In che modo gli attuatori elettrici lineari ottengono un movimento lineare preciso attraverso il servo controllo della posizione?

Come dispositivo di guida chiave nel campo dell'automazione industriale, la funzione principale degli attuatori elettrici lineari è quella di convertire i segnali elettrici in movimento lineare ad alta precisione. Sono ampiamente utilizzati nel controllo delle valvole, nel posizionamento del braccio robotico, nella regolazione dei fluidi e altri scenari. Il suo flusso di lavoro si basa sul principio del controllo del servo di posizione. Attraverso la collaborazione a circuito chiuso dell'elaborazione del segnale, del calcolo della deviazione dinamica, dell'unità del motore e del feedback della posizione, realizza un controllo preciso della traiettoria di movimento dell'attuatore. Questo sistema tecnico non solo integra il controllo del motore, la trasmissione meccanica e la tecnologia di rilevamento elettronico, ma riflette anche i requisiti completi dell'industria moderna per la risposta dinamica, l'accuratezza del posizionamento e la stabilità del sistema.

Il flusso di lavoro di attuatori elettrici lineari inizia con il segnale analogico inviato dal sistema di controllo. Di solito il segnale di corrente 4-20 mA viene utilizzato come istruzione di controllo. Questo intervallo di segnale elettrico standardizzato non solo garantisce la capacità anti-interferenza della trasmissione del segnale, ma fornisce anche spazio di regolazione dinamica sufficiente per il sistema. Quando il sistema di controllo emette un determinato valore corrente, l'attuatore deve convertirlo in uno spostamento lineare specifico. Questo processo dipende dal ruolo principale del localizzatore di posizione. Prendendo la scheda di controllo PM-2 come esempio, il suo circuito di conversione analogico-digitale ad alta precisione integrato internamente può convertire il segnale di corrente in una quantità digitale, ricevendo il segnale di feedback in tempo reale dal sensore di posizione. Il valore di deviazione formato dal confronto tra i due diventa il parametro di input del successivo algoritmo di controllo.

Il nucleo del calcolo della deviazione risiede nell'introduzione dell'algoritmo PID. L'algoritmo regola dinamicamente l'intensità di uscita della corrente di azionamento attraverso una combinazione lineare di proporzione (P), integrazione (i) e differenziazione (D). Il termine proporzionale risponde direttamente all'attuale deviazione, il termine integrale elimina l'errore accumulato a lungo termine e il termine differenziale prevede la tendenza del cambiamento di deviazione. I tre lavorano insieme per rallentare l'attuatore quando si avvicinano alla posizione target per evitare l'oscillazione del superamento. Ad esempio, quando il sistema di controllo richiede che l'attuatore si sposti dalla posizione iniziale a 10 mm, il localizzatore di posizione continuerà a confrontare la deviazione tra la posizione effettiva e il valore target e regolare dinamicamente la corrente di trasmissione del motore attraverso l'algoritmo PID fino a quando la deviazione non si avvicina zero. Questo processo richiede non solo l'efficienza dell'algoritmo, ma anche la capacità di risposta in tempo reale del sistema hardware.

Come fonte di alimentazione dell'attuatore, le prestazioni del motore determina direttamente le caratteristiche dinamiche del sistema. Il motore CC senza spazzole è diventato la scelta mainstream per gli attuatori elettrici lineari a causa della sua coppia di avvio elevata e delle caratteristiche di fluttuazione a bassa velocità. Spinti dalla corrente elettrica, le uscite del motore sono il movimento di rotazione, ma gli scenari industriali spesso richiedono uno spostamento lineare, quindi la conversione della forma di energia deve essere ottenuta attraverso il meccanismo di trasmissione del riduttore e delle viti. Il riduttore riduce la velocità e aumenta la coppia attraverso il meshing degli ingranaggi, mentre la vite converte il movimento di rotazione in movimento lineare. Ad esempio, la vite a sfera può raggiungere l'accuratezza del posizionamento a livello di micron a causa della sua bassa attrito e alta efficienza; Mentre la vite trapezoidale utilizza la funzione di auto-blocco per mantenere invariata la posizione dell'attuatore quando la potenza è spenta, che è adatta per scenari che richiedono forza di mantenimento statico.

La progettazione del meccanismo di trasmissione deve tenere conto sia dell'accuratezza che dell'affidabilità. L'accuratezza dei piombo, la regolazione del precarico e il metodo di lubrificazione della vite a sfera influenzerà la ripetibilità del sistema e la durata di servizio. Alcuni attuatori di fascia alta usano una struttura a doppia dado pre-stretta per eliminare la clearance assiale attraverso elementi elastici, migliorando ulteriormente la rigidità della trasmissione. Inoltre, il livello di protezione della catena di trasmissione non può essere ignorato, specialmente in ambienti polverosi e umidi, in cui il design della tenuta e il rivestimento anticorrosivo possono efficacemente prolungare la vita dell'attrezzatura.

Il sensore di posizione è l '"occhio" del sistema a circuito chiuso e la sua precisione e stabilità determinano le prestazioni finali dell'attuatore. I potenziometri di plastica conduttivi riflettono le informazioni sulla posizione attraverso i cambiamenti nel valore di resistenza e hanno i vantaggi della struttura semplice e del basso costo, ma dopo l'uso a lungo termine, l'accuratezza può diminuire a causa dell'usura. Gli encoder digitali senza contatto realizzano il rilevamento della posizione attraverso principi fotoelettrici o magnetoelettrici e hanno le caratteristiche di alta risoluzione e lunga vita, che sono particolarmente adatti per scenari di movimento alternativi ad alta velocità e ad alta frequenza. Ad esempio, gli encoder incrementali determinano lo spostamento relativo mediante il conteggio degli impulsi, mentre gli encoder assoluti possono produrre direttamente codici di posizione unici per evitare il problema della perdita di posizione dopo l'interruzione dell'alimentazione.

L'elaborazione dei segnali di feedback deve essere strettamente coordinata con l'algoritmo di controllo. Dopo aver ricevuto il segnale del sensore, il localizzatore di posizione deve filtrare e linearizzarlo per eliminare l'interferenza del rumore e gli errori non lineari. Ad esempio, l'algoritmo del filtro Kalman può sopprimere efficacemente i segnali di vibrazione ad alta frequenza e migliorare il rapporto segnale-rumore del rilevamento della posizione. Allo stesso tempo, la frequenza di campionamento del segnale di feedback deve corrispondere al ciclo di controllo per garantire che il sistema possa rispondere ai disturbi esterni in modo tempestivo.

Le caratteristiche a circuito chiuso di Attuatori elettrici lineari Dai loro forti capacità anti-interferenza. Quando il carico esterno cambia improvvisamente o la tensione di alimentazione fluttua, la deviazione di posizione innesca la regolazione dinamica dell'algoritmo PID. Ad esempio, nello scenario di controllo della valvola, un improvviso aumento della pressione della conduttura può causare l'aumento della coppia di carico dell'attuatore. Al momento, il segnale di deviazione di posizione spingerà il motore ad aumentare la corrente di uscita per compensare la modifica del carico. L'interruttore del limite di coppia e il dispositivo di limite di viaggio costituiscono un livello di protezione hardware per prevenire il sovraccarico meccanico causato da un guasto del software.

La capacità adattiva del sistema si riflette anche nell'impostazione dei parametri. Il coefficiente di guadagno dell'algoritmo PID deve essere ottimizzato in base alle caratteristiche dell'attuatore e agli scenari di applicazione. Ad esempio, nel movimento alternativo ad alta frequenza, il peso differenziale deve essere aumentato per sopprimere il superamento; E in condizioni ad alto carico, l'effetto integrale deve essere aumentato per eliminare gli errori statici. Alcuni attuatori supportano la funzione di auto-tuning dei parametri, che realizza la configurazione ottimale dei parametri di controllo identificando automaticamente il modello di sistema.