W jaki sposób liniowe siłowniki elektryczne osiągają precyzyjny ruch liniowy poprzez kontrolę serwomechanizmu położenia?

Jako kluczowe urządzenie napędzające w dziedzinie automatyzacji przemysłowej, podstawową funkcją liniowych siłowników elektrycznych jest przekształcenie sygnałów elektrycznych na wysokowydajny ruch liniowy. Są one szeroko stosowane w kontroli zaworów, pozycjonowaniu ramienia robotycznego, regulacji płynów i innych scenariuszach. Jego przepływ pracy opiera się na zasadzie kontroli serwomechanizmu pozycji. Poprzez współpracę w zamkniętej pętli przetwarzania sygnału, obliczanie odchylenia dynamicznego, napęd silnika i sprzężenie zwrotne pozycji, realizuje precyzyjną kontrolę trajektorii ruchu siłownika. Ten system techniczny nie tylko integruje kontrolę silnika, transmisję mechaniczną i technologię wykrywania elektronicznego, ale także odzwierciedla kompleksowe wymagania nowoczesnego przemysłu w zakresie reakcji dynamicznej, dokładności pozycjonowania i stabilności systemu.

Przepływ pracy liniowych siłowników elektrycznych rozpoczyna się od sygnału analogowego wysłanego przez system sterowania. Zazwyczaj sygnał prądu 4-20MA jest używany jako instrukcja sterowania. Ten znormalizowany zakres sygnałów elektrycznych zapewnia nie tylko zdolność przeciw interferencji transmisji sygnału, ale także zapewnia wystarczającą przestrzeń regulacji dynamicznej dla systemu. Gdy system sterowania wyświetla pewną bieżącą wartość, siłownik musi ją przekonwertować na określone przemieszczenie liniowe. Proces ten zależy od podstawowej roli lokalizatora pozycji. Przykładając na przykład płytę sterującą PM-2, jego wewnętrznie zintegrowane, bardzo precyzyjne analogowo-cyfrowe obwód konwersji może przekonwertować sygnał prądowy na ilość cyfrową, jednocześnie odbierając sygnał sprzężenia zwrotnego w czasie rzeczywistym z czujnika położenia. Wartość odchylenia utworzona przez porównanie między nimi staje się parametrem wejściowym kolejnego algorytmu sterowania.

Rdzeń obliczeń odchylenia polega na wprowadzeniu algorytmu PID. Algorytm dynamicznie dostosowuje intensywność wyjściową prądu napędu poprzez liniową kombinację proporcji (p), integracji (i) i różnicowania (d). Termin proporcjonalny bezpośrednio reaguje na bieżące odchylenie, termin całkowy eliminuje długoterminowy zgromadzony błąd, a termin różnicowy przewiduje trend zmiany odchylenia. Cała trójka pracuje razem, aby spowolnić siłownik, zbliżając się do pozycji docelowej, aby uniknąć oscylacji przekroczenia. Na przykład, gdy system sterowania wymaga od siłownika przeniesienia z początkowej pozycji do 10 mm, lokalizator pozycji będzie nadal porównywać odchylenie między pozycją a wartością docelową i dynamicznie dostosować prąd napędu silnika przez algorytm PID, aż odchylenie nie zbliży się do zera. Ten proces wymaga nie tylko wydajności algorytmu, ale także możliwości reagowania w czasie rzeczywistym systemu sprzętowego.

Jako źródło zasilania siłownika wydajność silnika bezpośrednio określa dynamiczne cechy systemu. Bezszczotkowy silnik prądu stałego stał się głównym nurtem dla liniowych siłowników elektrycznych ze względu na wysoki moment rozruchowy i charakterystykę fluktuacji o niskiej prędkości. Napędzany prądem elektrycznym silnik wychodzi ruch obrotowy, ale scenariusze przemysłowe często wymagają przemieszczenia liniowego, więc konwersja formy energii należy osiągnąć poprzez mechanizm przesyłania reduktora i śruby. Reduktor zmniejsza prędkość i zwiększa moment obrotowy przez siatkę biegów, podczas gdy śruba przekształca ruch obrotowy w ruch liniowy. Na przykład śruba kulowa może osiągnąć dokładność pozycjonowania na poziomie mikrona ze względu na jej niskie tarcia i wysoką wydajność; Podczas gdy śruba trapezoidalna wykorzystuje funkcję blokowania, aby utrzymać pozycję siłownika niezmieniony, gdy zasilanie jest wyłączone, co jest odpowiednie do scenariuszy wymagających statycznej siły trzymania.

Projekt mechanizmu transmisji musi uwzględniać zarówno dokładność, jak i niezawodność. Metoda dokładności ołowiu, regulacji obciążenia wstępnego i smarowania śruby kulowej wpłyną na powtarzalność i żywotność systemu. Niektóre wysokiej klasy siłowniki używają wstępnie zwariowanej podwójnej struktury nakrętki, aby wyeliminować klirens osiowy poprzez elementy sprężyste, co dodatkowo poprawiając sztywność transmisji. Ponadto poziomu ochrony łańcucha przesyłowego nie można zignorować, szczególnie w zakurzonych i wilgotnych środowiskach, w których projektowanie uszczelniające i powłoka przeciwkorozowa może skutecznie przedłużyć żywotność sprzętu.

Czujnik położenia jest „okiem” systemu zamkniętej pętli, a jego dokładność i stabilność określa ostateczną wydajność siłownika. Przewodzące plastikowe potencjometry odzwierciedlają informacje o pozycji poprzez zmiany wartości oporności i mają zalety prostej struktury i niskich kosztów, ale po długoterminowym użyciu dokładność może zmniejszyć się z powodu zużycia. Kodery cyfrowe bezkontaktowe realizują wykrywanie pozycji poprzez zasady fotoelektryczne lub magnetoelektryczne i mają charakterystykę wysokiej rozdzielczości i długiej żywotności, które są szczególnie odpowiednie do scenariuszy ruchu szybkiego i wysokiej częstotliwości. Na przykład przyrostowe enkodery określają względne przemieszczenie przez zliczanie impulsu, podczas gdy bezwzględne enkodery mogą bezpośrednio wysyłać unikalne kody pozycji, aby uniknąć problemu utraty pozycji po awarii zasilania.

Przetwarzanie sygnałów sprzężenia zwrotnego musi być ściśle skoordynowane z algorytmem kontrolnym. Po odebraniu sygnału czujnika lokalizator pozycji musi go filtrować i zlinearyzować, aby wyeliminować zakłócenia szumu i błędy nieliniowe. Na przykład algorytm filtra Kalmana może skutecznie tłumić sygnały wibracyjne o wysokiej częstotliwości i poprawić stosunek wykrywania pozycji do szumu. Jednocześnie częstotliwość próbkowania sygnału sprzężenia zwrotnego musi dopasować cykl sterowania, aby system może w odpowiednim czasie reagować na zaburzenia zewnętrzne.

Charakterystyka zamkniętej pętli Liniowe siłowniki elektryczne Daj im silne możliwości przeciwdziałania interferencji. Kiedy obciążenie zewnętrzne zmienia się nagle lub napięcie zasilania zmienia się, odchylenie położenia wyzwala dynamiczną regulację algorytmu PID. Na przykład w scenariuszu kontroli zaworu nagły wzrost ciśnienia rurociągu może spowodować wzrost momentu obciążenia siłownika. W tym czasie sygnał odchylenia pozycji skłoni silnik do zwiększenia prądu wyjściowego w celu skompensowania zmiany obciążenia. Przełącznik limitu momentu obrotowego i urządzenie limitu podróży stanowią warstwę ochrony sprzętowej, aby zapobiec przeciążeniu mechanicznym spowodowanym awarią oprogramowania.

Zdolność adaptacyjna systemu znajduje również odzwierciedlenie w ustawieniu parametrów. Współczynnik wzmocnienia algorytmu PID musi zostać zoptymalizowany zgodnie z charakterystyką siłownika i scenariuszy zastosowania. Na przykład w ruchu wzajemnej o wysokiej częstotliwości należy zwiększyć masę terminu różnicowego, aby stłumić przekroczenie; W warunkach wysokiego obciążenia należy zwiększyć integralny efekt terminu, aby wyeliminować błędy statyczne. Niektóre siłowniki obsługują funkcję samodzielnego dostrajania parametrów, która realizuje optymalną konfigurację parametru sterowania poprzez automatyczne identyfikację modelu systemu.