Każdy inżynier automatyk projektujący systemy sterowania lub je modernizujący spotyka się z wyzwaniem doboru odpowiedniego serwonapędu do swojej aplikacji. Często można posłużyć się podobnymi aplikacjami i na tej podstawie wyznaczyć moc silnika. Jednak wtedy pozostaje nam jedynie zgadywać jakimi przesłankami kierował się poprzedni konstruktor. Może napęd jest zupełnie przewymiarowany i tracimy pieniądze kupując o wiele za duży silnik?
Zamiast tego, możemy wziąć sprawy w swoje ręce i samodzielnie wyliczyć wymagany moment obrotowy do napędzenia danej cześci maszyny. Możemy do tego użyć kartki, ołówka i wzorów matematycznych. Możemy też… wykorzystać oprogramowanie, które wyliczy to za nas!
Mselect – instalacja i pierwsze wrażenia
Mselect to darmowe narzędzie, które pozwala, na podstawie zdefiniowanej mechaniki i rodzaju ruchu, wyznaczyć właściwy serwo silnik do zastosowania w danej aplikacji. Pobrać je można bezpośrednio ze strony Panasonic Electric Works:
Link do pobrania można znaleźć też w inny sposób. Po przejściu na stronę Panasonic Electric Works o serwonapędach Minas A6 zjeżdzamy niżej aż do sekcji Oprogramowanie i pobieramy najnowszą wersję Mselect.
Po pobraniu instalujemy aplikację. Instalacja nie jest skomplikowana, więc pominę ten etap. Po instalacji program jest gotowy do uruchomienia. Widok okna po uruchomieniu programu wygląda następująco:
Pierwszy projekt – założenia
Aby najlepiej poznać środowisko, przejdźmy do stworzenia własnego projektu. Załóżmy że stoi przed nami zadanie doboru napędu do stołu obrotowego o parametrach jak poniżej:
Średnica = 150 mm
Grubość = 1mm
Układ mechaniczny
Aby dodać stół obrotowy jako obciążenie wału silnika, z głównego okna programu wybieramy po lewej stronie zakładkę obciążenia obrotowe:
Następnie przeciągnijmy obiekt typu stół obrotowy do pola gdzie tworzymy naszą konfigurację mechaniczną układu:
Parametry którym powinniśmy się bliżej przyjrzeć w naszej aplikacji jest zaledwie kilka:
- Table density – to gęstość materiału z którego wykonany jest stół, w naszym przypadku to stal (7,9g/cm^3).
- Outside diameter of the table – zewnętrzna średnica stołu (150mm).
- Thickness of the table – grubość stołu (1mm).
Na podstawie powyższych parametrów, program wyliczył wagę stołu równą 0,14 kg. Doskonale, utworzyliśmy własny projekt mechaniki! Przejdźmy zatem dalej, do zakładki Running pattern.
Sekwencja ruchu
W tym kroku możemy zdefiniować w postaci tabeli sekwencję ruchu którą będzie wykonywał nasz stół obrotowy. Parametry którymi się tutaj posługujemy to:
- Input method – ruch stołu możemy zdefiniować w trybie prędkości (podajemy wtedy zadaną prędkość i czas przyspieszenia), lub w trybie pozycji (podajemy wtedy odległość oraz czasy przyspieszenia i zatrzymania). W naszym przypadku skorzystamy z kryterium prędkości.
- Time interval – czas danej operacji (przyspieszenia / utrzymania prędkości / zatrzymania).
- Rotation speed – zadana prędkość.
Naszą sekwencją ruchu będzie rozpędzenie stołu w 150ms do prędkości 300 obr/min. Następnie przez 200ms utrzymujemy prędkość. Po wszystkim zatrzymujemy stół w 150ms.
Wszystko gotowe, mamy już stworzony układ mechaniczny który będzie napędzany naszym serwonapędem oraz zdefiniowaliśmy parametry ruchu. Czas przejść do kroku finalnego – wybrania naszego nowego, kompaktowego i niezawodnego silnika marki Panasonic!
Wybór napędu
Wyznaczenie odpowiedniego silnika do naszej aplikacji dokonamy przechodząc do zakładki Selection of motor. Tutaj definiujemy w polu Selection of function jaki typ serwonapędu nas interesuje. Wybierzmy najnowszą serię serwonapędów Panasonic Minas A6 zaznaczając pozycję A6SF.
W polu Selection of series decydujemy czy chcemy silnik z przyłączem bezpośrednio na obudowie czy też ze złączem na przewodzie. Wybieramy tutaj również o jakiej inercji silnik chcemy wykorzystać (niskiej, średniej, wysokiej).
Silniki o niskiej inercji wału obrotowego sprawdzają się w aplikacjach gdzie wymagana jest dynamiczna zmiana prędkości i kierunku obrotu.
Silniki o dużej inercji są stosunkowo szerokie i posiadają wyższe chwilowe momenty obrotowe, dlatego nadadzą się do aplikacji gdzie wymagany jest duży moment, natomiast nie są wymagane szybkie zmiany kierunku pracy. Taki silnik w przypadku zmiany kierunku pracy z dużą czestotliwością ma do pokonania wysoką inercję własnego wirnika, co będzie powodowało dodatkowe wydzielanie się ciepła.
W naszym przypadku obciążenie za wałem silnika (stół obrotowy) jest o stosunkowo niewielkiej inercji ponieważ waży zaledwie 140 gram, natomiast wymagamy błyskawicznej zmiany prędkości (300 obr/min w zaledwie 150ms). Dlatego w polu Selection of series wybierzemy silnik o niskiej inercji MSMF. Gdyby ten wybór okazał się nietrafiony, Mselect poinformuje nas o tym w wynikach obliczeń.
Dobierzmy jeszcze parametry silnika, takie jak:
- Power supply – układ zasilający (1 fazowy).
- Input voltage – napięcie zasilania (200V).
- Brake – hamulec, przydatny w aplikacjach typu winda (nie potrzebujemy).
- Oil seal – uszczelka olejowa, chroni przed dostaniem się zanieczyszczeń do wnętrza silnika (nie potrzebujemy).
- Motor shaft – sposób wykończenia wału silnika (wybierzmy z wpustem).
Wyniki obliczeń
Po wybraniu powyższych parametrów, pozostaje nam tylko kliknąć przycisk Sizing. Program automatycznie przeliczy wymagane momenty obrotowe, wskaże nam również czy konieczne będzie użycie dodatkowego rezystora hamującego. Po chwili oczekiwania w dolnej części okna pojawiają się wyniki obliczeń:
- Inertia ratio – to wielokrotność inercji układu napędzanego w stosunku do inercji wirnika serwonapędu. Widzimy że dla napędu o mocy 50W i 100W program wskazuje wynik REMARK, co oznacza że wartość ta została przekroczona w stosunku do tej podanej w nocie katalogowej. Natomiast w przypadku silnika o mocy 200W współczynnik ten jest na poziomie 28, co jest wartością dopuszczalną.
- Rotation speed – maksymalna prędkość silnika według założeń z sekwencji ruchu (poprzedni krok).
- Effective torque – stosunek momentu wykorzystanego do momentu znamionowego silnika, wyrażony w procentach.
- Travelling torque – stosunek maksymalnego momentu obrotowego podczas pracy ze stałą prędkością do momentu znamionowego, wyrażony w procentach.
- Maximum torque – stosunek wymaganego maksymalnego momentu obrotowego do dopuszczalnego maksymalnego momentu obrotowego, wyrażony w procentach.
- Regenerative resistor – stosunek wygenerowanej mocy zwrotnej do mocy wbudowanego rezystora, wyrażony w procentach.
Przy każdym parametrze program wskazuje nam czy wskazana wartość spełnia mieści się w zalecanych przedziałach, zgodnie z notą katalogową konkretnych modeli silników. Mogą pojawić się poniższe wskazania:
- OK – wszystko w porządku
- NG – nieodpowiedni
- RMK – parametr przekracza zalecaną wartość, wymaga dalszej analizy
Z wyników w tabeli widzimy że w naszym przypadku wszystkie wymagania spełnia napęd o mocy 200W. Z sukcesem dobraliśmy odpowiedni do naszej aplikacji serwonapęd. Wspaniale, czas na przerwę przy kawie!
Aby dobrać pozostałe akcesoria pasujące do wybranego silnika, pozostaje nam skontaktować się z producentem poprzez stronę internetową lub samodzielnie je dobrać za pomocą wyszukiwarki dla serwonapędów.
Podsumowanie
W kilku prostych krokach potrafimy już dobrać serwonapęd do naszej aplikacji, na podstawie realnych parametrów układu mechanicznego i parametrów ruchu. Za pomocą narzędzia Mselect jesteśmy w stanie symulować znacznie bardziej złożone układy mechaniczne, wykorzystujące przekładnie, śruby napędowe, transportery, układy wind i wiele więcej. Do dyspozycji mamy również wbudowany w programie plik pomocy. Zachęcamy do eksperymentowania i tworzenia własnych, dowolnie złożonych konfiguracji.
Autor: Kamil Szkutnik – Panasonic Electric Works Polska sp. z o.o.
