Fizyka sterowania: zagłębianie się w architekturę serwonapędów AC

The Napęd serwo AC to wyrafjanowany element elektronjakja mocy, który stanowja trjaumf teorjaja sterowania zastosowanej w elektrotechnice. Aby zrozumieć jego możliwości w zakresie wysokiej wydajności, konieczne jest spojrzenie poza jego rolę funkcjonalną i zbadanie jej architekturę wewnętrzną —komponenty i procesy umożliwiające precyzyjny ruch.

Architektura wewnętrzna: trzy główne podsystemy

An Napęd serwo AC składa się zazwyczaj z trzech głównych etapów funkcjonalnych, które przekształcają przychodzącą moc prądu przemiennego w precyzyjnie kontrolowaną moc prądu przemiennego dla silnika, w oparciu o sygnały sprzężenia zwrotnego:

1. Stopień konwersji mocy (prostownik):

   • Przychodząca jednofazowa lub trójfazowa moc prądu przemiennego jest najpierw przekształcana na wysokie napięcie prądu stałego (prąd stały), które jest zwykle wygładzane za pomocą Zespół kondensatorów obwodu DC .

   • Energia zmagazynowana w tej szynie prądu stałego jest następnie dostępna do następnego etapu.

   • Uwaga: Napęd może także zawierać rezystor hamowania lub obwód regeneracyjny w celu rozproszenia lub ponownego wykorzystania nadmiaru energii generowanej podczas zwalniania silnika.

2. Stopień inwersji mocy (falownik):

   • Jest to podstawowa sekcja przełączania zasilania, zazwyczaj zawierająca szereg elementów Tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT) .

   • Płyta sterująca wykorzystuje Modulacja szerokości impulsu (PWM) techniki szybkiego przełączania tranzystorów IGBT, przekształcające napięcie prądu stałego z powrotem w trójfazowy przebieg prądu przemiennego.

   • Co najważniejsze, napęd steruje częstotliwość, wielkość i faza tego wyjściowego przebiegu prądu przemiennego o wyjątkowo wysokiej rozdzielczości, aby precyzyjnie zarządzać prędkością i momentem obrotowym silnika.

3. Etap kontroli i przetwarzania (mózg):

   • Obejmuje to mikroprocesor lub Cyfrowy procesor sygnałowy (DSP) który wykonuje pętle sterujące.

   • Przetwarza przychodzące polecenia dotyczące pozycji/prędkości i wykorzystuje informację zwrotną w czasie rzeczywistym z enkodera lub rezolwera silnika.

   • Następnie uruchamia Pętle regulacji PID i Sterowanie zorientowane na pole (FOC) algorytmy do obliczania dokładnych sygnałów wyzwalających PWM wymaganych dla stopnia falownika, aby wyeliminować wszelkie błędy między poleceniem a rzeczywistą pozycją silnika.

Krytyczna rola sterowania zorientowanego na pole (FOC)

Doskonała wydajność Napęd serwo AC w porównaniu do standardowego VFD sprowadza się do jego zastosowania Sterowanie zorientowane na pole (FOC) , czasami nazywany sterowaniem wektorowym.

• Problem: Sterowanie silnikiem prądu przemiennego jest złożone, ponieważ moment obrotowy i strumień są sprzężone (współzależne).

• Rozwiązanie FOC: Procesor DSP w przemienniku matematycznie przekształca trójfazowe prądy prądu przemiennego silnika ( $i_a,i_b,i_c$ ) z fizycznej ramki odniesienia stojana do obrotowej dwuosiowej ramki odniesienia DC ( $i_d,i_q$ ).

  • The prąd osi d ( $i_d$ ) kontroluje strumień magnetyczny (lub pole).

  • The prąd osi q ( $i_q$ ) kontroluje moment obrotowy .

• Zaleta: Oddzielając strumień i moment obrotowy, przetwornica częstotliwości może precyzyjnie i szybko sterować momentem obrotowym, zapewniając silnikowi wysoką dynamikę, porównywalną do wysokowydajnego silnika prądu stałego. Jest to niezbędne do szybkiego przyspieszania i precyzyjnego pozycjonowania, które definiują system serwo.

Rozważania dotyczące mocy znamionowej

Przy wyborze Napęd serwo AC , jego moc znamionowa ma kluczowe znaczenie i musi być dopasowane do wymagań silnika i aplikacji. Wartość ta określa zdolność napędu do obsługi wymaganych:

• Prąd ciągły: Prąd, który napęd może bezpiecznie dostarczyć podczas pracy ciągłej (stan ustalony).

• Prąd szczytowy: Maksymalny prąd, jaki przemiennik może dostarczyć przez krótki czas (np. podczas szybkiego przyspieszania), który określa dynamiczną reakcję systemu.

Wyrafinowana architektura Napęd serwo AC pozwala mu niezawodnie dostarczać wysokie prądy szczytowe dla dynamicznego ruchu, zachowując jednocześnie niezwykle precyzyjną kontrolę nad pozycją, prędkością i momentem obrotowym, co czyni go niezbędnym w zaawansowanej automatyce.