Témata
Reklama

Elektrické regulační pohony

V posledním desetiletí se elektrické pohony staly téměř univerzálním prostředkem pro regulaci točivého momentu, síly, zrychlení, rychlosti a polohy a rozšířily se do všech myslitelných oborů. Objevila se také řada novinek, které někdy i zásadním způsobem mění konstrukci poháněných zařízení.

Seriál tří článků, jehož první část čtete, si klade za cíl podat přehled vývoje a současného stavu v oboru elektrických regulačních pohonů. Zaměříme se na polohové servomechanismy pro pohony posuvů číslicově řízených (NC) obráběcích strojů, na jejichž parametry jsou kladeny jedny z nejvyšších požadavků. Tyto pohony pochopitelně lze použít v libovolném zařízení.
V článku je uveden přehled konstrukcí motorů, základní informace o řízení a regulaci a statické a dynamické vlastnosti pohonů. Závěrem se zmíníme o otázkách přesnosti sledování dráhy při vysokých rychlostech a zrychleních při součinnosti více pohonů. Používané termíny pohon, servopohon, motor a servomotor se vždy vztahují k polohovým servomechanismům pro pohony posuvů NC obráběcích strojů.
Reklama
Reklama
Reklama

Rychloběžné motory

Elektrické stejnosměrné motory byly zpočátku navrhovány tak, aby se svými vlastnostmi - zejména nízkým momentem setrvačnosti - blížily hydraulickým motorům, které zhruba do roku 1965 představovaly jediné rozumné řešení polohového servopohonu. Tak vznikly konstrukce v té době nazývané rychloběžné motory - diskový motor (firma Servalco),
motor s kotvou o velmi malém průměru (Minertia firmy Yaskawa) a motor s hrníčkovou kotvou bez rotujícího železa (firma Mavilor). Maximální otáčky byly typicky 4000 až 6000 ot./min, točivý moment do 20 Nm. Tyto konstrukce mají společnou nepříjemnou vlastnost vyplývající z malé hmotnosti jejich rotorů - jsou citlivé na přetížení. Všechny uvedené typy jsou dodnes používány, v obráběcích strojích však zcela výjimečně.
Pomaloběžné motory
Technická omezení rychloběžných pohonů přivedla konstruktéry k tomu, že není nutné navrhovat motor s extrémně nízkým momentem setrvačnosti, když jej nakonec připojíme k posuvovému šroubu se suportem, jejichž setrvačné momenty řádově převyšují moment setrvačnosti motoru. Na základě uvedené úvahy vznikla koncepce zvaná pomaloběžné motory (Inland kolem roku 1970).
Tyto stroje měly poměrně velký moment setrvačnosti, vysoký točivý moment a vynikající rovnoměrnost pohybu při malých rychlostech. To umožnilo jejich přímé spojení s posuvovým šroubem (bez převodu). Robustnost konstrukce dovolovala značné přetížení motoru - typicky dvojnásobkem trvalého točivého momentu po dobu dvaceti minut a desetinásobkem po dobu 0,2 sekundy. I když dynamika stejnosměrných pohonů byla velmi skromná (propustné pásmo nejvýše 30 Hz), koncepce pomaloběžných motorů zaznamenala mimořádný úspěch a následkem toho z posuvů obráběcích strojů zcela vymizely hydraulické a krokové pohony. Kolem roku 1980 přechod na tranzistorové měniče zlepšil dynamiku na propustné pásmo až 100 Hz a po roce 1985 umožnil realizaci stejnosměrných pohonů s elektronickou komutací (bezkartáčové pohony).
Převážná většina soudobých pohonů je svou konstrukční koncepcí "pomaloběžná". Stojí za zmínku, že od roku 1975 byly v MEZ Brno vyráběny velmi kvalitní pomaloběžné stejnosměrné pohony Mezomatic. Je třeba poznamenat, že označení "pomaloběžný" bylo výstižné v době vzniku těchto pohonů, kdy jejich rychlost dosahovala nejvýše 1500 ot./min, zatímco "rychloběžné" pohony měly maximální rychlosti až 6000 ot./min. Dnešní "pomaloběžné" pohony dosahují běžně rychlostí 6000 ot./min a maximální točivé momenty kolem 100 Nm.
Stejnosměrné motory
Stejnosměrné motory popsané v předchozích odstavcích vyhovovaly nárokům na pohony posuvů a ve spojení s tranzistorovými měniči měly vynikající dynamiku. Jejich slabé místo však představuje komutační ústrojí, které čas od času vyžaduje čištění a výměnu kartáčů. Mimo to komutátory pomaloběžných motorů při vyšších rychlostech a větších zatíženích jiskří, a to snižuje životnost a v mezním případě může vést až k úplnému zničení motoru. Proto je třeba omezovat točivý moment motoru při vyšších otáčkách, jak ukazuje diagram.
Popsané nevýhody odstranily stejnosměrné motory s elektronickou komutací,
které byly zaváděny po roce 1985. Odstranění komutačního ústrojí přineslo skutečně bezúdržbový motor, jehož životnost byla v podstatě dána životností ložisek. Kromě toho inverzní uspořádání (magnety v kotvě, vinutí ve statoru) zlepšilo odvod tepla z motorů, a tak přispělo ke zmenšení jejich rozměrů. Pohony s motory s elektronickou komutací však měly potíže s rovnoměrností malých rychlostí (kolísání rychlosti při 1 ot./min kolem 10 % a více), a proto pomaloběžné stejnosměrné motory zcela nenahradily.
Motory s vektorovým řízením
Synchronní motory s vektorovým řízením představují současný stupeň vývoje a v podstatě po roce 1990 odsunuly stejnosměrné motory do historie (obr. 4 - stejnosměrný motor s elektronickou komutací je principiálně synchronní stroj). Řízení těchto motorů je v porovnání s dříve zmíněnými variantami funkčně složitější, obvodové řešení je však díky použití mikroprocesorů poměrně jednoduché. Výkonné mikroprocesory dnes také umožňují realizovat polohové servopohony používající asynchronní motory s vektorovým řízením. Řídicí obvody jsou přitom téměř shodné s obvody pro synchronní motory, program regulace je však složitější - musí v reálném čase počítat kompletní diferenciální rovnice asynchronního motoru. I když tyto pohony mají vynikající vlastnosti, pro posuvy se nepoužívají pro vyšší vývin tepla. Asynchronní pohony se však staly univerzálním řešením pohonů vřeten pro výrazně nižší cenu asynchronních motorů o výkonu nad 5 kW (v konstrukci motoru nejsou použity drahé permanentní magnety).
Je třeba zdůraznit, že základní princip činnosti zmíněných čtyř typů pohonů (stejnosměrný, stejnosměrný elektronicky komutovaný, synchronní a asynchronní vektorově řízený) je stejný - je udržován úhel 90 stupňů mezi magnetickým tokem rotoru a statoru, což zajišťuje maximum točivého momentu při daném proudu. Rozdíl je v tom, že u stejnosměrného pohonu tento úhel udržuje mechanický komutátor a u zbývajících tří pohonů elektronika na základě údajů snímače polohy kotvy. Jiný rozdíl spočívá ve velikosti "kroků", kterými magnetický tok mění svoji polohu. U pomaloběžného stejnosměrného motoru tento krok bývá mezi 6 až 4 úhlovými stupni (to odpovídá komutátoru s 60 až 90 lamelami). Krok magnetického toku elektronicky komutovaných motorů činí nejčastěji 20 stupňů (osmnáctkrát za otáčku) a je to jedna z příčin horší rovnoměrnosti malých rychlostí. Vektorové řízení synchronních a asynchronních strojů pootáčí vektorem magnetického toku po krocích o velikosti zhruba 0,1 až 0,2 stupně.
Ze shodného principu činnosti vyplývají i v podstatě stejné vlastnosti těchto pohonů (přesnost nastavení polohy, regulační rozsah, dynamické vlastnosti). Vývoj regulace a konstrukce motorů zlepšil po roce 2000 dynamiku některých pohonů až na propustné pásmo 400 Hz. (Poznámka: Propustné pásmo pohonu je zjednodušeně řečeno nejvyšší frekvence vstupního sinusového signálu (o poměrně malé amplitudě), který hřídel motoru dokáže sledovat bez znatelného zkreslení. Šíře propustného pásma pohonu ovlivňuje všechny - zejména dynamické - parametry pohonu.)
Reklama
Vydání #3
Kód článku: 20346
Datum: 13. 03. 2002
Rubrika: Trendy / Pohony
Autor:
Firmy
Související články
EtherCAT pro centrální řízení pohybů

Při centrálním řízení pohybů se musí v každém cyklu po sběrnici přenášet požadovaná hodnota na připojené pohony. Vlastnosti použitého sběrnicového systému jsou proto rozhodující pro dosažitelnou přesnost a dynamiku koordinovaných pohybů. EtherCAT zde proti konvenčním datovým sběrnicím nebo jiným sběrnicím Ethernet pro průmyslové využití nabízí jasné výhody.

Existuje optimální pohon pro dopravní techniku?

Pohony připojené přímo na síť nebo s měkkým rozběhem patří dodnes v dopravní technice k nejčastěji používaným řešením. Jsou ale optimálně přizpůsobeny pro provoz v moderním dopravním zařízení?

Svět mobility se mění

Společnost Schaeffler představila optimalizované pohony se spalovacími motory, které přispívají k dosažení klimatických cílů, jež plynou z Pařížské klimatické dohody. Další novinkou v jejím portfoliu jsou elektromotory dotažené do stavu připravenosti na sériovou výrobu.

Související články
Elektricky a bez softwaru? Jde to!

Software je fenomén současné techniky. Elektrické pohony nejsou výjimkou, ale jedním z nových směrů v jejich vývoji je stále jednodušší použití a z toho vyplývající menší náklady. Pomocí elektrických pohonů tak můžete řešit mnohem více úkolů, a to i těch jednoduchých.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Harmonizace ve svařování

Mezinárodní harmonizace norem a pravidel pro svařování je důležitá z mnoha důvodů. Primárním důvodem je skutečnost, že svařování je považováno za "zvláštní proces" (EN ISO 9001), při kterém nelze zcela zjistit jakost po skončení procesu inspekcí, ale jakost musí být sledována před i v průběhu celého procesu svařování.

Optimalizace péče o ložiska zabraňuje odstávkám výroby

Ložiska jsou vysoce namáhanými součástmi pohonů, které v průběhu času podléhají opotřebení. S ohledem na to je zvláště důležité zahrnout je do plánů údržby, protože tato strategie pomáhá prodloužit životnost strojů nebo zařízení.

Velmi rychlá dvojčata

SolidCAM a InventorCAM jsou jeden a tentýž CAM program integrovaný v různých CADech (SolidWorks a Autodesk Inventor), proto má smysl mluvit o obou najednou. Neliší se funkčně totiž opravdu vůbec, pouze je uživatel ovládá ve svém oblíbeném CADu.

Když jde o prostor…

Současné trendy směřují k mnohem větší míře využití elektroniky než doposud. To je hlavní, nikoliv však jediný důvod, proč se množí automatizace výroby menších zařízení, jakými jsou například mobilní telefony, tablety i ostatní elektronika. Ale nejde jen o ni, ale i o laboratoře, farmacii apod.

Nové komponenty pro stavbu strojů

Tým fluidní techniky divize Lin-Tech společnosti Hennlich i v letošním roce představí na Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně řadu novinek.

Pomocník pro plánování výroby

Většina lidí dnes ví, že žádná firma, která chce být konkurenceschopná, neobejde bez kvalitního ERP. Díky němu lze především řídit procesy, a to doslova všechny. Ne každý si však uvědomuje, jak velké mohou být rozdíly mezi systémy pro jednotlivé oblasti podnikání. Asi nejsofistikovanější ERP najdeme bezesporu ve výrobních firmách.

Soutěž pro středoškoláky

Jubilejní, již pátý ročník soutěže o Putovní pohár partnerských škol Siemens - Sinumerik Cup se letos konal v Mohelnici, v prostorech zdejší Střední školy technické a zemědělské a stejně jako před třemi lety, kdy tato škola byla hostitelem, i letos zdejší ředitel Jiří Ženožička se svým týmem organizaci pojal velmi profesionálně.

Opřít se o silného partnera

V dnešní době hospodářského růstu mnoho firem přemýšlí o rozšíření výroby. To se však neobejde bez úvah o tom, kde získat prostředky na nové stroje a zařízení. Řešení má jméno SGEF.

Chytré stroje přivádějí továrny k životu

Bezpečné balicí stroje připojené k Ethernetu zvyšují produktivitu, zlepšují flexibilitu, snižují komplexnost konstrukce a řeší problémy pracovníků v provozu.

Integrovaný obvod o tloušťce jedné molekuly

Lidstvo již zvládlo přeměňovat světlo na elektřinu a vytvořit akumulátory, v nichž nedochází k chemickým reakcím. Problémem však je, že tyto přístroje mají velmi nízkou účinnost. Nejlepších parametrů by se dosáhlo při použití polovodičů o tloušťce jediné molekuly. A ty se nyní naučili vyrábět vědci z ruského institutu MISiS, který je partnerem ruské korporace pro atomovou energii Rosatom.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit