Les servosystèmes font partie intégrante des produits électromécaniques et offrent le plus haut niveau de réponse dynamique et de densité de couple. C'est pourquoi la tendance dans le développement des systèmes d'entraînement est de remplacer les variateurs de vitesse hydrauliques, à courant continu, pas à pas et à courant alternatif traditionnels par des servomoteurs à courant alternatif. Cette transition vise à élever les performances du système à un nouveau niveau, notamment en réduisant [...]
Les systèmes asservis font partie intégrante des produits électromécaniques et offrent le plus haut niveau de réponse dynamique et de densité de couple.
Par conséquent, la tendance dans le développement des systèmes d'entraînement est de remplacer les variateurs de vitesse hydrauliques, à courant continu, pas à pas et à courant alternatif traditionnels par des servomoteurs à courant alternatif.
Cette transition vise à élever les performances des systèmes à un niveau supérieur, notamment en réduisant les cycles, en augmentant la productivité, en améliorant la fiabilité et en prolongeant la durée de vie.
Pour maximiser les performances des servomoteurs, il est essentiel de comprendre certaines de leurs caractéristiques d'utilisation uniques.
Les clients rencontrent souvent un bruit excessif et un fonctionnement instable lorsqu'ils utilisent des servomoteurs sur certaines machines. Lorsque ces problèmes surviennent, la première réaction de nombreux utilisateurs est de remettre en question la qualité du servomoteur.
En effet, lorsqu'ils optent pour des moteurs pas à pas ou des moteurs à fréquence variable pour entraîner la charge, le bruit et l'instabilité diminuent souvent de manière significative.
À première vue, il semble en effet qu'il s'agisse d'un problème avec le servomoteur.
Cependant, une analyse attentive du principe de fonctionnement du servomoteur révèle que cette conclusion est tout à fait erronée.
Le système d'asservissement à courant alternatif se compose d'un servomoteur, d'un moteur d'asservissement et d'un capteur de retour (en général, le moteur d'asservissement est équipé d'un encodeur optique).
Tous ces composants fonctionnent au sein d'un système de contrôle en boucle fermée : le variateur reçoit des informations sur les paramètres de l'extérieur, puis délivre un courant spécifique au moteur, qui le convertit en couple pour entraîner la charge.
La charge effectue des actions ou accélère/décélère en fonction de ses caractéristiques.
Le capteur mesure la position de la charge, ce qui permet au dispositif d'entraînement de comparer la valeur d'information définie avec la valeur de position réelle. Il ajuste ensuite le courant du moteur pour que la valeur de la position réelle reste cohérente avec la valeur de l'information réglée.
Lorsqu'une variation soudaine de la charge entraîne une variation de la vitesse, le codeur transmet immédiatement cette variation de vitesse au servomoteur.
Le variateur modifie alors le courant fourni au servomoteur pour tenir compte de la variation de charge et revenir à la vitesse préréglée.
Le système d'asservissement à courant alternatif est un système en boucle fermée très réactif, où le délai de réponse entre la fluctuation de la charge et la correction de la vitesse est très rapide. À ce stade, la principale limitation de la réponse du système est le temps de transmission du dispositif de connexion mécanique.
Prenons un exemple simple : une machine qui utilise un servomoteur pour entraîner une charge à vitesse constante et à forte inertie par l'intermédiaire d'une courroie trapézoïdale. L'ensemble du système doit maintenir une vitesse constante et des caractéristiques de réponse rapide. Analysons son processus de fonctionnement.
Lorsque le variateur alimente le moteur en courant, ce dernier génère immédiatement un couple. Dans un premier temps, en raison de l'élasticité de la courroie trapézoïdale, la charge n'accélère pas aussi rapidement que le moteur.
Le servomoteur atteint la vitesse de consigne plus tôt que la charge. Le codeur monté sur le moteur affaiblit alors le courant, ce qui réduit le couple. Comme la tension de la courroie trapézoïdale augmente continuellement, la vitesse du moteur ralentit.
Ensuite, le conducteur augmente à nouveau le courant, et ce cycle se répète. Compte officiel : SolidWorks Conception mécanique non standard.
Dans ce cas, le système oscille, le couple du moteur fluctue et la vitesse de la charge fluctue en conséquence.
Le bruit, l'usure et l'instabilité qui en résultent sont inévitables. Toutefois, ces phénomènes ne sont pas dus au servomoteur. Ces bruits et cette instabilité proviennent du dispositif de transmission mécanique et sont dus à une inadéquation entre la vitesse élevée de la réponse du système d'asservissement et le temps de transmission ou de réponse mécanique plus long.
Cela signifie que la réponse du servomoteur est plus rapide que le temps nécessaire au système pour s'adapter au nouveau couple.
Après avoir identifié la racine du problème, il devient beaucoup plus facile de le résoudre. En vous référant à l'exemple précédent, vous pourriez :
(1) Augmenter la rigidité mécanique et réduire l'inertie du système, diminuant ainsi le temps de réponse des pièces de transmission mécanique. Par exemple, remplacer les courroies trapézoïdales par des entraînements directs à vis, ou utiliser des réducteurs au lieu de courroies trapézoïdales.
(2) Ralentir la vitesse de réponse du système asservi et réduire la largeur de bande de contrôle du système asservi, par exemple en diminuant la valeur du gain du système asservi.
Bien entendu, il ne s'agit là que de quelques causes de bruit et d'instabilité. Il existe des solutions différentes pour des causes différentes. Par exemple, le bruit causé par la résonance mécanique peut être traité en mettant en œuvre la suppression de la résonance ou le filtrage passe-bas dans le système d'asservissement. En conclusion, les causes de bruit et d'instabilité ne sont généralement pas dues au servomoteur lui-même.
Lors de la sélection et de la mise au point des systèmes d'asservissement, la question de l'inertie se pose souvent. Plus précisément, elle se manifeste comme suit :
1. Lors du choix d'un système d'asservissement, outre les facteurs tels que le couple et la vitesse nominale du moteur, il faut d'abord calculer l'inertie du système mécanique converti en arbre moteur.
Nous choisissons ensuite un moteur avec une inertie appropriée, en fonction des exigences d'action réelles de la machine et des exigences de qualité de la pièce à usiner.
2. Lors de la mise au point (en mode manuel), le réglage correct du paramètre de rapport d'inertie est une condition préalable à l'optimisation des performances de la machine et du système d'asservissement.
Ce point est particulièrement important dans les systèmes qui requièrent une grande vitesse et une grande précision (le paramètre du rapport d'inertie du servo Delta est 1-37, JL/JM). C'est alors que se pose le problème de l'adaptation de l'inertie ! Qu'est-ce que la "compensation d'inertie" ?
1. Selon la deuxième loi de Newton, le couple requis pour le système d'alimentation, T, est égal au moment d'inertie du système, J, multiplié par l'accélération angulaire, θ. L'accélération angulaire θ a une incidence sur les caractéristiques dynamiques du système. Plus θ est petit, plus le temps entre la commande du contrôleur et l'exécution du système est long, ce qui se traduit par une réponse plus lente du système. Si θ fluctue, la réponse du système variera en vitesse, ce qui affectera la précision de l'usinage. Étant donné que la sortie maximale T reste constante une fois que le moteur est sélectionné, si nous voulons des changements minimaux de θ, J doit être aussi petit que possible.
2. L'inertie totale de l'arbre d'alimentation, J, est égale à l'inertie de rotation du servomoteur, JM, plus l'inertie de la charge convertie à partir de l'arbre du moteur, JL. L'inertie de charge JL comprend l'inertie des composants linéaires et rotatifs tels que la table de travail (dans le cas des machines-outils), les montages et les pièces qui s'y trouvent, la vis, l'accouplement, etc. JM représente l'inertie du rotor du servomoteur, qui est constante une fois le servomoteur sélectionné, tandis que JL fluctue en fonction des variations de la charge, telle que la pièce à usiner. Si l'on souhaite que le taux de variation de J soit plus faible, il est préférable de minimiser la proportion qu'occupe JL. C'est ce que l'on appelle communément "l'adaptation de l'inertie".
Maintenant que nous avons compris ce qu'est l'adaptation de l'inertie, quels sont ses effets spécifiques et comment est-elle déterminée ?
Impact :
L'inertie du variateur affecte la précision, la stabilité et la réponse dynamique du système asservi. Une inertie plus importante se traduit par une constante mécanique du système plus grande, une réponse plus lente et un système réduit. fréquence naturellece qui peut conduire à une résonance.
Cela limite la bande passante du servo et a un impact sur la précision et la vitesse de réponse du servo.
Une augmentation appropriée de l'inertie n'est avantageuse que pour améliorer la marche à basse vitesse. Par conséquent, lors de la conception mécanique, il convient de s'efforcer de minimiser l'inertie sans compromettre la rigidité du système.
Détermination :
Lors de l'évaluation des caractéristiques dynamiques d'un système mécanique, plus l'inertie est faible, meilleure est la réponse dynamique du système. Inversement, une inertie plus importante entraîne une plus grande charge sur le moteur, ce qui rend le contrôle plus difficile.
Cependant, l'inertie du système mécanique doit correspondre à l'inertie de l'appareil. inertie du moteur. Les différents mécanismes ont des sélections variées pour les principes d'adaptation de l'inertie, chacun avec des affichages fonctionnels uniques.
Par exemple, lors d'une coupe à grande vitesse avec a CNC centre d'usinage par l'intermédiaire d'un servomoteur, lorsque l'inertie de la charge augmente, il se produit ce qui suit :
(1) Lorsque les commandes changent, le moteur met beaucoup de temps à atteindre la vitesse requise par la nouvelle instruction ;
(2) Des erreurs importantes peuvent se produire lorsque la machine fonctionne sur deux axes pour effectuer une coupe rapide en arc de cercle :
i. Dans des circonstances normales avec des servomoteurs typiques, si JL est inférieur ou égal à JM, les problèmes ci-dessus ne se produiront pas.
ii. Si JL est égal à 3 fois JM, la contrôlabilité du moteur diminuera légèrement, mais cela n'aura pas d'incidence sur la routine. découpe des métaux. (Pour la découpe de courbes à grande vitesse, il est généralement recommandé que JL soit inférieur ou égal à JM).
iii. Lorsque JL est égal ou supérieur à 3 fois JM, la contrôlabilité du moteur diminue considérablement, ce qui est particulièrement visible lors de la découpe de courbes à grande vitesse.
Les différentes actions mécaniques et les exigences de qualité de l'usinage requièrent des relations différentes entre JL et JM.
La détermination de l'adaptation de l'inertie doit être basée sur les caractéristiques technologiques de la machine et les exigences de qualité du processus d'usinage.
Après avoir finalisé le schéma de transmission mécanique, il est nécessaire de sélectionner et de confirmer le modèle et la taille du servomoteur.
(1) Critères de sélection
En général, le choix d'un servomoteur doit répondre aux situations suivantes :
(2) Calculs de sélection
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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