering av hastigheten i ett stort reglerområde.

3.

Positionsslingan jämför värdet på en positionsgivare med ett analogt eller digitalt (programmerat) börvärde, och styr hastighets- och/eller strömslingan för att minimeraavvikelsen.

 

 

 

 



Strömslingan är oftast helt proportionell. Detduger bra, med tanke på att snabb respons är viktigare än att strömvärdet är exakt.

Hastighetsslingan har oftast även en integrerande term, för att ge stabilt och exakt varvtal.Det underlättar för positionsslingan om hastigheten är så nära vad systemet väntar sig som möjligt. I hastighetsslingan kan ibland också filter finnas för att minska effekten av mekaniska glapp och bristande mekanisk styvhet.

Positionsslingan har ofta flera termer: Proportionell, integrerande, differentiell, hastighets-feedforward och ibland även andra varianter som tillverkaren av systemet funnit ge bra resultat i vissa drifter. Positionsslingan är den långsammaste av alla. Den är överordnad de övriga, och måste därför avvakta resultatet av förändringar i hastighetsslingan innan nya positionsärvärden får ge aktion.

Det är bra att förstå att servosystem är “avvikelsestyrda”. Det krävs en avvikelse mellan är- och börvärde för att motorn ska röra sig. Det innebär att perfekt positionsföljning inte existerar. Frågan är bara om felet är litet nog för att kunna accepteras i en viss drift. I drifter av punkt till punkt-karaktär är man oftast inte så bekymrad över precisionen under själva förflyttningen, utan koncentrerar sig på att nå tillräcklig noggrannhet då motorn stannat. I en kurvlinjestyrning däremot, t.ex. i en skärmaskin, får felets storlek under själva rörelsen avgörande betydelse för resultatet.

Servot måste då trimmas in så att felet aldrig överskrider maskinens specifikation. Ibland får man pruta på hastighetskravet för att få tillräcklig precision.

Skissen nedan visar principen för ett komplett positioneringssystem med servomotor. Vissa system “går förbi” hastighetsslingan, och styr motorns vridmoment i stället för varvtalet. Det sker genom att börvärdet till servoförstärkaren representerar önskad strömnivå (momentet är ju proportionellt mot strömmen).

Dessa servon är ofta lämpliga i punkt till punktdrifter. De kan däremot ibland vara olämpliga för drifter som kräver mycket jämn hastighet, t.ex. för matningsmotorer i bearbetande utrustning.

Det finns också system som utgör integrerade styr- och drivutrustningar, där samma processor sköter samtliga algoritmer i servot, och styr effekttransistorerna direkt. I vissa servodrifter utgör mänskliga sinnen “ärvärdesgivare”. Styrservo i fordon är ett typiskt exempel. Motorn är då en mekanisk effektförstärkare av mänsklig rörelse. I dessa tillämpningar krävs ofta ingen annan återkoppling än ögats uppfattning.

Vanligast är dock att ett programmerbart styrsystem kommenderar motorn att flytta sig mellan olika positioner. Bl.a. verktygsmaskiner, industrirobotar och kapningsutrustningar använder denna teknik.


 

 

FÖRDELAR OCH NACKDELAR

Här går vi igenom fördelar och nackdelar hos de tre vanligaste motortyperna. De uppräknade egenskaperna kan vara mer eller mindre utpräglade, då det kan skilja en hel del mellan olika motorserier och tillverkare.

Den borstförsedda likströmsmotorn

FÖRDELAR
Beprövad Den borstförsedda likströmsmotorn är en sedan länge känd konstruktion som tillverkas i många olika utföranden med varierande egenskaper.
Mjuk gång
Hög verkningsgrad i hela vartalsområdet. Borstmotorer har oftast ett högt förhållande mellan topp- och kontinuerligt vridmoment, och med rätt inställt drivdon kan konstant moment erhållas i hela varvtalsområdet. God verkningsgrad vid högre varvtal.
Ekonomisk Automatiskt tillverkade motorer i grund-utförande utan högprestandamagneter kan erbjudas till låga priser. Drivdonen är också enklare och därmed billigare än till stegmotorer och borstlösa.
Tyst Det mekaniska oljudet är mycket lägre än hos en stegmotordrift.
NACKDELAR
Förslitning Den mekaniska konstruktionen med kommutator och kolborstar begränsar livslängden och ökar underhållskostnaderna. Den faktiska livslängden för kolborstarna beror på materialval, hur väl genomarbetad kostruktionen är med avseende på god kommutering (låg gnistbildning vid drift) och inte minst hur den används i tillämpningen. Upprepade starter och stopp med högt lastmoment och högt varvtal eller drift i låg temperatur då luftens relativa fuktighet är mycket låg (ingen smörjning med vattenmolekyler) bidrar till att reducera livslängden.
Gnistbildning Då det vid kommutering uppstår gnistor i större eller mindre omfattning är den borstförsedda likströmsmotorn olämplig för tillämpningar i explosiva miljöer.

Elektriska störningar Kommutering med kolborstar skapar en del elektriska störningar, som måste minskas med någon lämplig avstörningsmetod.



Stegmotorn

FÖRDELAR
Låga kostnader Enkel och robust uppbyggnad, låga eller inga underhållskostnader. Förhållandevis lågt inköpspris.
Idealisk för positionering Behöver till skillnad från övriga motortyper ingen rotorlägesgivare i positioneringsdrifter.
Högt moment vid låga varv Vid låga varvtal har stegmotorn, i förhållande till sin fysiska storlek, ett mycket högt vridmoment.
NACKDELAR
Ljud Eftersom motorn drivs med ett elektriskt pulståg uppstår momentpulsationer som bl.a. ger upphov till oljud.
Resonans Vid vissa frekvenser på pulståget kan man få resonansproblem som resulterar i uteblivet vridmoment och förlorad position.
Lågt moment vid höga varv Moment-varvtalskurvan visar ett med ökat varvtal fallande vridmoment. Det är viktigt då man väljer stegmotor efter tillämpningens momentbehov i hela varvtalsområdet, annars riskeras att motorn stannar eller tappar position. I positioneringsdrifter med stegmotorer har man vanligtvis inte någon rotorlägesgivare, så drifttillstånd då positionen går förlorad är förödande för tillämpningen.



Den borstlösa likströmsmotorn

FÖRDELAR
Tyst Ingen pulsresonans, inget mekaniskt oljud.
Lättkyld Effektförlusterna som till största delen uppstår i statorpaketet kan enkelt kylas.
Effektiv Den borstlösa likströmsmotorn har vanligtvis ett högt förhållande mellan topp- och kontinuerligt vridmoment. De har också i allmänhet mycket högt vridmoment i förhållande till tröghetsmomentet, en egenskap som gjort att de i dag dominerar i snabba servodrifter.
Passar överallt Då kolborstar helt saknas finns inte längre några tillämpningar som är uteslutna. Borstlösa motorer passar utmärkt för tillämpningar med mycket högt varvtal, snabba starter och stopp samt kan arbeta i både vakuum och explosiva miljöer.
NACKDELAR
Magnetmaterial För att kunna utnyttja motors alla goda elektriska egenskaper vill man också att motorns eget tröghetsmoment skall vara lågt varför den oftast bestyckas med mycket högklassigt magnetmaterial (kobolt-samarium eller järnneodym)
Tillverkning Rotordiametern blir liten och därmed ett lågt tröghetsmoment, tyvärr ökar kostnaden då dessa magnetmaterial kostar mer än magneter i något ferritmaterial. Då rotorn gjorts lång med liten diameter blir också statorpaketet längre och smalare. Detta medför att det är mer arbetsintensivt och kostsamt att lägga in lindningshärvorna i statorpaketet.
Drivelektronik För att driva motorn behöver rotoraxeln någon form av rotorlägesgivare som används för att styra kommuteringen. Denna givare samt en mer komplicerad drivelektronik ökar kostnaden för ett komplett drivpaket.



Linjärmotorn (synkrontyp)

FÖRDELAR
Hög hastighet Ca 10 m/s
Tyst Inga mekaniska oljud
Hög upplösning Kan förses med högupplösande linjära pulsgivare för positionering med mikrometernoggrannhet.
Inget spel Driften innehåller inga komponenter som kan ge mekaniskt spel.
NACKDELAR
Magnetmaterial För att motorns goda egenskaper ska kunna utnyttjas måste den bestyckas med högklassigt magnetmaterial.
Skala och linjärlager Vid höga hastigheter och hög upplösning måste den linjära pulsgivaren hålla samma klass som önskad noggrannhet.
Kapsling Måste förses med yttre kapsling när den ska användas i svåra miljöer.
 
 

Copyright © Drivteknik.nu 2007-2018. All rights reserved