В статье рассмотрены основные функциональные возможности,
особенности и области применения сервопривода СПШ 10

Приводные устройства и приводные системы традиционно рассматриваются как один из важнейших базовых элементов технологических систем различного назначения, применяемых в большинстве от раслей промышленности. Во многом именно надежность приводов определяет степень производственной эффективности и уровень общей безопасности промышленной техники.

В последнее время развитие и дальнейшее совершенствование приводных систем идет по пути повышения степени их интеллектуальности и универсальности. Первое придает приводу большую гибкость и позволяет наряду с традиционными задачами контроля и управления осуществлять также диагностику, решать задачу прогнозирования технического состо яния приводного устройства или, например, управлять работой привода при помощи внешнего контроллера. Универсализация же дает инженерам возможность использовать привод в более широком спектре областей применения.

Одним из наиболее характерных представителей семейства современных интеллектуальных приводных устройств является сервопривод СПШ 10 производимый серийно на ЗАО «Завод мехатронных изделий".

Высокопроизводительный интегрированный сервопривод СПШ 10 базируется на алгоритме векторного управления. Конструктивно он состоит из гибридного шагового двигателя, преобразователя частоты на основе высокопроизводительного DSP-процессора, датчика углового перемещения и ПЛК (рис. 2). При использовании привода СПШ10 в большинстве случаев не требуется редуктор, поскольку шаговый двигатель, на основе которого реализован рассматриваемый привод, является высокомоментным. Кроме того, новая модификация сервопривода, получившая обозначение СПШ20, уже имеет нулевую метку в датчике обратной связи. Нулевая или пометка предназначена для точного определения начального положения вала двигателя и используется в координатных системах и манипуляторах совместно с датчиками референцирования, что позволяет обеспечить точный выход в нулевую позицию.

На сегодня аналогов сервоприводам семейства СПШ в России нет, а поставляемые на отечественный рынок зарубежные устройства уступают отечественной разработке по комплексу показателей: функциональным возможностям, стоимости, сроку поставки и эффективности послепродажного обслуживания.

Многофункциональность

В процессе разработки СПШ10 инженерами ЗАО «Сервотехника» ставилась задача создать универсальный интегрированный сервопривод, который подходил бы по своим техническим характеристикам и функциональным возможностям для практического применения в максимально наибольшем спектре отраслей промышленности.

Универсальность – это один из ключевых моментов нового сервопривода, благодаря чему СПШ10 уже нашел применение в таких областях, как оборудование для текстильной и пищевой промышленности; полиграфическое оборудование; фрезерные и фрезерно-гравировальные станки; упаковочное и конвейерное оборудование; измерительные системы; приводы осей координатных столов и различных манипуляторов; распределенные системы линейного перемещения (на базе СПШ10 уже создан целый ряд стандартных линейных модулей для решения задачи линейного позиционирования); приводы подачи, машин и механизмов специального назначения; различное рекламное оборудование.

Сервоприводы семейства СПШ пробили себе дорогу даже в мир искусства – используются сегодня в кинотехнике и оборудовании для телерадиовещания, разработкой и производством которых занимается компания «ДИП» (С.Петербург). А инженеры компании «Рубин» (Москва) и Научно-технического центра «Завод «Ленинец» (С.Петербург) используют новый сервопривод в традиционных для такого оборудования областях – для решения задачи автоматизации промышленной установки струйной очистки от лакокрасочных покрытий и в станках с ЧПУ.

Нашлось для сервопривода дело и в сфере подготовки высококлассных водителей: СПШ включен в состав тренажера колесных машин, созданного компанией «Логос» (Москва) и предназначенного для обучения основным навыкам вождения и совершенствования приемов управления большегрузными автомобилями в различных условиях. В данном тренажере на валу сервопривода СПШ10 установлено стандартное рулевое колесо автомобиля повышенной проходимости КамАЗ и тормозная муфта. Последняя необходима для имитации так называемых «краев» рулевого управления, а непосредственно сервопривод используется для имитации возврата руля и ударов от дороги во время «движения».

Интересное высокотехнологичное применение комплектам СПШ10 было найдено специалистами корпорации «ВСМПО-Ависма» (г. Верхняя Салда). Инженеры Центральной лаборатории автоматизации «титанового» гиганта решили использовать СПШ10 для решения задачи точного позиционирования в комплексах по обеспечению неразрушающего контроля, в частности, в области ультразвукового контроля продукции корпорации, широко использующейся в таких важных отраслях, как, например, авиастроение.

Режимы работы и особенности эксплуатации

Функциональные возможности сервоприводов семейства СПШ позволяют реализовать различные варианты режимов работы.

Динамический режим позволяет управлять приводом в режиме РВ через цифровой интерфейс. Данный режим используется в системах, требующих контурного управления: например, в манипуляторах со сложной кинематикой и координатных столах для точного позиционирования.

Аналоговый режим дает возможность осуществлять управление скоростью привода с помощью аналогового сигнала ±10В и применяется преимущественно в процессе модернизации оборудования с аналоговыми системами управления или для ручного управления.

Циклический режим, при котором работа привода осуществляется по программе, заложенной во встроенный контроллер и сохраненной в памяти привода, позволяет исключить внешний контроллер верхнего уровня или СЧПУ. Используется по большей части в конвейерах и в оборудовании, предназначенном для сборочных операций.

Сетевой режим позволяет строить распределенные сервосистемы на основе цифрового промышлен ного интерфейса CAN для синхронизации нескольких приводов и работы в режиме master-slave, в котором ведомый привод работает в режиме повторителя положения вала ведущего.

Для эмуляции работы
шагового двигателя сервопривод СПШ10 поддерживает также и интерфейс Step/Dir, с помощью которого задается текущее положение вала двигателя. Кроме того, в приводах семейства СПШ реализован режим синхронизацииконтуров скорости между собой на основе CAN-ин терфейса, что позволило повысить точность выполнения контурного движения в таких системах, как фрезерные, токарные и деревообрабатывающие станки.

Партнеры ЗАО «Завод мехатронных изделий» отдают предпочтение тем рабочим режимам, которые необходимы для конкретного применения. Так, НТЦ «Завод «Ленинец» (С.Петербург) использует в станках с ЧПУ режим управления позицией с заданием управляющего воздействия при помощи интерфейса Step/Dir, в корпорации «ВСМПО-Ависма» применяют режим управления позицией и скоростью с использованием интерфейса CAN и пропорционального аналогового управления, а в компании «ДИП» уже нашли применение три режима – управление позицией, скоростью и моментом также с использованием промышленного интерфейса CAN.

В тренажере компании «Логос» применяются режимы управления скоростью и моментом (с использованием замкнутого контура скорости с оперативным изменением скорости и момента), а инженеры компании «Рубин» остановились на режиме управления скоростью с контролем перемещения. Причем, если в первом случае с самого начала предпочтение было отдано интерфейсу CAN, то в компании «Рубин» для задания управляющего воздействия первоначально предполагалось использовать ЦАП для управления через аналоговый вход с ПК.

Интеллектуальная составляющая привода.

Отличительной особенностью современных сервоприводов, придающей им повышенную гибкость, является наличие ПЛК, представляющего собой интерпретатор программ пользователя. С помощью встроенного ПЛК можно реализовать взаимодействие с внешним оборудованием посредством использования портов ввода/вывода и осуществлять обмен сообщениями между приводами по цифровым шинам, таким как CAN. Это позволяет разрабатывать распределенные системы, а в ряде случаев – обходиться без внешних контроллеров верхнего уровня.

Особенностью ПЛК является наличие массива данных (размером 1500 слов), которые хранятся в энергонезависимой памяти процессора самого привода. Данный массив доступен программам пользователя на чтение и на запись и может использоваться произвольным образом, например, для хранения позиций обхода, которые привод должен отработать последовательно. Вкупе с возможностью синхронизации между приводами это позволяет выполнять позиционные задачи (операции сверления, работа портальных систем и перекладчиков) полностью автономно, без использования внешнего контроллера.

Большинство пользователей СПШ10 считают наличие ПЛК очень удобным и легко осваиваемым и используют его в процессе эксплуатации в той или иной степени.

Программирование СПШ

Одним из важнейших аспектов системной интеграции является возможность и эффективность выполнения настройки и мониторинга эксплуатируемой системы. Для решения этой непростой задачи вместе с приводом СПШ10 заказчику передается и дополнительное ПО «Мотомастер» (рис. 3), с помощью которого пользователь может выбрать и настроить требуемые режимы работы сервопривода, а также провести анализ качества настройки. Поставляемое компанией «Сервотехника» ПО позволяет анализировать до трех параметров в режиме РВ с разрешением до 25 мкс. При этом также существует возможность одновременного съема информации с нескольких приводов, что позволяет пользователю анализировать поведение всей системы в целом.

С помощью указанного ПО любой пользователь может легко разработать и записать в ПЛК до восьми программ, а для упрощения процесса разработки и отладки программы в ПО «Мотомастер» предусмотрен режим пошагового выполнения программы. Все программы ПЛК хранятся в энергонезависимой памяти, и сервопривод может автоматически переходить в режим отработки заданной программы при включении питания.

В состав сервопривода СПШ10 также включен программный осциллограф, позволяющий пользователю анализировать динамические параметры привода в процессе выполнения рабочих циклов. Такой осциллограф состоит из двух частей: одна входит в состав самого привода и выполняет захват и накопление данных (может также подавать на привод тестовые воздействия), а другая расположена на ПК и выполняет прием и графическое отображение параметров.

Большинство пользователей сервоприводов СПШ10 использовали осциллограф в процессе первоначальной отладки и оценки нового оборудования, например в компании «Рубин». А в ОАО «НТЦ «Завод «Ленинец» осциллограф используют в обязательном порядке, оценивая его работу как очень удобную и эффективную. Хотя, конечно, вследствие особенностей определенных задач, потребность в нем присутствует не везде.

Надежность и основные преимущества.

Все приводы семейства СПШ в обязательном порядке проходят в «Сервотехнике»
автоматический цикл тестирования, основной задачей которого является проверка всех функциональных блоков СПШ и выявление скрытых дефектов его сборки и монтажа используемых электронных компонентов (рис. 4).

Общий комплекс тестирования СПШ разбит на три этапа:

проверка функциональных блоков привода – датчиков позиции, токов, напряжения, температуры, защиты от короткого замыкания, а также всех интерфейсов и обмоток двигателя;
виброиспытания, в ходе которых партию тестируемых сервоприводов устанавливают на вибростенд, после чего отрабатывается тестовая программа движения: в течение 3 ч приводы одновременно подвергаются вибрациям на частотах 0…70 Гц с ускорением до 1,2 g;
повторная проверка всех функциональных блоков сервопривода.
Причем после завершения работ по исправлению всех выявленных дефектов сервоприводы проходят полный повторный цикл испытаний.

Основными преимуществами сервоприводов семейства СПШ являются:

• наличие бесшагового (векторного) управления, построенного на базе алгоритма, адаптированного для шаговых двигателей;
• возможность достижения высоких динамических показателей за счет применения замкнутого контура регулирования тока;
• использование замкнутого контура скорости;
• малый уровень вибрации, обеспечиваемый за счет динамически регулируемого усилия;
• простая и хорошо продуманная конструкция изделия, обладающего компактным дизайном, небольшой массой и неотличающегося сложным монтажом (архитектура привода
• выполнена таким образом, что по запросу заказчика производитель может легко менять интерфейсы, предлагая многовариантные проекты, а также добавлять различные программные модули по заказу).

Наряду с этим новый сервопривод обладает рядом особенностей, которые существенно увеличивают его привлекательность:

• наличие режимов управления угловой позицией, скоростью и моментом;
• возможность применения режима плавного разгона (торможения) с исключением двух диапазонов резонансных частот;
• обеспечение точности позиционирования от 6 угловых минут до 8 угловых секунд;
• наличие встроенной защиты от короткого замыкания, перегрева, повышенного или пониженного напряжения;
• возможность использования специального режима, позволяющего синхронизировать работу большой (до 128 единиц) группы приводов, для чего используется промышленная шина CAN.
  

Статья опубликована в журнале «Автоматизация в промышленности», №1/2009, с. 18-21.

Руководитель отдела R&D ЗАО «Сервотехника»
к.т.н. Тихонов А.О.
www.servotechnica.ru

Смотреть полную информацию о сервоприводе СПШ / Перейти в раздел документация