Сервоприводы ХАРЗА как объект управления

Прежде всего, определимся с терминологией

Замкнутая система управления — это система с замкнутым (посредством обратной связи) контуром передачи воздействий. Она является одним из основных типов систем автоматического управления. Управляющие воздействия в замкнутых системах управления вырабатываются в функции отклонения значения управляемой величины от требуемого закона ее изменения.

К сожалению, в профессиональном обиходе допускаются очень широкие вариации определений термина «электропривод» в целом и «сервопривод» в частности.

В общем понимании электропривод представляет собой исполнительный элемент замкнутой системы управления нижнего уровня, включающий в себя электродвигатель, опционально редуктор, датчик обратной связи, а также контроллер/драйвер управления двигателем. В последнем случае электропривод представляет собой замкнутую систему управления нижнего уровня.

Под сервоприводом, как правило, понимается частный случай электропривода, который предназначен для точного управления по скорости или положению во вспомогательных системах и механизмах. Таким сервоприводом является, например, привод следящей системы. Тем самым и определяются основные режимы работы сервопривода.

Независимо от варианта компоновки — безредукторное исполнение или с редуктором того или иного типа (планетарный, рядный, волновой, циклоидный или любой другой) — главной задачей сервопривода является обеспечение необходимой точности стабилизации при отработке профиля скорости или положения. В общем виде замкнутая система управления приводом без редуктора представлена на рис. 1. 

Рис. 1. Классическая схема замкнутой системы управления приводом с тремя контурами обратной связи

В зависимости от задачи, решаемой системой управления, она может включать как все три контура управления (по току/моменту, скорости и положению), так и ограничиваться меньшим количеством контуров управления. При использовании готового контроллера в составе привода контур управления по току обычно реализован в самом контроллере и является стандартной опцией. Следует заметить, что качество реализуемой системы управления будет определяться не только количеством контуров управления, но в большей степени типами регуляторов (пропорциональный, пропорционально-интегральный или пропорционально-интегро-дифференциальный), установленными в каждом из контуров управления, а также коэффициентами настройки регуляторов с учетом параметров конкретного сервопривода. В зависимости от выбранного регулятора переходный процесс в каждом из контуров управления будет протекать тем или иным образом, обеспечивая соответствующие динамические свойства системы управления и ее точность.

Отдельно заметим, что итоговая точность системы определяется каждым из элементов, входящих в состав конкретного сервопривода. Остановимся отдельно на этом моменте.

Сервоприводы ХАРЗА представляют собой прецизионную мехатронную систему с высокой степенью интеграции элементов и высокой плотностью компоновки. Ключевым элементом любой такой системы является электродвигатель. Использующиеся в конструкции сервопривода ХАРЗА синхронные двигатели на постоянных магнитах российского производства обладают рядом особенностей, обеспечивающих преимущества при построении системы управления. В частности, они имеют хорошую управляемость и высокие удельные характеристики. Благодаря конструктивным особенностям двигатели обладают малым коэффициентом нелинейных искажений и нагрузочной характеристикой, близкой к линейной (рис. 2), что определяет точность управления.

Рис. 2. Графики зависимости крутящего момента от скорости (где МП — пиковый момент, МН — номинальный момент) и крутящего момента от СКЗ тока
Скорость, об./мин
Irms, [A] – IСКЗ, А

Кроме того, указанные электродвигатели обладают низкими значениями индуктивности и сопротивления обмоток, что напрямую влияет на величину электромагнитной постоянной T_э = L/R и в результате на время отклика двигателя на сигнал управления. В зависимости от габарита двигателя значение времени отклика находится в диапазоне 0,267–3,413 мс. При этом стоит заметить, что величина времени отклика аналогичных зарубежных двигателей (на примере двигателей производства TQ Robodrive, Германия) находится в диапазоне 0,34–6,181 мс, что в ряде случаев почти в два раза выше.

Кроме того, стоит отметить относительно низкие значения электромеханической постоянной времени T_M, которая среди прочего напрямую зависит от количества пар полюсов электродвигателей и момента инерции ротора. Количество пар полюсов российских двигателей сопоставимо с зарубежными двигателями (7–20). Благодаря особой конструкции ротора двигателя момент инерции последнего имеет минимальные значения. При этом КПД таких двигателей составляет 85–96%.

Помимо двигателя прямой вклад в обеспечение точности конечной системы вносят редуктор и датчик (или датчики) обратной связи.

В качестве основного типа редуктора в составе сервоприводов ХАРЗА применяется волновая передача. Рассмотрим несколько практических моментов, касающихся точности волновой передачи.

Принцип использования волновой деформации для передачи и преобразования движения был предложен инженером А.И. Москвитиным в 1944 г. для фрикционной передачи с электромагнитным генератором волн, а в 1959 г. в США был выдан патент Уолтону Массеру (Walton Musser) на зубчатую передачу с механическим генератором волн. В дальнейшем для силовых передач стали использоваться, главным образом, зубчатые волновые передачи.

Гибкое колесо в волновой передаче в зависимости от конструкции генератора волн может нести одну, две, три и более волн деформации. Но, поскольку передаточное отношение волновой передачи не зависит от количества волн деформации на гибком колесе, а увеличение их числа способствует росту изгибных напряжений в теле гибкого колеса, чаще всего используется симметричная двухволновая схема деформации гибкого колеса, позволяющая исключить возникновение поперечных нагрузок на валах передачи.

В большинстве известных конструкций гибким является колесо с внешним зубчатым венцом, а жесткое колесо оснащено внутренними зубьями. Такая волновая передача включает три основных звена: гибкое и жесткое колеса, а также генератор волны (рис. 3). Обычно бывает наиболее удобным конструктивно входной вал редуктора соединить с генератором волн, а выходной — с гибким колесом; в этом варианте конструкция редуктора становится наиболее компактной и технологичной. Легкая конструкция и большие передаточные числа на одной ступени (до 160:1) волновых передач позволяют использовать их в конструкциях, требующих минимального веса и объема. 

Рис. 3. Схематическое изображение конструкции волновой передачи (Circular spline — жесткое кольцо, Flexspline — гибкое кольцо, Wave generator — генератор волны).

Сама по себе волновая передача безлюфтовая. Напомним, что люфт — это разница между пространством для размещения зубьев и шириной зуба. В случае с волновой передачей эта разница равна нулю благодаря особенности конструкции. При номинальных нагрузках процент находящихся в зацеплении зубьев составляет 15–25% от их общего числа. Таким образом, в волновых передачах применяется мелкомодульное зацепление, а количество зубьев колес находится в пределах 100–600. Зона зацепления в волновой зубчатой передаче совпадает с вершиной волны деформации.

При этом для описания точности волновой передачи движения корректно использовать ряд терминов: потери на гистерезис, потери движения, повторяемость и точность передачи движения. Разберем их.

Потери на гистерезис (рис. 4)

При приложенном к выходному звену редуктора крутящем моменте с заблокированным входным звеном изменение соотношения между крутящим моментом (Torque) и углом скручивания (Torsion) происходит по кривой A–B–A'–B'–А. Величина разницы между точками B и B' определяется как потери на гистерезис (Hysteresis loss).

рис. 4 Потери на гистерезис. График изменения соотношения между моментом и углом скручивания

Потери движения (рис. 5)

Этот термин (Lost Motion) используется для описания жесткости скручивания в области малых моментов. Он описывает угол отклонения выходного звена при зафиксированном генераторе волны и приложенном к выходному звену моменте в диапазоне ±4% от номинального момента T_N.

рис. 5 Потери движения. График соотношения между углом отклонения и приложенным моментом в пределах ±4% от номинального момента T_N

Повторяемость (рис. 6)

Повторяемость (Repeatability) редуктора описывает измеренную разницу позиции при повторяющемся движении в одну и ту же точку в одном и том же направлении. Определяется как половина максимальной измеренной разницы с указанием значка ±.

рис. 6 Повторяемость. Схематическое изображение

Точность передачи движения (рис. 7)

Точность передачи движения (Transmission accuracy) показывает ошибку линейности между входным и выходным звеном. Измеряется на одном полном обороте выходного звена без реверса и представляет собой сумму максимального положительного и отрицательного отклонений фактического угла поворота выходного звена редуктора от расчетного (теоретического).

рис. 7 Точность передачи движения

Приведенные характеристики в совокупности дают представление о точностных свойствах волнового редуктора.

На практике благодаря применению в составе сервоприводов ХАРЗА волновых редукторов в зависимости от выбранного передаточного числа обеспечивается безлюфтовая передача момента двигателем на нагрузку с суммарной точностью до 10 угловых секунд (в отдельных случаях — не более 20 угловых секунд). При этом устанавливаемые на выходе сервопривода прецизионные упорно-радиальные подшипники позволяют приложить относительно большие осевые и радиальные нагрузки на выходной фланец привода. Однако при высоких значениях нагрузок на выходной фланец привода в системе необходимо предусмотреть дополнительный упорный подшипник и механически разгрузить подшипник самого привода.

Теперь остановимся на обратной связи. При обеспечении обратной связи сервопривода в большинстве случаев используется один датчик на валу двигателя. В зависимости от задачи применяются датчики Холла, аналоговый (резольвер / СКВТ) или цифровой датчик относительного положения (инкрементальный энкодер) или абсолютного положения (абсолютный энкодер) высокого разрешения, одновременно обеспечивающие и обратную связь по скорости, и обратную связь по положению (см. рис. 1).

В отдельных случаях при реализации высокоточной системы позиционирования для обеспечения обратной связи по скорости и положению применяются два разных датчика — инкрементальный энкодер, резольвер или датчики Холла, установленные на валу двигателя для скоростного контура, и датчик абсолютного положения на выходном звене редуктора. Таким образом реализуется трехконтурная система управления с двумя независимыми контурами на основе датчиков положения вала. Благодаря высокому разрешению абсолютного датчика вторичного контура обратной связи (до 21 бит и выше) обеспечивается компенсация передачи движения на волновом редукторе и точное позиционирование нагрузки. Механически установка высокоточного абсолютного датчика положения на выходном звене редуктора возможна благодаря использованию полого вала в конструкции привода.

Для интеграции такого привода в существующие системы управления (станки ЧПУ, специализированные системы и контроллеры) предусмотрены варианты установки датчиков с соответствующими интерфейсами (EnDat, Hiperface, SSI, BISS, аналоговый sin/cos и др.).

В особых случаях при создании систем управления конструктором применяется дополнительный силомоментный датчик, формирующий четвертый контур обратной связи. Однако в таком случае для корректной работы сигнал с силомоментного датчика должен заводиться не на контроллер привода, а в систему управления верхнего уровня.

Пример внешнего вида приводов ХАРЗА в различных вариантах компоновки представлены на рис. 8. 

рис. 8 Варианты компоновки сервоприводов в разных габаритах: ХАРЗА-14, ХАРЗА-20, ХАРЗА-40

В зависимости от решаемой задачи конструктор может выбрать вариант компоновки без полого вала или с ним. Размеры младшей модели сервопривода ХАРЗА-14 составляют всего 64×86 мм при развиваемом длительном выходном моменте до 11 Нм и краткосрочном до 26 Нм (рис. 9). Особый интерес такой привод представляет для приложений робототехники, мобильных платформ, компактных опорно-поворотных устройств.

рис. 9 Чертеж сервопривода ХАРЗА-14 и его внешний вид

Габариты самого мощного на настоящий момент сервопривода ХАРЗА-40 ощутимо больше, однако и значения развиваемых моментов составляют 420 и 647 Нм для длительного и краткосрочного выходных моментов, соответственно (рис. 10). Такое решение представляет интерес для больших опорно-поворотных устройств, точных осей прецизионных станков, металлообрабатывающих центров и других подобных задач. 

рис. 10 Внешний вид и чертеж сервопривода ХАРЗА-40

Общие характеристики сервоприводов с разными габаритами приводятся в сводной табл.

Таблица. Сводная таблица характеристик сервоприводов ХАРЗА

Параллельно ведется работа по выпуску еще нескольких типоразмеров (габаритов) привода, построенных по аналогичной схеме, для обеспечения более широкого круга задач и предоставления заказчику решений в более широком диапазоне моментов.

Резюмируя, заметим, что сервоприводы ХАРЗА обладают рядом особенностей и преимуществ, предоставляющих разработчикам конечных систем широкие возможности. Эти компактные для своих моментов и возможностей приводы не только работают в широком диапазоне температур (–40…65 °С), обладают высокой степенью защиты (до IP67) и полым валом, но и обеспечивают доступ конструкторов к высокодинамичной мехатронной системе с высокой точностью передачи движения, малым временем отклика, низкой инерцией и достаточно линейной характеристикой, что в совокупности обуславливает хорошую управляемость. При использовании качественного контроллера совместно с сервоприводами можно получить замкнутую систему управления нижнего уровня, обеспечивающую заданные показатели по качеству управления, точности и стабильности. С учетом возможности адаптации каждого из предлагаемых типоразмеров под индивидуальные требования конкретного проекта линейка сервоприводов ХАРЗА представляет собой достаточно гибкие инструменты для решения задач высокоточного позиционирования и реализации систем управления исполнительными механизмами (приводами) в приложениях разных видов. 

Максим Гурбашков, гендиректор ООО «ИнноДрайв», член правления Консорциума робототехники и СИУ, член правления НАУРР

Статья опубликована в журнале Control Engineering Россия № 02'23

Литература

1. Теория автоматического управления. Конспект лекций для студентов направления подготовки 151900 – конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств. ВГУ им. А.Г. и Н.Г. Столетовых. Составитель: Н.Г. Рассказчиков. Владимир. 2012.
2. А.М. Абакумов, П.В. Тулупов, Ю.А. Чабанов. Электрический привод. Часть 1. Электроприводы постоянного тока. Уч. пособие. СГТУ. Самара. 2010.
3. В.А. Бесекерский, Е.П. Попов. Теория систем автоматического управления. Изд. Профессия. 2003.
4. ILM Series. Frameless Servo Kits // www.tq-group.com.
5. Lisa Eitel. Basics of Wave and Cycloidal Gearing for Robotics and Servo Designs. Motion Control Tips. June 16. 2022 // www.motioncontroltips.com/wave-and-cycloidal-gearing.
6. Harmonic Drive Gears. Engineering data. Harmonic Drive SE. June 2022.
7. М.Н. Иванов. Волновые зубчатые передачи. Изд. Высшая школа. 1981.