Сервоприводы SEW-EURODRIVE. Основные понятия и компоненты.

А. Г. Доррер, ведущий инженер ЗАО "СЕВ-ЕВРОДРАЙФ"
А.М. Суслов, инженер ЗАО "СЕВ-ЕВРОДРАЙФ"

1. Введение
Эта статья продолжает цикл публикаций о продукции фирмы SEW-EURODRIVE (СЕВ-ЕВРОДРАЙФ).
В предыдущих номерах были представлены материалы о мотор-редукторах с асинхронными двигателями, тормозных системах и преобразователях частоты различных серий.
Объем одной статьи позволяет описать только основные определения сервопривода и дать обзор его компонентов. Следующая статья будет посвящена особенностям расчета сервопривода при проектировании и выбору компонентов.
Фирма SEW-EURODRIVE за свою 75-летнюю историю прошла большой путь развития. Из семейного предприятия по производству электродвигателей она превратилась в одну из лидирующих мировых корпораций в области электроприводной техники. Штаб-квартира фирмы, научно-исследовательский центр, конструкторские бюро и производство электроники расположены на юге Германии, в городе Брухзале. Заводы по выпуску комплектующих для электромеханических приводов находятся в ФРГ, Франции, США и Бразилии. Сборка приводов из готовых компонентов ведется на 58 предприятих по всему миру, в том числе и в России.
Богатый ассортимент продукции, высокое качество, короткие сроки поставки и сервис по всему миру делают SEW-EURODRIVE идеальным партнёром для предприятий, применяющих приводные системы различного назначения.
Важную часть в производственной программе SEW-EURODRIVE занимают сервоприводы. Фирма разрабатывает и производит синхронные и асинхронные серводвигатели, линейные двигатели, низколюфтовые редукторы для сервоприводов. Следует отметить такие компоненты, как компактные и экономичные мотор-редукторы, состоящие из серводвигателей и редукторов стандартного исполнения.
SEW-EURODRIVE поставляет как отдельные компоненты, так и комплектные сервоприводы с полным набором дополнительного оборудования и аксессуаров.

2. Определение сервопривода, Области применения

Сервопривод - это система привода, которая в широком диапазоне регулирования скорости обеспечивает динамичные, высокоточные процессы движения и реализует их хорошую повторяемость. Сервоприводы являются наиболее высокотехнологичной областью электропривода.
Слово "серво" произошло от латинского слова "servus", что переводится как слуга, раб, помощник. В машиностроительных отраслях сервоприводы традиционно выполняли преимущественно вспомогательную роль (приводы подач в станках, приводы роботов и т.п.).
В последние десятилетия ситуация изменилась. Технический прогресс и конкуренция ведут к постоянному росту производительности и повышению качества технологических процессов. Ускоряющиеся темпы производства, увеличение числа циклов обработки за единицу времени повышают требования к динамике привода. Высокая точность воспроизведения процессов движения определяет качество выпускаемой продукции и дает возможность освоения новых технологий производства.

Рис. 1 Пример применения сервоприводов SEW-EURODRIVE в упаковочном оборудовании

Сервоприводы в настоящее время применяются в высокопроизводительном оборудовании следующих отраслей: производство напитков, упаковки, стройматериалов; подъемно-транспортная техника; полиграфия. Наблюдается тенденция к увеличению доли сервоприводов в деревообработке и пищевой промышленности.
В современном производстве к сервоприводу предъявляются высокие требования по следующим параметрам:
- точность позиционирования;
- диапазон регулирования;
- неравномерность частоты вращения;
- перегрузочная способность;
- высокая динамика.
Принципиально перечисленных выше качеств можно добиться с использованием: двигателей постоянного тока, синхронных двигателей с возбуждением от постоянных магнитов и асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.
Долгое время в управляемых приводах применялись в основном двигатели постоянного тока. Это было связано с простотой реализации закона управления по напряжению якоря. В качестве управляющих устройств использовались магнитные и электромашинные усилители, тиристорные и транзисторные регуляторы. В качестве систем обратной связи по скорости применялись в основном аналоговые тахогенераторы.
Прогресс в электронике и появление новых электротехнических материалов изменили ситуацию в области сервопривода. Последние достижения позволяют компенсировать сложность управления приводом переменного тока путем использования современных микроконтроллеров и быстродействующих высоковольтных силовых транзисторов. Мощные постоянные магниты, изготовленные из сплавов неодим-железо-бора и самарий-кобальта благодаря их высокой энергоемкости, существенно улучшили характеристики синхронного двигателя с магнитами на роторе при одновременном снижении массогабаритных показателей. В итоге улучшились динамические характеристики привода при снижении его габаритов. Тенденция перехода к синхронным двигателям переменного тока особенно очевидна в сервосистемах, которые традиционно выполнялись с использованием электроприводов постоянного тока.
Асинхронный электродвигатель - самый массовый в промышленности благодаря простой и надежной конструкции при невысокой цене. Однако этот тип двигателя является очень сложным объектом управления с точки зрения регулирования момента и частоты вращения. В современной приводной технике применяются высокопроизводительные микроконтроллеры, реализующие векторный алгоритм управления с расчетом математической модели двигателя, и цифровые датчики скорости с высоким разрешением. Это позволило получить диапазон регулирования скорости, точностные характеристики и перегрузочную способность асинхронного привода не хуже, чем у синхронного сервопривода.
По динамическим характеристикам асинхронный привод проигрывает синхронному серводвигателю с постоянными магнитами из-за относительно большого момента инерции ротора. Поэтому основным критерием выбора типа сервопривода является требуемая динамика проектируемого механизма.
С точки зрения стоимости асинхронный сервопривод имеет неоспоримое превосходство при больших мощностях. Стоимость синхронных серводвигателей с редкоземельными магнитами существенно возрастает при крутящих моментах более 20 ... 30 Нм.

Компоненты сервопривода, которые поставляет SEW-EURODRIVE:
Асинхронные и синхронные серводвигатели с различным типами датчиков и дополнительным оснащением (тормоз, принудительный обдув, термодатчик и т.д.);
Преобразователи частоты MOVIDRIVE со встроенной системой управления позиционированием и циклом работы IPOSplus (Integrated POsitioning System) и поддержкой промышленных шин ProfiBus, InterBus, DeviceNet, CANOpen, Ethernet/ModBus;
Дополнительное оборудование для преобразователей: тормозные резисторы, дроссели, фильтры, кабели и т.д.;
Операторские панели для управления и визуализации технологического процесса;
Программное обеспечение для настройки и диагностики привода, с возможностью использования технологических модулей: "Позиционирование", "Летучая пила", "Электронный кулачок", "Намотчик - размотчик", "Поворотный стол" (http://www.sew-eurodrive.ru/pubs.php?id=88);
Редукторы: стандартные соосные, плоские, конические и червячные (http://www.sew-eurodrive.ru/pubs.php?id=94), специальные низколюфтовые (планетарные и конические).

2.1 Синхронные серводвигатели

Синхронные серводвигатели - это трехфазные синхронные электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов и датчиком положения ротора (Рис.2). Их основным достоинством является очень низкий момент инерции ротора относительно крутящего момента. Это позволяет реализовать очень высокое быстродействие. Достижимо время разгона на номинальную частоту вращения за десятки миллисекунд и реверс с полной скорости в пределах одного оборота вала двигателя. Основной областью применения этих двигателей являются приводы подач станков и технологические установки со временем цикла менее 1 секунды (например, производство упаковки, быстродействующие позиционные системы автоматических складов)

1 - Передний подшипник 6 - Неподвижная часть резольвера (статор)
2 - Ротор с постоянными магнитами 7 - Задний подшипниковый щит
3 - Задний подшипник 8 - Статор с трехфазной обмоткой
4 - Подвижная часть резольвера (ротор) 9 - Передний подшипниковый щит с фланцем
5 - Задняя крышка

Рис. 2 Устройство синхронного серводвигателя

Основные характеристики синхронных серводвигателей SEW-EURODRIVE серий DS и СМ:
Пусковой момент от 1 до 68 Нм, с вентилятором принудительного охлаждения - до 95 Нм;
Высокая динамика (соотношение: номинальный момент / момент инерции ротора двигателя);
Перегрузочная способность до 3,6 раз относительно номинального пускового момента;
Высокая степень защиты (IP65);
Встроенные в обмотку статора терморезисторы контролируют нагрев двигателя и исключают его выход из строя от любого вида перегрузки;
Стандартное исполнение с простым и надежным датчиком (резольвером) позволяет решать задачи регулирования крутящего момента, скорости, и позиционирования для систем средней точности;
Опционный инкрементный датчик 1024 имп./об с синусно-косинусным сигналом обеспечивает диапазон регулирования скорости до 1:5000;
Возможна установка многооборотного датчика абсолютного отсчета с интерфейсом SSI или HIPERFACE
Любой серводвигатель SEW-EURODRIVE может быть оборудован нормально наложенным стояночным тормозом. Это является необходимым условием для безопасного применения в подъемных механизмах;
Не требуется принудительный обдув в продолжительном режиме при низкой частоте вращения и при останове;
Регулирование на высокой частоте вращения до 6000 об/мин без снижения момента обеспечивает высокую мощность при минимальном размере двигателя;
Постоянные магниты из сплава Неодим-Железо-Бор (NeFeB) с высокой плотностью магнитного потока обеспечивают отличные удельные показатели на единицу массы двигателя.
Синхронные серводвигатели могут применяться в мотор-редукторах как с низколюфтовыми, так и со стандартными редукторами SEW-EURODRIVE.

Рис.3 Синхронные серводвигатели серий DS, СМ

Табл. 1 Параметры синхронных серводвигателей SEW-EURODRIVE

2.2 Асинхронные серводвигатели

Специально для работы в составе сервоприводов компания SEW-EURODRIVE разработала асинхронные серводвигатели серий CT и CV. Асинхронные серводвигатели позволяют получать большие крутящие моменты по сравнению с синхронными серводвигателями. Они также более приспособлены для работы с нагрузками, обладающими высоким моментом инерции. Эти двигатели имеют следующие отличительные особенности:
Высокие базовая частота вращения и КПД
Благодаря оптимальной конструкции обмотки номинальная (базовая) частота вращения двигателей CT/CV при схеме включения "звезда" лежит в диапазоне 1200 ... 1700 об/мин, а при схеме включения "треугольник" в диапазоне 2100 ... 3000 об/мин. Это дает высокий коэффициент полезного действия двигателей. Зачастую можно использовать асинхронный серводвигатель на типоразмер меньше по сравнению с двигателем стандартного исполнения.
Высокие динамические моменты
Двигатели CT/CV в динамическом режиме работы способны создавать вращающий момент, более чем в три раза превышающий номинальный момент двигателя. В связи с этим данные двигатели имеют усиленные подшипники и валы для шестерен при монтаже на мотор-редуктор, чтобы надежно передавать моменты большой величины.
Стандартная комплектация с sin/cos энкодером и тепловой защитой.
В стандартную комплектацию двигателей CT/CV входит инкрементный датчик 1024 имп./об с синусно-косинусным сигналом. Совместно с приводными преобразователями серии MOVIDRIVE он позволяет реализовать режимы регулирования момента, скорости или позиционирования с высокими точностными характеристиками.
Температура всех трех фаз двигателя контролируется с помощью термисторов, что исключают его выход из строя от любого вида перегрузки
Дополнительно комплектация.
По заказу асинхронные серводвигатели SEW-EURODRIVE оборудуются тормозом, датчиком абсолютного отсчета и вентилятором принудительного охлаждения. Использование принудительного охлаждения позволяет в длительном режиме получать номинальный момент при снижении частоты вращения вплоть до нулевой.

Рис.4 Мотор-редуктор с асинхронным серводвигателем и стандартным коническим редуктором

Табл. 2 Параметры асинхронных серводвигателей SEW-EURODRIVE

2.3 Редукторы SEW-EURODRIVE для сервопрводов

Специальные серии (PSF, ВSF)
SEW-EURODRIVE производит редукторы для сервоприводов в восьми типоразмерах для номинальных моментов от 25 до 3 000 Нм (Рис. 5).
Редукторы BSF - это двухступенчатые коническо-цилиндрические редукторы для применения в сфере сервотехники. Корпус - монолитной конструкции, с крепежным фланцем B5 на выходе (стандартная комплектация). В качестве опции конические редукторы BSF могут иметь крепежные отверстия с нижней или передней стороны корпуса. Для этих редукторов предусмотрены четыре варианта исполнения выходного вала: полый или цилиндрический вал, цилиндрический вал со шпонкой и фланцевый вал.
Планетарные редукторы PSF.. - это одно- или двухступенчатые планетарные редукторы. Они тоже широко применяются в сфере сервотехники. Корпус оснащен крепежным фланцем B5 на выходе (стандартная комплектация). Для этих редукторов предусмотрены варианты исполнения выходного вала: гладкий цилиндрический, цилиндрический вал со шпонкой или фланцевый вал.

Рис.5 Мотор-редукторы и редукторы для сервоприводов серий BSF, PSВF, PSF

Необходимо отметить следующие преимущества данных серий редукторов:
Малый угловой люфт и высокая точность позиционирования
В позиционных и следящих системах малый люфт редуктора позволяет отказаться от датчика положения на выходном механическом звене и использовать только датчик на двигателе.
Оптимальная геометрия зацепления, точность изготовления деталей и специальная технология сборки гарантируют малые угловые люфты редукторов SEW-EURODRIVE. Конические редукторы BSF и планетарные редукторы PSF уже в стандартном исполнении обеспечивают низкий угловой люфт (от 4 до 10 угловых минут в зависимости от типа и передаточного числа). Для редукторов обоих типов предусмотрены (в качестве опции) варианты исполнения с пониженным люфтом от 2 до 6 угловых минут. За счет отсутствия износа в процессе эксплуатации и высокой усталостной прочности зубьев угловой люфт этих редукторов не увеличивается на протяжении всего срока службы.
Широкий диапазон передаточных чисел с частой градацией
Все передаточные числа от i=3 до i=100 являются целыми и распределены с малыми интервалами. Поэтому параметры таких редукторов легко учитываются управляющим устройством верхнего уровня без ошибок округления.
Надежность, долговечность и простота обслуживания
Высокая надежность редукторов SEW-EURODRIVE обеспечивается за счет использования высокопрочных материалов, высококачественных подшипников качения, долговечных манжет и синтетических смазочных материалов.
Высокая перегрузочная способность и крутильная жесткость
Точный расчет, а также жесткое и безлюфтовое соединение передающих элементов гарантируют передачу пикового максимального вращающего момента, который более чем вдвое превышает номинальный. Жесткость на скручивание обеспечивает повторяемость траектории механизма независимо от параметров движения. Особая конструкция редукторов SEW-EURODRIVE для сервоприводов в сочетании с большими диаметрами валов обеспечивают очень высокую жесткость на скручивание. Данные по торсионной жесткости и допустимым поперечным нагрузкам приведены в каталогах продукции.
Компактность и легкость
Высокая удельная мощность достигается благодаря размещению зубчатых пар в компактном, монолитном и очень прочном чугунном корпусе минимальных габаритов.

Стандартные редукторы в исполнении с пониженным люфтом
Для задач сервоприводов, где не требуется особая компактность и высокая торсионная жесткость, можно применять редукторы SEW-EURODRIVE стандартных серий: соосные цилиндрические, плоские цилиндрические, конические и червячные. Как асинхронные, так и синхронные серводвигатели монтируются на редуктор без промежуточной муфты. Это расширяет число возможных комбинаций приводов для сервосистем и позволяет оптимизировать стоимость установки.
Фирма предлагает исполнение стандартных типов редукторов с пониженным люфтом. Благодаря специальной технологии сборки обеспечивается люфт от 6 до 14 угловых минут в зависимости от типоразмера и передаточного числа редуктора.

2.4 Приводные преобразователи MOVIDRIVE

Эта серия предназначена для управления как асинхронными электродвигателями (стандартными или серво), так и для регулирования синхронных серводвигателей с обратной связью (Рис.6). Преобразователи обеспечивают режимы работы с регулированием скорости, положения или крутящего момента. MOVIDRIVE применяются для самых сложных задач электропривода, включая приводы подач.
Отличительные особенности этой серии преобразователей:
Номинальная мощность двигателя от 0,55 до 132 кВт
Питание: 3-фазная сеть 380 ... 500 В или 200 ... 240 В, 50 / 60 Гц
Векторное управление с датчиком обратной связи (до 350% номинального момента двигателя начиная с нулевой скорости)
Унифицированная аппаратная часть и набор параметров независимо от типа двигателя. Проектировщику и пользователю не требуется осваивать разные серии преобразователей для различных типов двигателей.
Работа с широким спектром датчиков: TTL, sin/cos, SSI, Hiperface, Резольвер.
Диапазон регулирования скорости до 1:5 000
Система управления позиционированием и циклом работы IPOSplus (Integrated POsitioning System) для создания программ по спецификации заказчика. Языки программирования Ассемблер и С
Функции угловой синхронизации и электронного кулачка.
Осциллографирование переходных процессов на компьютере из программы SCOPE MOVITOOLS
Аналоговый вход, 8 двоичных входов, 6 двоичных выходов на базовом блоке.
Расширения:
Аналоговые и двоичные входы и выходы;
Интерфейсы для работы с датчиками абсолютного отсчета;
Устройство синхронного управления;
Интерфейсы промышленных шин ProfiBus, InterBus, DeviceNet, CANOpen, Ethernet/ModBus.
Операторские панели для ввода технологических параметров и визуализации процесса.

Рис. 6 Приводные преобразователи серии MOVIDRIVE MDX61B

3. Выводы
Используя продукцию SEW-EURODRIVE, можно решить задачи создания сервоприводов любой сложности для всех отраслей промышленности.
Фирма поставляет полный набор компонентов сервопривода: двигатели, мотор-редукторы, преобразователи частоты, операторские панели, программное обеспечение, интерфейсы промышленных шин, кабели.
Большое число исполнений и оптимально согласованных компонентов позволяют выбрать наилучшее техническое решение при минимизации затрат.
Качество гарантируется одним из мировых лидеров в области привода и подтверждено безотказной работой во многих отраслях с тяжелыми условиями эксплуатации: в металлообработке, деревообработке, производстве строительных материалов.
Накопленный инженерный опыт реализован в виде готовых технических решений - технологических модулей для стандартных задач привода (http://www.sew-eurodrive.ru/pubs.php?id=88)
Можно создавать уникальные алгоритмы работы привода по спецификации заказчика, используя встроенную в преобразователь MOVIDRIVE систему управления позиционированием и циклом работы IPOSplus.
SEW-EURODRIVE обеспечивает техническую поддержку заказчика на всех этапах, начиная с проектирования: переведенная на русский язык проектная и эксплуатационная документация; обучение специалистов заказчика на курсах в Государственном Политехническом Университете ( http://www.sew-eurodrive.ru/pubs.php?id=96 )
Достоверность сроков поставки - наличие склада и оптимальные логистические решения.
Сервисное и гарантийное обслуживание в России и по всему миру.