История развития сервоприводов

Первоначально на рынке доминировали пневматические и гидравлические сервоприводы. Привод постоянного тока получил распространение лишь в 60-х годах, с развитием полупроводниковой техники. С точки зрения требований динамики развитие сервоприводов проходило в направлении создания двигателей постоянного тока с малым моментом инерции. В основу получения малого момента инерции ротора были положены два решения.

Первое предполагало реализацию якоря двигателя в виде тонкого плоского диска, не содержащего железо, второе - основывалось на получении цилиндрического немагнитного якоря. В обоих случаях в начале 70-х годов стали широко применять постоянные магниты из редкоземельных материалов, обеспечивающих повышенное значение индукции в воздушном зазоре и высокого крутящего момента.

В качестве силовых преобразователей первоначально использовались - аналоговые усилители с силовыми транзисторами и выходным напряжением приблизительно до 100 В. Позже появились тиристорные преобразователи, которые применялись до конца 70-х годов, когда им на смену пришли импульсные преобразователи постоянного тока на ключевых транзисторах. Это сопровождалось значительным повышением изначально низкого коэффициента полезного действия электронных источников питания. Напряжение, которое могло быть получено на выходе электронных источников питания ограничивалось приблизительно на уровне 200 В из-за низкого допустимого напряжения транзисторов и ограничения напряжения между коммутируемыми сегментами коллектора двигателя. Транзисторные преобразователи, как правило, подключали к сети через трансформатор. Это позволяло осуществить согласование выходного напряжения преобразователя с питающей сетью.

Управление контурами скорости и момента было аналоговым, со всеми вытекающими из этого проблемами помехоустойчивости (восприимчивости низковольтных сигналов к наводкам) в широком диапазоне регулирования скорости, характерном для сервоприводов. Для измерения действительной скорости в канале обратной связи применялись тахогенераторы постоянного тока.

Развитие преобразователей частоты, первоначально реализуемых на тиристорах, позднее на силовых транзисторах, привело к повышению использования асинхронных стандартных двигателей переменного тока для приводов с невысокими требованиями по точности управления.

Исследования бесщеточных двигателей, которые могут быть использованы в сервоприводах, были начаты с середины 70-х годов.

В противоположность обычной компоновки двигателя постоянного тока разработчики пришли к перспективному новому решению: якорь на статоре, поле возбуждения на роторе. Так появились бесщеточные двигатели постоянного тока, или двигатели с электронной коммутацией. Эти электрические машины принципиально представляют собой синхронные двигатели с постоянными магнитами, в которых положение ротора контролируется простым импульсным датчиком положения (энкодером), производящим импульсы по числу полюсов.

В дополнение к электронной бесконтактной коммутации и низкому износу, этот тип привода имеет следующие преимущества:

• пониженный момент инерции из-за отсутствия обмотки на роторе;
• простота охлаждения, так как отвод тепла от статора предпочтительнее, чем от ротора;
• повышенный КПД, так как нет потерь, связанных с обмоткой возбуждения.

Электронная коммутация секций обмотки статора производится каждые 60 электрических градусов и осуществляется датчиком положения ротора (ДПР). Как и коммутация с помощью коллектора в двигателях постоянного тока этот принцип коммутации также реализуется в виде устройства коммутации и имеет блочное исполнение. Для управления скоростью двигателя необходим дополнительный датчик скорости, например тахогенератор.

Параллельно с этим развивалось также и направление по применению в качестве сервопривода асинхронного двигателя переменного тока. Этот тип двигателя недорогой в производстве и имеет дополнительное преимущество с возможностью управления в диапазоне ослабления поля.

С другой стороны, с разработкой бесщеточных двигателей проводились теоретические исследования по так называемой синусной коммутации сервопривода. Принципиально двигатель с синусной коммутацией представляет собой СД с постоянными магнитами, со всеми преимуществами, указанными выше. Однако датчиком положения ротора в этом случае служит резольвер, выходными синусоидальными сигналами которого управляется ток статора машины.

Указанные выше все три типа бесконтактных приводов используются в настоящее время и обеспечивают почти полную замену приводов с коллекторными двигателями с начала 90-х годов. Решающим фактором этих успехов явился прогресс в области полупроводниковой техники.

Развитие высокой степени интеграции, высокоскоростных процессорных систем и модулей энергонезависимой памяти облегчило внедрение цифрового управления. Во всяком случае, функциональные задачи, встречающиеся более или менее часто в индивидуальных технических системах, не так сильно сказывались на цене. Внедрением индивидуального программного обеспечения удалось избежать увеличения количества аппаратных модулей.

Силовые модули в системах управления для всех трех типов бесконтактных приводов основаны на следующем: преобразователь частоты (инвертор), управляемый датчиком положения ротора двигателя, предпочтительнее, чем инвертор с независимым управлением, используемый для стандартных двигателей переменного тока. Функциональные различия состоят только в наличии замкнутой и разомкнутой обратной связи в системе управления. Развитие силовых транзисторов с начала 90-х годов сделало также возможным подключать силовые преобразователи сервоприводов непосредственно к сети без использования сетевого трансформатора.

Таким образом, пройдя несколько этапов эволюции, современный сервопривод представляется сложной системой показанной на рис. 2.1.

 Рис .2.1. Компоненты сервопривода: 1 - двигатель (с редуктором); 2 - датчик обратной связи; 3 - тормоз; 4 - сервоусилитель; 5 - внешняя управляющая система; 6 - сетевой кабель; 7 - кабель двигателя; 8 - кабель тормоза; 9 - кабель датчика обратной связи; 10 - кабель управления