Высокоскоростные сервосистемы

Когда говорят о высокоскоростных сервосистемах, часто представляют себе что-то футуристическое — мол, поставил и всё летает. На практике же, особенно в гидравлике, это в первую очередь вопрос баланса. Баланса между скоростью, точностью, надёжностью и, что немаловажно, тепловым режимом. Многие инженеры, особенно те, кто приходит из чисто электрического привода, недооценивают инерционность гидравлической среды на высоких скоростях. Кажется, раз насос может крутиться под 4000 об/мин, как у тех же шестерённых насосов серии VG, то и система в целом будет мгновенно откликаться. Но тут-то и кроется первый подводный камень — сама динамика наполнения и сжатия жидкости в контуре. Это не электроны по проводу.

Не просто насос, а сервопривод: где начинается настоящая скорость

Вот смотрите. Берём для примера ту же компанию ООО ?Викс Интеллектуальное Оборудование (Нинбо)?. У них в портфеле, если зайти на сайт https://www.vickshyd.ru, есть интересные вещи. Помимо классических высоконапорных насосов, они продвигают ABT сервопластинчатые насосы. Это уже шаг в сторону именно сервосистем. Почему? Потому что пластинчатая конструкция в сервоисполнении, как в сериях T6/T7, часто даёт меньше пульсаций на высоких оборотах по сравнению с некоторыми шестерёнными решениями. Меньше пульсаций — меньше возмущений в контуре, выше потенциальная точность позиционирования на скорости. Но это в теории.

На деле, при интеграции такой насосной группы в контур с сервоклапаном и, допустим, гидромотором серии NHM, возникает масса нюансов. Самый болезненный — это согласование динамических характеристик. Насос может быть быстрым, клапан — высокочастотным, а вот момент инерции нагрузки на валу мотора и жёсткость гидролиний сведут все преимущества на нет. Получается, что система в целом не ?высокоскоростная?, хотя каждый компонент по паспорту — звезда. Часто вижу такие проекты, где сборка похожа на гоночный болид из деталей от разных чемпионатов — вроде всё мощно, а слаженно не работает.

Поэтому для меня ключевой признак настоящей высокоскоростной сервосистемы — это проектирование всего контура как единого динамического объекта. И начинать нужно не с выбора самого дорогого сервоклапана, а с анализа реального требуемого ускорения массы и приёмлемой ошибки слежения. Иногда оказывается, что для задачи достаточно хорошего пропорционального клапана с правильно подобранным насосом с регулируемой производительностью, того же A10VSO, и не нужно гнаться за ультра-высокими частотами шины управления.

Тепло — невидимый враг скорости

Это, пожалуй, самый частый провал в полевых условиях. Высокая скорость работы подразумевает частые и быстрые циклы разгона-торможения. В гидравлике это прямой путь к интенсивному тепловыделению. Жидкость греется, её вязкость падает, начинаются утечки в зазорах тех же плунжерных насосов или моторов M4 серии, растёт время отклика — система ?плывёт?. И чем выше целевая скорость, тем острее проблема.

Один из наших неудачных опытов был как раз связан с прессом для высокоскоростной штамповки. Ставили систему на базе сервоклапана и насоса A4VSO. По расчётам на стенде всё сходилось. Но в реальном цикле, когда штамп делал 120 ходов в минуту, через полчаса работы температура масла в баке подбиралась к 70 градусам. Точность позиционирования штока упала на 40%. Пришлось срочно дорабатывать систему охлаждения и пересматривать графики ускорения, фактически снизив пиковую скорость для сохранения стабильности в течение смены.

Отсюда вывод, который теперь кажется очевидным: проектируя высокоскоростную сервосистему, нужно считать тепловой баланс с тем же усердием, что и частотные характеристики. И здесь как раз преимущество некоторых современных компонентов, например, тех же сервопластинчатых насосов ABT, которые, по заявлениям, имеют высокий объёмный КПД. Меньше внутренних утечек — меньше энергии переходит в тепло. Но проверить это можно только в составе конкретной системы, под конкретной нагрузкой.

Роль компонентов Викс в высокодинамичных контурах

Если возвращаться к продукции, которую предлагает Викс, то для построения скоростных систем интерес представляют не отдельные позиции, а их возможные комбинации. Например, связка: сервопластинчатый насос серии VQ (как источник с хорошей динамикой регулирования потока) + высокочастотный серво- или пропорциональный клапан (не их ассортимент, но они работают в таких схемах) + низкоинерционный гидромотор серии FMB/GHM для привода вращательного движения.

Особенно критичен выбор мотора. В каталоге на vickshyd.ru видно, что у них есть полный спектр гидромоторов, от NHM до EPMZ. Для высокоскоростных задач с вращательным движением ключевыми параметрами становятся не только рабочий объём и давление, но и момент инерции ротора, и пульсация момента. Моторы серии GHM, к примеру, часто позиционируются как высокоскоростные. Но ?высокоскоростной? в паспорте и ?высокоскоростной? в сервоконтуре — это разные вещи. Нужно смотреть графики частотной характеристики, которые редко есть в общем каталоге, их нужно запрашивать отдельно.

Шестерённые насосы серии VG, при всей их надёжности и способности работать на 4000 об/мин, в чистом виде для замкнутого сервоконтура с жёсткими требованиями по точности — не всегда лучший выбор. Они больше подходят для задач, где нужен высокий и стабильный поток, а регулирование скорости и позиции осуществляется дальше по контуру, клапаном. Это, опять же, вопрос правильного применения, а не абсолютного качества компонента.

Программируемая логика и ?железо?: что важнее?

Современные контроллеры позволяют компенсировать многие недостатки механики и гидравлики. Неидеальную характеристику клапана, люфты, даже некоторую нелинейность можно скорректировать в софте. Это создаёт иллюзию, что можно взять среднестатистические компоненты и сделать из них высокоскоростную сервосистему волшебством программирования. Опасное заблуждение.

Помню проект с системой позиционирования поворотной платформы. Ставили мотор M4C, стандартный пропорциональный распределитель и думали, что ПИД-регулятор в ПЛК всё вытянет. Задача была — поворот на заданный угол со скоростью 1.5 рад/с и точностью +/-0.5 мрад. Всё шло неплохо, пока не потребовалось работать с переменной нагрузкой на платформе. Алгоритм начал ?дергаться?, постоянно перенастраиваясь, появилась неустойчивость. Пришлось менять распределитель на более быстрый, с лучшей линейностью, и только после этого программные настройки смогли стабилизировать контур. ?Железо? задаёт физический предел возможностям системы, а софт лишь помогает максимально к нему приблизиться.

Поэтому при подборе компонентов, будь то насосы A10VSO от Викс или другие, всегда нужно оставлять запас по быстродействию ?в железе?. Если по расчётам нужна полоса пропускания контура в 20 Гц, то клапан должен стабильно работать на 30-40 Гц. И этот запас съест не только погрешности изготовления, но и неизбежное старение компонентов, и изменение свойств жидкости в процессе эксплуатации.

Итог: скорость как системное свойство

Так к чему же всё это? Высокоскоростная сервосистема — это не коробка с надписью ?высокоскоростная?, которую можно купить и подключить. Это свойство, которое emerges, проявляется, только при грамотной интеграции правильно подобранных компонентов. И здесь каталог, как у Викс, — это хорошая база, набор инструментов. Но инженер должен понимать, как эти инструменты взаимодействуют друг с другом в динамике.

Самая частая ошибка — фетишизация одного параметра, будь то частота вращения насоса или время отклика клапана. Настоящая скорость рождается в синергии: когда быстрый насос (например, сервопластинчатый ABT) питает оптимизированный по гидравлическим сопротивлениям контур, который управляется клапаном с подходящей динамикой и приводит в движение исполнительный механизм (мотор, цилиндр) с минимальной инерцией и максимальной жёсткостью. И всё это — с учётом теплового режима.

Поэтому, просматривая сайты поставщиков, вчитывайся не только в цифры давления и оборотов. Ищи данные по объёмному КПД в зависимости от скорости и давления, графики переходных процессов, рекомендации по использованию в замкнутых контурах. И помни, что даже самый совершенный компонент — это всего лишь часть головоломки под названием ?работоспособная система?. Собирать её — и есть наша работа.