Servoaandrijvingen. Document status and date: Gepubliceerd: 01/01/1997. Document Version: Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record

Transcriptie

1 Servoaandrijvingen Citation for published version (APA): Henneberger, G., & Vandenput, A. J. A. (1997). Servoaandrijvingen. In Handboek aandrijf- en besturingstechniek (blz. C1700-1/22). Alphen aan den Rijn: Samsom Bedrijfsinformatie. Document status and date: Gepubliceerd: 01/01/1997 Document Version: Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record Please check the document version of this publication: A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website. The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review. The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers. Link to publication General rights Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal. If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the Taverne license above, please follow below link for the End User Agreement: Take down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us at: openaccess@tue.nl providing details and we will investigate your claim. Download date: 11. Apr. 2019

2 Servoaandrijvingen Servoaandrijvingen C Prof. Dr.-lng. G. Henneberger 1 onder redactie van prof. dr. ir. A.J.A. Vandenput 1. lnleiding Cl Structuur C Vereisten en beoordelingscriteria C Gelijkstroomaandrijvingen Cl Motoren C Voeding en sturing C1700-ll 5. Draaistroomaandrijvingen C Gelijkstroom- versus draaistroomservoaandrijvingen C Asynchrone versus synchrone servomotoren C Draaistroomservomotoren C Synchrone servomotor met permanente magneten C Asynchrone servomotor C Voeding en regeling C Vergelijking van bouwreeksen C I. G. Henneberger, Servoantriebe fiir Werkzeugmaschinen und Robotor, Stand der Technik, Entwicklungstendenzen, Elektroniker, Nr. 5/1988, p , Nr. 6/1988, p

3 Servoaandrijvingen C Inleiding Servoaandrijvingen hebben als opgave onderdelen van een productiemachine langs een voorgeschreven baan in een bepaalde tijd te verplaatsen en ze met een bepaalde nauwkeurigheid op hun eindpositie te positioneren. Aan de dynamica worden zeer hoge eisen gesteld. Toepassingen van servoaandrijvingen vindt men in werktuigmachines voor de verplaatsing en de positionering van werkstukken, in robots en positioneringstoestellen, in ventielen en afsluiters. Het koppelbereik strekt zich uit van 0, 1 tot I 00 Nm, het toerentalbereik van 0 tot omw/min en het vermogensbereik van 100 W tot 20 kw. Servomotoren hebben gewoonlijk een hoog nominaal toerental en een klein nominaal koppel zodat meestal een toerentalreductie nodig is om de motor aan de belasting aan te passen. Een mechanische transmissie zal de uitgaande as n maal trager doen draaien en tegelijkertijd zal het beschikbaar koppel n maal groter worden. Moet een lineaire beweging worden uitgevoerd, dan is tussen de roterende as van de motor en de rechtlijnig bewegende belasting nog een overbrengingsmechanisme (bijvoorbeeld een schroefspindel) nodig. + i"'""~'l-t bssssssssssi ~ ~ ~ a) cilindrische rotor b) schijfvonnige rotor c) klokvormige rotor Figuur 1. Verschillende rotoruitvoeringen van servomotoren. De integratie van de aandrijfmotor in de arbeidsmachine stelt speciale eisen aan de motorconstructie (fig. I): Om het traagheidsmoment klein te houden kiest men enerzijds voor een lange en slanke cilindervormige rotor met een radiaal veld, bijvoorbeeld voor werktuigmachines (fig. la). Anderzijds kan het rotorgewicht worden beperkt door de rotor te construeren als een schijf in kunststof met ingebedde ankergeleiders: schijfvormige rotor met axiaal veld, bijvoorbeeld voor robots (fig. lb).

4 C Servoaandrijvingen Voor zeer kleine vermogens kan men, omwille van thermische en productieredenen, gebruik maken van een ijzerloze klokvormige rotor met radiaal veld (fig. lc). Tot voor enkele jaren werden elektrische servoaandrijvingen uitsluitend met gelijkstroom gevoed. Dit betekent een gelijkstroommachine met permanent magneetbekrachtiging, gevoed met een thyristor- of een transistorversterker. Voordelig is de eenvoudige regeling, nadelig de mechanische commutator. Omwille van de evolutie in de vermogenshalfgeleiders, de microprocessortechniek en de permanente magneten verdringen tegenwoordig de borstelloze draaistroommachines met hoogdynamische regelingen de gelijkstroomservoaandrijvingen. Principieel kunnen hiervoor zowel asynchrone als permanent magneetbekrachtigde synchrone machines worden aangewend, gevoed met PWM (pulsbreedte modulatie) omzetters. In servoaandrijvingen onder de 10 kw zijn de elektrische aandrijfsystemen concurrerend met de hydraulische en de pneumatische systemen omwille van bet gunstig regelgedrag, de nauwkeurigheid, bet rendement en de aanpasbaarheid aan de last. Het voordeel van de hydraulische aandrijving ligt in de grotere versnellingen omwille van de hogere energiedichtheid, dat van de hydraulische systemen in de geringere fabricagekosten. 2. Structuur Principieel bestaat een servoaandrijving uit de volgende op mekaar afgestemde onderdelen (fig. 2): servoversterker V aangesloten aan bet driefasige elektriciteitsnet; aandrijfmotor M (gelijkstroom, synchroon, asynchroon); mechanische koppeling K; last L sensoren (positie (S19), snelheid (Sw), versnelling, stroom, koppel); sturing, respectievelijk regeling (R19, Rw, R 1 ); eventuele rekeneenheid (microprocessor, digitale signaalprocessor).

5 Servoaandrijvingen Cl700-5 Figuur 2. Principiele structuur van een elektrische servoaandrijving. Doorgaans hebben servoaandrijvingen een positieregeling met ondergeschikte toerental- en stroomregeling. De positieregeling kan direct of indirect zijn, waarbij de positiemeting respectievelijk aan de te positioneren onderdelen (translatorische verplaatsingsmeting) of aan de motor (analoge of digitale hoekmeting) plaatsvindt. Het is duidelijk dat de indirecte positieregeling minder nauwkeurig is dan de directe omwille van de onnauwkeurigheden in de mechanische transmissie-elementen (speling, elasticiteit, wrijving). Een ondergeschikte toerentalregeling is noodzakelijk voor de dynamica en de stabiliteit van het totale aandrijfsysteem. Voor de toerentalmeting zijn gelijkstroomtachogeneratoren nog altijd zeer geschikt als men ook zeer kleine toerentallen met een goede lineariteit continu in de tijd wil meten. Bovendien is een ondergeschikte stroomregeling vereist om de elektrische motortijdconstante te compenseren zodat de stroom zeer snel kan worden veranderd. De grenswaarden voor toerental (w;) en stroom u;) garanderen een bescherming tegen respectievelijk een mechanische en een thermische overbelasting. Slechts voor korte tijd (bijvoorbeeld tijdens de versnelling) kunnen hogere stroomwaarden worden toegelaten.

6 C Servoaandrijvingen De microprocessortechniek tenslotte laat ons toe hoogdynamische digitate regelaars te construeren en de techniek van de parameteridentificatie toe te passen (bijvoorbeeld modellen voor niet-meetbare grootheden). 3. Vereisten en beoordelingscriteria De eisen die aan een elektrische servoaandrijving worden gesteld, zijn veelzijdig en bovendien functie van de toepassing. Onafhankelijk van de specifieke aanwending kan toeh een aantal gemeenschappelijke eisen worden geformuleerd: hoge dynamica: hoog impulskoppel, met andere woorden hoge kortstondige overbelastbaarheid, kleine mechanische tijdconstante, dit wil zeggen klein traagheidsmoment, kleine elektrische tijdconstante, met andere woorden kleine motorinductiviteit; zachte loop, ook bij de kleinste toerentallen: zeer kleine koppelharmonischen, hoekonafhankelijk motorkoppel; hoge positioneringsnauwkeurigheid tot minstens 1 I 1000 omwenteling; groot toerentalbereik: minstens 1 I 10000, vierkwadrantenbedrijf; klein volume en gewicht; hoog rendement: laag energieverbruik, geringe opwarming; onderhoudsvriendelijk: liefst onderhoudsvrij, lange levensduur; hoge beschermingsgraad; mogelijkheid tot aanbouw van sensoren en mechanische transmissie-elementen. 4. Gelijkstroomaandrijvingen Ten gevolge van de eenvoudige regelbaarheid en uit economische gezichtspunten werd tot voor kort de gelijkstroommotor met transistorversterker als standaard servoaandrijving ingezet.

7 Servoaandrijvingen C Motoren In figuur 3a is een gelijkstroomservomotor met radiaal veld en cilindrische rotor afgebeeld, in figuur 3b een motor met schijfrotor en axiaal veld. a) Figuur 3. Gelijkstroomservomotoren: a. motor met cilindrische rotor en radiaal veld, j'erriet magneten (Siemens); b. motor met schijfvormige rotor en axiaal veld, Al-Ni-Co magneten (Bosch).

8 C Servoaandrijvingen Gelijkstroomservomotoren zijn in de regel bekrachtigd met permanente magneten met als gevolg: klein bouwvolume, kleinere ankertijdconstante, geen bekrachtigingsspanningsbron en geen bekrachtigingsverliezen. De keuze van het permanent magneetmateriaal wordt onder andere bepaald door de inductie in de luchtspleet, het hestand zijn tegen demagnetisering en de prijs. Figuur 4. Karakteristieken van verschillende permanent magneetmaterialen bij kamertemperatuur. Figuur 4 toont de karakteristieken van verschillende permanent magneetmaterialen bij kamertemperatuur: ferriet, aluminium-nikkel-cobalt

9 Servoaandrijvingen Cl (Al-Ni-Co), samarium-cobalt (Sm-Co) en neodymium-ijzer-boor (Nd Fe-B). Het goedkoopst zijn ferrieten. Zij hebben echter een lage inductie en een beperkte weerstand tegen demagnetisering. Hun toepassingsgebied ligt dan ook in goedkope massaproducten. Al-Ni-Co magneten liggen een prijsklasse hoger. Wegens de kleine coercitieve veldsterkte kan de hoge remanentc inductie van deze permanente magneten slechts daar uitgenut worden waar de demagnetisering in de betreffende toepassing klein is. De zeer dure samarium-cobalt magneten zijn op magnetisch gebied uitstekend: hoge remanente inductie, grote coercitieve veldsterkte en een lineaire demagnetiseringskarakteristiek tot ver in het derde kwadrant. Omwille van hun prijs zijn ze slechts inzetbaar in motoren voor kleine series met hoge eisen. a) b) Figuur 5. Magneetsystemen in gelijkstroomservomotoren: a. schijfvormige rotor met Al-Ni-Co magneten (Bosch); b. cilindrische rotor met ferriet magneten en fluxconcentratoren (Siemens); c. cilindrische rotor met Sm-Co magneten (BBC).

10 C170Q-10 Servoaandrijvingen Bij kamertemperatuur overtreffen de Nd-Fe-B permanente magneten de energiedichtheden van aile andere magneten. Zij zijn ook merkelijk goedkoper dan Al-Ni-Co magneten. De vragen omtrent de stabiliteit van de magnetische karakteristiek op lange termijn, de problemen van de ongunstige temperatuurscoefficienten voor de coercitieve veldsterkte en de corrosieproblemen zijn nog een bron van zorg. De verschillende magneetsystemen zijn in figuur 5 voorgesteld. Bij schijfvormige rotoren (fig. 5a) worden Al-Ni-Co magneten met poolschoenen gebruikt om de demagnetisering tegen te gaan en bij cilindrische rotoren (fig. 5b) wordt meestal ferriet aangewend met een fluxconcentrator om de luchtspleetinductie te verhogen. Om kleinere ankertijdconstanten te realiseren moeten de magneten tegen de luchtspleet worden aangebracht (fig. 5c). Sm-Cos 6 --, \ \ s \ \ \ \ Ferriet ,2 0, 4 0,6 0,8 relatief toerental n InN ---- Figuur 6. Koppel-toerenkarakteristieken van een gelijkstroomservoaandrijving.

11 Servoaandrijvingen C Figuur 6 toont de koppel-toerenkarakteristieken van gelijkstroomservomotoren. Het hoge koppel voor de versnelling of de remming wordt verkregen door een kortstondige grote ankerstroom die tot 6 a 10 maal de nominale stroom kan bedragen. Deze piekstroom wordt begrensd door de commutatie van de machine en de demagnetiseringsvastheid van de permanente magneten Voeding en sturing Als vermogensversterker voor gelijkstroomservomotoren worden vermogenselektronische schakelingen met thyristoren (voor grotere vermogens) en transistorversterkers (voor kleinere vermogens) gebruikt. De omzetters met netcommutatie worden meestal twee-, drie- of zespulsig uitgevoerd met kringstroom. Kringstroomvoerende schakelingen verzekeren een beter dynamisch gedrag en de schakelingen met een boger pulsgetal hebben een kleinere dode tijd en dus een snellere reactie tot gevolg. w Figuur 7. Servoversterker in H-schakeling met transistor en. Het overgrote deel van de gelijkstroomservomotoren wordt echter gevoed met een transistorversterker in H -schakeling (fig. 7), bestaande uit vier transistoren en vier vrijloopdioden. De brugschakeling wordt gevoed uit een gelijkspanningstussenkring met constante spanning. Bij hoge schakelfrequentie van de transistoren volstaat de ankerinductiviteit van de met permanent magneten bekrachtigde gelijkstroommotor om de ankerstroom af te vlakken, zodat geen afvlakspoel vereist is.

12 C Servoaandrijvingen De transistorversterker is met bet driefasig elektriciteitsnet verbonden door middel van een transformator en een diode-bruggelijkrichter voorzien van een condensator. Deze condensator Ievert de piekstroom bij versnellingen en slaat de energie op die bij remming in de gelijkspanningstussenkring wordt teruggestuurd. Bij te grote remenergie zou de tussenkringgelijkspanning te hoog oplopen. In dit geval moet men een geschakelde remweerstand in de tussenkring of een supplementaire netgecommuteerde wisselrichter voorzien. Omwille van de beperkte lamelspanning is de klemspanning van een gelijkstroomservomotor beperkt tot ongeveer 200 V. Aangezien de netspanning normaal 380 V is, moet men een transformator in bet voedingscircuit gebruiken. 5. Draaistroomaandrijvingen Gelijkstroom- versus draaistroomservoaandrijvingen Vroeger werden servoaandrijvingen nagenoeg uitsluitend met gelijkstroommotoren aangedreven omwille van de eenvoudige en goede regelbaarheid. Men kon een hoogdynamisch en nauwkeurig gedrag bekomen met behulp van goedkope voedings- en regelsystemen. De mechanische commutator zorgt ervoor dat de ankerdoorstroming loodrecht op de bekrachtigingsflux staat (ontkoppeling) en bij constante bekrachtigingsstroom bestaat er een lineair verband tussen de ankerstroom en het koppel Dit is zeer belangrijk voor een nauwkeurige en snelle toerental- en/ of positieregeling. Het elektromagnetisch gedrag van draaistroommotoren is vee] complexer dan dat van een gelijkstroommotor. Drie fasestromen bepalen de ruimtelijke positie van de statordoorstroming, die zowel in fase als in grootte moet worden georienteerd ten opzichte van bet rotorveld (veldorientering) om het gewenste koppel te ontwikkelen. Dit vereist de instelling van minstens twee statorstromen en de bepaling van de grootte en de positie van de rotorflux hetzij direct door meting, hetzij indirect door berekening. Bij synchrone machines kan men de rotorfluxpositie bepalen uit die van de rotor door middel van een positiesensor. Bij asynchrone machines daarentegen moet men de fluxpositie bepalen hetzij direct door meting van de flux, hetzij indirect door berekening uit de statorstromen en het toerental. De snelheid en de nauwkeurigheid van deze bereke-

13 Servoaandrijvingen C ning beinvloeden natuurlijk bet dynamiscb gedrag en de kwaliteit van de regeling. Tabel 1 vergelijkt voor- en nadelen van gelijkstroom- en draaistroomservoaandrijvingen - Gelijkstroom regeling van twee of meer fasestro- men en bepaling van de positie van de rotorfiux moeilijker bij asynchrone dan bij synchrone motor eenvoudige koppelregeling (een stroom) eenvoudige servoversterker slijtage van commutator en borstels dynamica begrensd door de commutatie (grote) verliezen in roterend anker explosieveilige machines zeer moeilijk realiseerbaar.1:'. 1<111~1Ul: tussen net en omzetter Draaistroom I ingewikkelde omzetter met groter vermogen onderhoudsvrij I directe koppeling tussen net en omzetter Tabell. Gelijkstroom- versus draaistroomservoaandrijvingen Asynchrone versus synchrone servomotoren Twee typen draaistroommotoren zijn van belang voor servoaandrijvingen in borstelloze uitvoering: de asyncbrone motor met kooirotor en de syncbrone motor met permanent magneetbekracbtiging. Een gedetailleerde systeemvergelijking is nodig om de vraag te beantwoorden welke van beide motortypen bet best gescbikt is voor een bepaalde toepassing. Asyncbrone motoren bebben een zeer eenvoudige en robuuste kooirotor met een klein traagbeidsmoment. De overbelastbaarbeid is zeer boog, aangezien slecbts tbermiscbe en mecbaniscbe grenzen een rol spelen. Syncbrone motoren met permanente magneten op basis van zeldzame aarden kunnen ook met een zeer klein traagbeidsmoment worden uitgevoerd en de overbelastbaarbeid is vergelijkbaar. De constructiekosten van de rotor zijn ecbter veel boger.

14 C Servoaandrijvingen Een wezenlijk voordeel van de synchrone motor tegenover de asynchrone motor is de vee! eenvoudigere regeling. Het onderscheid tussen beide motoren komt voort uit de bepaling van de flux, die als referentie moet dienen voor de orientatie van de statorstromen. Bij de asynchrone motor wordt de flux door de interactie van stator- en rotorstromen opgebouwd; een meting van de rotorstromen is bij een kooirotor echter onmogelijk. De flux moet bijgevolg met behulp van Hallsensoren worden gemeten of via een machinemodel worden berekend uit de meetbare statorgrootheden en/ of het toerental van de rotor. De meetsonden zijn mechanisch en thermisch zeer gevoelig en de berekening van de flux wordt door temperatuurs- en verzadigingsinvloeden vervalst. Bij de synchrone motor kan men op een relatief eenvoudige manier door meting van de rotorhoek de statorstroombelegging op het bekrachtigingsveld orienteren. Bij een asynchrone motor is veldverzwakking door een meer dan lineaire toename van de voedingsfrequentie tegenover de voedingsspanning relatief eenvoudig te realiseren. Een veldverzwakking bij een permanent magneet synchrone machine is slechts in beperkte mate mogelijk, aangezien men het veld van de permanente magneten door een statortegenveld moet afzwakken; dit verhoogt het blindvermogen, wat een bijkomende belasting voor de vermogenselektronische omzetter inhoudt. De asynchrone motor vereist een omzetter met een groter vermogen omdat hij ook de magnetiseringsstroom moet leveren. Daarentegen kan de synchrone motor zonder blindstroomopname functioneren, zodat de omzetter slechts het actief vermogen hoeft te leveren. De asynchrone motor heeft bijgevolg niet aileen actieve stroom nodig voor de ontwikkeling van een koppel maar ook reactieve stroom voor de opbouw van het veld in de luchtspleet. Dit leidt tot ongunstigere rendementen en een hogere thermische belasting van de statorwikkelingen. In de rotor van een permanent magneetbekrachtigde synchrone motor treden slechts in zeer beperkte mate verliezen op, die veroorzaakt worden door wervelstromen; in de asynchrone motor veroorzaken voornamelijk de rotorstromen de rotoropwarming. Asynchrone- en synchrone servoaandrijvingen zijn dynamisch nagenoeg gelijkwaardig. In tabel 2 is de vergelijking van een asynchrone met een synchrone servomotor samengevat.

15 Servoaandrijvingen C I Asynchrone servomotor kooirotor goedkoop, robuust, sterk overbelastbaar complexe regeling veldverzwakking eenvoudig realiseerbaar omzetter Ievert actief en reactief verrnogen Jouleverliezen in rotor bijzonder gunstig voor aandrijvingen van wikkelrnachines met veldverzwakking.. dynamtsch gehjkwaardtg met syn chrone servomotor - Synchrone servomotor rotor met permanente magneten traagheidsarm, overbelastbaar, eenvoudigere regeling veldverzwakking door statortegenveld omzetter Ievert aileen actief vermogen wervelstroornverliezen in rotor bijzonder gunstig voor positioneringsaandrijvingen zonder veldverzwakking.. dynamtsch gehjkwaardtg met asyn chrone servomotor Draaistroomservomotoren Tabel 2. Asynchrone versus synchrone servomotor Synchrone servomotor met permanente magneten In figuur 8 is een synchrone motor (met Sm-Co magneten) met radiaal veld en cilindrische rotor afgebeeld, die gebruikt wordt in werktuigmachines. De uitvoering is vier- of zespolig. Het huis is een persgietlegering voorzien van koelribben, zodat een hoge beschermingsgraad en een goede warmteafvoer wordt gerealiseerd. Het statorblikpakket (fig. 8a) wordt met lak samengekleefd en wordt in uet huis gekrompen. Om de harmonischen in het koppel te beperken wordt het statorblikpakket over een gleuf schuingesteld. De statorwikkeling wordt als een eenlaagswikkeling uitgevoerd met twee gleuven per pool en per fase en wordt met speciale naaldwerktuigen in de machine getrokken. Een borstelloze tacho met rotorpositiesensor wordt in het motorhuis geintegreerd voor de sturing van de statorstromen. 4 Hb. Aandrijf- en bcsturingstechniek april 1997

16 C Servoaandrijvingen b Figuur 8. Synchrone servomotor, bekrachtigd met permanente magnet en. a. stator; b. rotor; c. veldlijnenpatroon bij nominale stroom ( 1. rotorjuk; 2. magneet; 3. luchtsp/eet; 4. stator/and; 5. statorjukj. c De rotor (fig. 8b) bestaat uit blikpakket voorzien van uitsparingen om de flux beter te geleiden en het traagheidsmoment te verkleinen. Omwille van hun hoge coercitieve veldsterkte kunnen de 2 mm dikke Sm Co magneten tegen de luchtspleet worden aangebracht om op die manier de motorinductantie te verlagen. Om de wervelstroomverliezen in de magneet ten gevolge van de statorgleufuarmonischen te beperken worden de magneten als smalle stukjes uitgevoerd en met behulp van kleefstof en glasvezelband op de rotor aangebracht. De magnetisering van de magneten gebeurt bij volledig afgewerkte rotor in een magnetiseringsjuk met behulp van een zeer hoge veldsterkte, die wordt opgewekt door pulsvormige stromen uit een condensatorbatterij. Eindige elementen berekeningen (fig. 8c) zijn noodzakelijk voor het ontwerp van de magnetische kring. De luchtspleetinductie verloopt trapeziumvormig met een gemiddelde waarde van ongeveer 0,6 T. De ankerreactie veroorzaakt een veldversterking aan de inlopende kant van de pool en een veldverzwakking aan de uitlopende kant van de pool.

17 Servoaandrijvingen C Synchrone servomotoren kunnen zowel met sinusvormige als met blokvormige stromen worden gevoed. Figuur 9 toont de karakteristieke grootheden. a) sinusvormi~! b) rechthoekvormig 1 luchtspleet inductie B 1t B 1t 2 emk in fase a 3 stroom in fase a 21t J 21t I 21t 4 vermogen in fase a afgegeven vermogen p p 2 -[f ~ ut-- 0 Figuur 9. Sinus- en blokvormige voeding van permanent magneetbekrachtigde synchrone servomotoren. a. sinusvormig; b. rechthoekvormig. Wordt de motor met sinusvormige stromen gevoed dan zijn eveneens sinusvormig gelnduceerde spanningen noodzakelijk. Dergelijke spanningen verkrijgt men door een nagenoeg sinusvormig luchtspleetveld, als men de permanente magneten parallel in plaats van radiaal magnetiseert, en door een aangepaste uitvoering van de statorwikkeling. Het afgegeven vermogen is dan constant. De rotorhoek moet met een grote

18 C Servoaandrijvingen nauwkeurigbeid worden gemeten om een constante faseverscbuiving tussen de gei'nduceerde spanning en de stroom te verkrijgen. Men kan de motor ook met blokvormige stromen voeden. De totale motorstroom, die een constante grootte beeft, wordt cycliscb verdeeld over de drie statorfasen zodat stroomblokken van 120 elektriscbe graden en pauzen van 60 elektriscbe graden ontstaan. Als de gelnduceerde spanning van een fase gedurende een stroomblok constant is, dan is ook bet vermogen van deze fase constant. Is de stroom nul, dan is bet verloop van de gei'nduceerde spanning oninteressant. De gei'nduceerde spanningen krijgen een sinusvormig verloop door bet aantal gleuven per pool en per fase groter dan een te kiezen en door de statorgleuven scbuin te stellen. De som van de vermogens van de drie fasen levert een constant lucbtspleetvermogen, zodat ook bet koppel onafhankelijk is van de rotorpositie. Voeding met blokvormige stromen geeft de volgende voordelen ten opzicbte van sinusvormige voeding: tbeoretiscb ongeveer 15% bogere motorbenutting (vooral bij lage toerentallen); eenvoudige rotorboekmeting ( drie optiscbe of magnetiscbe sensoren in plaats van een resolver); eenvoudige signaalverwerking. Zoals uit de koppel-toerenkarakteristieken (fig. lo) blijkt, is bet werkingsgebied van een door permanente magneten bekracbtigde syncbrone servomotor veel uitgebreider dan dat van een gelijkstroomservomotor. De kortstondige overbelastbaarbeid wordt begrensd door de maximaal toelaatbare stroom, die bepaald is, betzij door de motor wegens bet gevaar van demagnetisering, betzij door de omzetter wegens de toelaatbare balfgeleiderbelasting. De toerentalbegrenzing is bier niet meer bet gevolg van de commutatie, maar wordt bepaald door de maximaal toelaatbare middelpuntvliedende kracbten.

19 Servoaandrijvingen C Sm-Cos --- f z a:; Q. Q. 0.;,: "- <l> :;:; "' ~ Ferriet -..., ' "" I I I I ~ 0 0,2 o.4 o,g o,e relatief toe rental n/n N Figuur 10. Koppel-toerenkarakteristieken van een draaistroomservoaandrijving Asynchrone servomotor Als een asynchrone motor als servomotor wordt gebruikt moet er op de volgende punten worden afgeweken van de genormeerde bouwvormen: Om het traagheidsmoment te verminderen wordt de lengte/diameterverhouding verhoogd, waardoor echter de afvoer van de verlieswarmte moeilijker wordt. Ten gevolge van de weliswaar kortstondige, maar vaak optredende overbelastingen door remming en versnelling ontstaan beduidend hogere statorwikkelingstemperaturen. Ook de opwarming van de rotor is hoger Voeding en regeling Draaistroomservomotoren worden overwegend met PWM-omzetters met constante tussenkringspanning gevoed (fig. 11). Aan de netzijde wordt het vermogenselektronisch systeem zonder transformator verbonden met de driefasige wisselspanning, meestal 380 V. De gelijkrich-

20 C Servoaandrijvingen ting gebeurt met een ongestuurde gelijkrichter en een tussenkringcondensator vlakt de spanning af. Aan deze gelijkspanning is een driefasige wisselrichter aangesloten. De zes vermogenshalfgeleiders zijn meestal transistoren, voorzien van de nodige besturing en parallel geschakelde vrijloopdioden. Door de keuze van het aantal statorwikkelingen past men de draaistroommotor aan de stroom- en spanningswaarden van de omzetter aan. De motor is voorzien van een toerentalsensor, en, afhankelijk van de toepassing, ook van een positiesensor. De energie, die bij remming wordt teruggestuurd naar de gelijkspanningstussenkring, wordt via een transistor in een weerstand in warmte omgezet, zodat de tussenkringspanning niet te sterk stijgt. Als er meer energie moet worden teruggevoerd, voorziet men de gelijkrichter met een parallel geschakelde en netgecommuteerde wisselrichter. Naargelang de regelstrategie kan de schakelfrequentie van de PWMomzetter oplopen tot 20 khz. Koppelreductie 0 Gewenstestroom Toerentalregelaar Actueel toerental Gewenst toe rental Figuur 11. Stuurschakeling van een e/ektronisch gecommuteerde machine.

21 Servoaandrijvingen C Vergelijking van bouwreeksen In figuur 12 wordt het statisch gedrag van verschillende motortypen (gelijkstroom-, synchroon- en asynchrone servomotoren) vergeleken. In functie van het nominaal koppel staat enerzijds de benutting van de machine, dit wit zeggen de verhouding van het nominaal koppel tot de motormassa, en anderzijds de hoekversnelling, met andere woorden de verhouding van het nominaal koppel tot het traagheidsmoment. Dit komt overeen met het omgekeerde van de mechanische tijdconstante (betrokken op hetzelfde nominaal toerental) en is een maat voor bet dynamisch gedrag van de machine. Men ziet duidelijk dat servomotoren met magneten op basis van zeldzame aarden een dubbele benutting hebben en tweemaal dynamischer zijn dan motoren met ferrieten; asynchrone motoren weliswaar dynamisch gelijkwaardig zijn, maar, wat de benutting betreft, ongunstiger zijn dan gelijkstroomen synchrone servomotoren met zeldzame aarde-magneten.

22 C Servoaandrijvingen 1,0f TN [ Nm] m kg 0,81----f---- D GM+SM met ZA-magneten Ill GM+SM metferrieten AM 0,4 0,2 a) 0 0, TN... ~[ II GM+SM met ZA-magneten AM II GM+SM met ferrieten ~ b) Figuur 12. Benutting (a) en dynamica (b) van servomotoren.