Precyzyjne sterowanie ruchem. Czym są serwonapędy?

Automatyka przemysłowa staje się coraz bardziej precyzyjna.  Rosną wymagania dotyczące jakości produktów z jednej strony, a wydajności i niezawodności urządzeń produkcyjnych z drugiej. Aby spełnić te wymagania, bardzo istotne jest, by stosowane maszyny miały odpowiednie właściwości. Potrzebną jakość oraz precyzję zapewnić nam mogą serwonapędy. Czytając ten artykuł poznasz podstawowe informacje na temat serwonapędów: czym są, z czego się składają oraz jakie są różnice między nimi.

Co to jest serwonapęd?

Serwonapędy to urządzenia wykorzystywane do precyzyjnego realizowania ruchu podzespołów urządzeń i maszyn, przy uwzględnieniu wszystkich jego parametrów. Są to moduły napędowe odpowiedzialne między innymi za poruszanie ramionami robotów oraz osiami maszyn CNC, ale nie tylko. Serwonapędy działają bardzo dokładnie i posiadają wysoką sprawność, dlatego można je stosować w każdej maszynie, gdzie potrzebna jest wydajność i wysoka precyzja.

Wydawać się może, że serwonapęd to po prostu silnik. Jest to jednak poważne uproszczenie, ponieważ w rzeczywistości jest to urządzenie składające się z takich elementów, jak: serwosilnik, serwowzmacniacz, kable enkoderowe oraz kable zasilające. Poniżej omówię pokrótce każdy z tych podzespołów.

Przeczytaj więcej o serwonapędach Astraada SRV-64

Czym jest serwonapęd, a czym serwomechanizm?

Na początku chciałbym rozwiać często spotykane wątpliwości i omówić różnice pomiędzy serwomechanizmem a serwonapędem. Te dwa pojęcia często są ze sobą mylone. Serwonapęd to układ wykonawczy składający się z:

• silnika,
• serwowzmacniacza, w którym znajduje się serwosterownik,
• kabli enkoderowych,
• oraz kabli zasilających.

Serwonapęd jest częścią większej całości, czyli serwomechanizmu. W jego skład wchodzi poza tym przekładnia oraz opcjonalnie – jeśli jest potrzebny – sterownik PLC, który może realizować dodatkowe zaawansowane funkcje, takie jak np. sterowanie wejściami i wyjściami, synchronizacja osi lub standardy PLCopen. W momencie zainstalowania sterownika realizacja pętli sprzężenia zwrotnego jest często przenoszona z serwowzmacniacza właśnie do PLC.

Każdy z komponentów serwonapędu pełni ważną rolę w pracy maszyny, bardzo istotny więc jest ich odpowiedni dobór, gdy konfigurujemy swój własny serwonapęd.

Serwosilnik

Podstawowym elementem wchodzącym w skład serwonapędu jest serwosilnik. Technicznie rzecz ujmując jest to klasyczny silnik asynchroniczny prądu zmiennego ze zintegrowanym enkoderem. Serwosilnik to element wykonawczy całego serwonapędu. Odpowiada on za ruch danej części maszyny. Jest on połączony ze serwowzmacniaczem odpowiadającym za generowanie wartości nastaw silnika. Urządzenie te zasilane jest prądem przemiennym.

Różnice między enkoderami inkrementalnymi a absolutnymi w serwosilnikach

Enkodery to urządzenia zmieniające ruch obrotowy na sygnały elektryczne. Dostarczają one precyzyjnych informacji o aktualnym stanie wału silnika – jego położeniu kątowym, kierunku obrotu oraz ilości wykonanych obrotów.

W enkoderach absolutnych sygnał wyjściowy generowany jest w postaci analogowej. Każda pozycja na tarczy enkodera wyposażona jest w kod jednoznacznie ją identyfikujący. Powoduje to, że każde położenie kątowe wału ma swoją wartość kodową na wyjściu. Tarcza enkodera absolutnego posiada również dodatkową ścieżkę inkrementalną, dzięki której na wyjściu może być generowany również sygnał cyfrowy. Zaletą tego rodzaju urządzeń jest możliwość odczytania pozycji serwosilnika po wyłączeniu zasilania. Enkoder absolutny mierzy względną pozycję serwosilnika.

Enkoder inkrementalny generuje na wyjściu impulsy odpowiadające ruchowi obrotowemu. Posiada on określoną rozdzielczość, która informuje nas, ile impulsów wyjściowych odpowiada danemu przesunięciu kątowemu. Naturalnie im większa rozdzielczość, tym większa dokładność pomiaru. W przypadku enkodera inkrementalnego nie ma możliwości odczytania jego aktualnego położenia po utracie zasilania.

Serwowzmacniacz

Serwowzmacniacz to urządzenie sterujące silnikiem za pomocą danych z enkodera. Stosuje się je w celu wykonania danej liczby obrotów, zmiany położenia wału o konkretny kąt lub zmiany jego prędkości. To właśnie w nim znajdują się terminal I/O oraz złącze STO, z którymi można się skomunikować poprzez odpowiednie protokoły komunikacyjne np. Modbus RTU. W dużym uproszczeniu mówiąc, serwowzmacniacz dla serwosilnika jest tym, czym falownik dla prostego silnika asynchronicznego prądu zmiennego.

W odniesieniu do serwowzmacniacza można też spotkać się z określeniem „serwosterownik”. Nie jest ono do końca poprawne, ponieważ serwosterownik jest częścią składową serwowzmacniacza. Sam serwosterownik odpowiada za zadanie sygnałów sterujących, które następnie potrzebują wzmocnienia. Stąd właśnie urządzenie, które nadaje sygnały sterujące i następnie je wzmacnia podając bezpośrednio na serwosilniki, nazywane jest serwowzmacniaczem.

Serwowzmacniacz nie zawsze jest główną jednostką nadrzędną w serwomechanizmie. Często zdarza się, że współpracuje on ze sterownikiem PLC i to właśnie PLC wydaje konkretne polecenia do serwowzmacniacza, który przekłada je na obroty serwosilnika z daną prędkością i pozycją. Serwowzmacniacz i PLC mogą komunikować się ze sobą poprzez protokoły komunikacyjne takie jak EtherCAT, Modbus, Profinet, Profibus itd., ale również poprzez zwykłe sygnały zadawane z terminala I/O PLC.

Okablowanie

Do każdego serwonapędu musimy posiadać dwa rodzaje kabli – zasilające i do enkodera.
Kable należy odpowiednio dobrać do parametrów naszego urządzenia: napięcia zasilania – 230 V lub 400 V, mocy silnika ora rodzaju enkodera – inkrementalnego lub absolutnego. Warto również rozważyć zastosowanie kabli z podtrzymaniem bateryjnym.

Przy doborze kabli trzeba zwrócić uwagę na to, by były one elastyczne i ekranowane. Jaka jest różnica między nimi? Ekranowane kable chronią przed zakłóceniami elektromagnetycznymi wynikającymi z pulsacji płynącego prądu w przewodzie. Z kolei kabel elastyczny – dzięki specjalnej gumowej osłonie – jest giętki i miękki, a jednocześnie wytrzymały. Dzięki czemu można go łatwiej schować w szafie, aby nie przeszkadzał.

Różnice między serwonapędem a silnikiem krokowym

Zacznijmy od wyjaśnienia zasady działania silnika krokowego. Ma on za zadanie, jak każdy inny silnik, przekształcić energie elektryczną na energię mechaniczną.  Wirnik silnika porusza się za pomocą impulsów generowanych w układzie sterującym. Obrót wirnika krokowego o dany kąt powoduje przemieszczenie się sterowanego przedmiotu o dokładnie określoną odległość.

Wirnik składa się z dwóch tarcz o przeciwnych biegunach magnetycznych – północnym i południowym. Po podaniu napięcia wirnik wprawiony jest w ruch przez uzwojenie stojana, czyli elektromagnes. W tym momencie silnik wykonuje jeden krok. Im więcej par biegunów posiada wirnik, tym ten krok będzie mniejszy, a więc ruch bardziej precyzyjny.

Podstawową różnicą pomiędzy serwosilnikiem i silnikiem krokowym jest ich cena. Silnik krokowy jest znacznie tańszy. Niemniej jednak ma on swoje wady, które należy uwzględnić przy wyborze urządzenia. W silnikach krokowych występuje otwarta pętla sprzężenia zwrotnego, a więc nie badamy, czy silnik faktycznie obrócił się o zadaną wartość – zadajemy jedynie liczbę kroków. W związku z tym podczas dynamicznych przyspieszeń lub dużych prędkości silnik ma tendencję do gubienia kroków. Przekłada się to na niższą precyzję. Nie powinniśmy wybierać silnika krokowego do zadań o dużej powtarzalności, implikującej wysoką precyzję.

Autor: Hubert Fornalski

Współpraca i konsultacja: Rafał Pilch