3 Häufige Probleme mit Servomotoren: Fehlersuche

Servosysteme sind ein integraler Bestandteil elektromechanischer Produkte und bieten ein Höchstmaß an Dynamik und Drehmomentdichte.

Daher geht der Trend bei der Entwicklung von Antriebssystemen dahin, herkömmliche Hydraulik-, Gleichstrom-, Schrittmotor- und Wechselstromantriebe mit variabler Geschwindigkeit durch AC-Servoantriebe zu ersetzen.

Diese Umstellung zielt darauf ab, die Systemleistung auf ein neues Niveau zu heben, einschließlich kürzerer Zyklen, höherer Produktivität, verbesserter Zuverlässigkeit und längerer Lebensdauer.

Um die Leistung von Servomotoren zu maximieren, ist es wichtig, einige ihrer einzigartigen Gebrauchseigenschaften zu verstehen.

Problem 1: Lärm, Instabilität

Beim Einsatz von Servomotoren in bestimmten Maschinen stoßen die Kunden häufig auf übermäßigen Lärm und instabilen Betrieb. Wenn diese Probleme auftreten, ist die erste Reaktion vieler Anwender, die Qualität des Servomotors in Frage zu stellen.

Denn wenn sie zum Antrieb der Last auf Schrittmotoren oder Motoren mit variabler Frequenz umsteigen, nehmen Lärm und Instabilität oft deutlich ab.

Auf den ersten Blick scheint es sich tatsächlich um ein Problem mit dem Servomotor zu handeln.

Eine sorgfältige Analyse des Funktionsprinzips des Servomotors zeigt jedoch, dass diese Schlussfolgerung völlig unzutreffend ist.

Das AC-Servosystem besteht aus einem Servoantrieb, einem Servomotor und einem Rückführungssensor (in der Regel ist der Servomotor mit einem optischen Encoder ausgestattet).

Alle diese Komponenten arbeiten innerhalb eines geschlossenen Regelkreises: Der Antrieb erhält Parameterinformationen von außen und liefert dann einen bestimmten Strom an den Motor, der diesen in ein Drehmoment zum Antrieb der Last umwandelt.

Die Last führt Aktionen aus oder beschleunigt/verlangsamt sich aufgrund ihrer Eigenschaften.

Der Sensor misst die Position der Last und ermöglicht es dem Antriebsgerät, den eingestellten Informationswert mit dem tatsächlichen Positionswert zu vergleichen. Es passt dann den Motorstrom so an, dass der tatsächliche Positionswert mit dem eingestellten Informationswert übereinstimmt.

Wenn eine plötzliche Laständerung eine Geschwindigkeitsänderung verursacht, gibt der Encoder diese Geschwindigkeitsänderung sofort an den Servoantrieb weiter.

Der Umrichter ändert dann den Strom, der dem Servomotor zugeführt wird, um die Laständerung auszugleichen und zur voreingestellten Geschwindigkeit zurückzukehren.

Das AC-Servosystem ist ein sehr reaktionsschnelles System mit geschlossenem Regelkreis, bei dem die Reaktionszeit zwischen Lastschwankung und Drehzahlkorrektur sehr schnell ist. An diesem Punkt wird die Reaktion des Systems vor allem durch die Übertragungszeit der mechanischen Verbindungsvorrichtung eingeschränkt.

Ein einfaches Beispiel: Man stelle sich eine Maschine vor, die einen Servomotor verwendet, um eine Last mit konstanter Geschwindigkeit und hohem Trägheitsmoment über einen Keilriemen anzutreiben. Das gesamte System muss eine konstante Geschwindigkeit und ein schnelles Ansprechverhalten aufweisen. Analysieren wir seinen Betriebsprozess.

Wenn der Umrichter Strom an den Motor liefert, erzeugt der Motor sofort ein Drehmoment. Aufgrund der Elastizität des Keilriemens beschleunigt die Last anfangs nicht so schnell wie der Motor.

Der Servomotor erreicht die Solldrehzahl früher als die Last. In diesem Moment schwächt der am Motor angebrachte Encoder den Strom ab, wodurch sich das Drehmoment verringert. Da die Spannung des Keilriemens kontinuierlich zunimmt, verlangsamt sich die Drehzahl des Motors.

Dann erhöht der Fahrer den Strom erneut, und dieser Zyklus wiederholt sich. Offizielles Konto: SolidWorks Nicht standardisierte mechanische Konstruktion.

In diesem Fall schwingt das System, das Motordrehmoment schwankt, und die Lastgeschwindigkeit schwankt entsprechend.

Die daraus resultierenden Geräusche, der Verschleiß und die Instabilität sind unvermeidlich. Diese werden jedoch nicht durch den Servomotor verursacht. Derartige Geräusche und Instabilitäten stammen von der mechanischen Übertragungsvorrichtung und sind auf ein Missverhältnis zwischen der hohen Reaktionsgeschwindigkeit des Servosystems und der längeren mechanischen Übertragung oder Reaktionszeit zurückzuführen.

Das heißt, die Reaktion des Servomotors ist schneller als die Zeit, die das System zur Anpassung an das neue Drehmoment benötigt.

Wenn man die Ursache des Problems erkannt hat, ist es viel einfacher, es zu lösen. Bezogen auf das vorherige Beispiel könnten Sie:

(1) Erhöhen Sie die mechanische Steifigkeit und verringern Sie die Trägheit des Systems, um so die Reaktionszeit der mechanischen Übertragungsteile zu verkürzen. Ersetzen Sie z. B. Keilriemen durch direkte Spindelantriebe oder verwenden Sie Getriebe anstelle von Keilriemen.

(2) Verlangsamen Sie die Reaktionsgeschwindigkeit des Servosystems und verringern Sie die Regelbandbreite des Servosystems, indem Sie beispielsweise den Verstärkungswert des Servosystems verringern.

Natürlich sind dies nur einige Gründe für Lärm und Instabilität. Für die verschiedenen Ursachen gibt es unterschiedliche Lösungen. So können beispielsweise Geräusche, die durch mechanische Resonanz verursacht werden, durch die Implementierung von Resonanzunterdrückung oder Tiefpassfilterung im Servosystem behoben werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ursachen für Geräusche und Instabilität im Allgemeinen nicht auf den Servomotor selbst zurückzuführen sind.

Ausgabe 2: Trägheitsanpassung

Bei der Auswahl und Abstimmung von Servosystemen tritt häufig das Problem der Trägheit auf. Konkret äußert sie sich wie folgt:

1. Bei der Auswahl eines Servosystems müssen wir neben Faktoren wie Drehmoment und Nenndrehzahl des Motors zunächst die auf die Motorwelle umgerechnete Trägheit des mechanischen Systems berechnen.

Dann wählen wir einen Motor mit einem angemessenen Trägheitsmoment aus, basierend auf den tatsächlichen Anforderungen der Maschine und den Qualitätsanforderungen des Werkstücks.

2. Bei der Abstimmung (im manuellen Modus) ist die korrekte Einstellung des Parameters Trägheitsverhältnis eine Voraussetzung für die Maximierung der Leistung der Maschine und des Servosystems.

Dieser Punkt ist besonders wichtig bei Systemen, die eine hohe Geschwindigkeit und eine hohe Präzision erfordern (der Parameter Delta-Servoträgheitsverhältnis ist 1-37, JL/JM). Es stellt sich also das Problem der Trägheitsanpassung! Was genau ist also "Trägheitsanpassung"?

1. Nach dem zweiten Newton'schen Gesetz ist das für das Vorschubsystem erforderliche Drehmoment T gleich dem Trägheitsmoment J des Systems, multipliziert mit der Winkelbeschleunigung θ. Die Winkelbeschleunigung θ wirkt sich auf die dynamischen Eigenschaften des Systems aus. Je kleiner θ ist, desto länger ist die Zeit zwischen dem Befehl des Reglers und der Ausführung des Systems, was zu einer langsameren Reaktion des Systems führt. Wenn θ schwankt, variiert die Systemreaktion in der Geschwindigkeit, was die Bearbeitungsgenauigkeit beeinträchtigt. Da die maximale Ausgangsleistung T konstant bleibt, sobald der Motor ausgewählt ist, sollte J so klein wie möglich sein, wenn wir minimale Änderungen von θ wünschen.

2. Das Gesamtträgheitsmoment der Vorschubwelle J ist gleich dem Rotationsträgheitsmoment des Servomotors JM plus dem von der Motorwelle umgesetzten Lastträgheitsmoment JL. Die Lastträgheit JL besteht aus der Trägheit der linearen und rotierenden Komponenten wie dem Arbeitstisch (bei Werkzeugmaschinen), den darauf befindlichen Vorrichtungen und Werkstücken, der Spindel, der Kupplung usw., die alle in die Trägheit der Motorwelle umgewandelt werden. JM stellt die Trägheit des Rotors des Servomotors dar, die konstant ist, sobald der Servomotor ausgewählt wurde, während JL mit der Veränderung der Last, z. B. des Werkstücks, schwankt. Wenn die Änderungsrate von J kleiner sein soll, ist es am besten, den Anteil von JL zu minimieren. Dies wird gemeinhin als "Trägheitsanpassung" bezeichnet.

Da wir nun wissen, was ein Trägheitsabgleich ist, welche spezifischen Auswirkungen hat er und wie wird er bestimmt?

Auswirkungen:

Die Trägheit des Antriebs wirkt sich auf die Genauigkeit, Stabilität und das dynamische Verhalten des Servosystems aus. Ein größeres Trägheitsmoment führt zu einer größeren mechanischen Konstante des Systems, einer langsameren Reaktion und einem reduzierten System Eigenfrequenzwas zu Resonanz führen kann.

Dies schränkt die Servobandbreite ein und wirkt sich auf die Genauigkeit und Reaktionsgeschwindigkeit des Servos aus.

Eine angemessene Erhöhung der Trägheit ist nur dann von Vorteil, wenn das Kriechen bei niedriger Geschwindigkeit verbessert werden soll. Daher sollte bei der mechanischen Konstruktion darauf geachtet werden, die Trägheit zu minimieren, ohne die Steifigkeit des Systems zu beeinträchtigen.

Bestimmung:

Bei der Bewertung der dynamischen Eigenschaften eines mechanischen Systems gilt: Je kleiner die Trägheit, desto besser die dynamische Reaktion des Systems. Umgekehrt führt ein größeres Trägheitsmoment zu einer größeren Motorlast, was die Steuerung erschwert.

Allerdings muss die Trägheit des mechanischen Systems mit dem Motorträgheit. Verschiedene Mechanismen haben unterschiedliche Auswahlmöglichkeiten für Trägheitsausgleichsprinzipien, die jeweils einzigartige Funktionsanzeigen haben.

Zum Beispiel beim Hochgeschwindigkeitsschneiden mit ein CNC Bearbeitungszentrum durch einen Servomotor, wenn die Trägheit der Last zunimmt, geschieht Folgendes:

(1) Wenn sich die Steuerbefehle ändern, benötigt der Motor eine beträchtliche Zeit, um die Drehzahlanforderungen des neuen Befehls zu erreichen;

(2) Erhebliche Fehler können auftreten, wenn die Maschine in zwei Achsen arbeitet, um einen schnellen Bogenschnitt auszuführen:

   i. Unter normalen Umständen mit typischen Servomotoren, wenn JL kleiner oder gleich JM ist, werden die oben genannten Probleme nicht auftreten.

   ii. Wenn JL gleich 3 mal JM ist, verringert sich die Steuerbarkeit des Motors geringfügig, aber das hat keinen Einfluss auf die Routine Zerspanung. (Für das Schneiden von Hochgeschwindigkeitskurven wird allgemein empfohlen, dass JL kleiner oder gleich JM ist).

   iii. Wenn JL das 3-fache von JM oder mehr beträgt, nimmt die Steuerbarkeit des Motors deutlich ab, was sich besonders beim Schneiden von Hochgeschwindigkeitskurven bemerkbar macht.

Unterschiedliche mechanische Einwirkungen und Qualitätsanforderungen bei der Bearbeitung erfordern unterschiedliche Beziehungen zwischen JL und JM.

Die Bestimmung der Trägheitsanpassung muss auf der Grundlage der technologischen Merkmale der Maschine und der Qualitätsanforderungen des Bearbeitungsprozesses erfolgen.

Ausgabe 3: Auswahl des Servomotors

Nach der Fertigstellung des mechanischen Übertragungsschemas müssen das Modell und die Größe des Servomotors ausgewählt und bestätigt werden.

(1) Kriterien für die Auswahl

Im Allgemeinen sollten bei der Auswahl eines Servomotors die folgenden Bedingungen erfüllt sein:

• Die maximale Drehzahl des Motors ist größer als die höchste erforderliche Bewegungsgeschwindigkeit des Systems;
• Das Rotorträgheitsmoment des Motors entspricht dem Lastträgheitsmoment;
• Das Arbeitsdrehmoment bei Dauerlast ist ≤ das Nenndrehmoment des Motors;
• Das maximale Ausgangsdrehmoment des Motors ist größer als das maximal erforderliche Drehmoment des Systems (Beschleunigungsmoment).

(2) Berechnungen zur Auswahl

• Berechnung des Trägheitsmoments (JL/JM);
• Berechnung der Drehzahlen (Lastendrehzahl, Motordrehzahl);
• Berechnung des Lastmoments (Dauerlast-Arbeitsmoment, Beschleunigungsmoment).