Serwomechanizm

AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA
W KRAKOWIE
Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych
SERWOMECHANIZM
DZIAŁAJĄCY W UKŁADZIE
REGULACJI AUTOMATYCZNEJ
Wstęp teoretyczny
1
Serwomechanizmy jako układy regulacji
Serwomechanizmem nazywamy układ regulacji automatycznej ze wzmocnieniem mocy,
służący do precyzyjnego sterowania położeniem obiektu (np. klapą, zaworem, anteną, lufą
czołgu, sterem statku). Serwomechanizmy znajdują więc częste zastosowanie w
nowoczesnych maszynach technologicznych, precyzyjnych obrabiarkach, układach regulacji
temperatury czy też różnego rodzaju instalacjach odpylania, nawiewu hal przemysłowych itp.
Serwonapęd (serwomotor) stanowiący integralną część serwomechanizmu, to urządzenie
wykonawcze – najczęściej odpowiednio dobrany silnik elektryczny, przetwarzający sygnał
sterujący małej mocy na przesunięcie liniowe lub kątowe o dużej sile lub momencie siły. W
obecnie produkowanych urządzeniach stosuje się niemal wyłącznie układy
serwomechanizmów cyfrowych ze sterowaniem mikroprocesorowym, umożliwiające
realizowanie przemieszczeń z dokładnością rzędu mikrometrów.
W niniejszym opracowaniu przedstawiono na wstępie podstawowe, historyczne problemy
związane z budową, sterowaniem i analizą serwonapędów w oparciu o układ
serwomechanizmu przekaźnikowego z silnikiem szeregowym prądu przemiennego. W dalszej
części opisano wysokiej klasy układ serwomechanizmu z silnikiem bezszczotkowym ze
sterowaniem mikroprocesorowym oraz omówiono związaną z nim nową klasę problemów
pojawiających się w czasie montażu układu, w fazie jego konfiguracji oraz w okresie
późniejszej eksploatacji. Celem opracowania jest porównanie obu serwonapędów,
przeanalizowanie ich wad i zalet oraz zapoznanie czytelnika ze współczesnymi tendencjami w
rozwoju sterowania tego typu układami automatyki.
1
2
Serwomechanizm liniowy
Podstawowa konstrukcja układu regulacji drogi kątowej lub liniowej zawiera; zadajnik,
sumator, regulator, wzmacniacz mocy (zasilacz), serwomotor (element wykonawczy) obiekt (
ramię manipulatora - dla ruchu obrotowego lub stół montażowy – dla ruchu posuwistego)
oraz czujnik ( wraz z przetwornikiem) pomiarowy.
Konstrukcja układu regulacji drogi w ruchu posuwistym pokazana jest na rysunku 1.
RST
Rs
I
Rwe1
α
Uster
Rwe2
hz
Usα
ω(t)
α(t)
Rs
Ψe
-15 [V]
Uz
ha
Ua
Potencjometr
zadający
Regulator
proporcjonalny
Przekształtnik
tyrystorowy
nawrotny
Silnik
obcowzbudny
Stół
szlifierski
Rysunek 1 - układ regulacji drogi w ruchu posuwistym
W układzie tym zastosowano; silnik obcowzbudny prądu stałego jako serwomotor,
„nawrotny” przekształtnik tyrystorowy jako wzmacniacz mocy, zaś regulator drogi typu
proporcjonalnego oraz sumator zrealizowano jednoukładowo na bazie wzmacniacza
operacyjnego.
Równania reprezentujące własności statyczne oraz dynamiczne kolejnych elementów
serwomechanizmu;
„Silnik” (przyjmuje się, że indukcyjność w obwodzie twornika jest do pominięcia Lt=0);
dω (t )
= Me(t) ,
Me(t) = Ψe · I(t) , α(t) = ∫ ω(t)dt ,
Usα (t) = Ψe · ω(t) + I(t) · Rs , J·
dt
1
Rs
α (s)
1
G(s) =
·
=
, B = J·
Usα ( s )
Ψe s ⋅ ( B ⋅ s + 1)
Ψe 2
„Wzmacniacz mocy“ (przekształtnik tyrystorowy oraz transformator przekształtnikowy);
Usα(t) = Kp · Uster(t)
„Przekładnia”; ha(t) [m] = R[m] · α(t)[rd],
ha( s )
1
kvo
1
„Tor główny”; Go(s) =
·
= Kr · Kp ·
·R =
∆U ( s )
Ψe s ⋅ ( B ⋅ s + 1)
s ⋅ ( B ⋅ s + 1)
1
przy czym; kvo = Kr · Kp·
·R,
Ψe
 V  Uzaś[V ]
„Tor sprzężenia od drogi”; Ua(t) = Kpot · ha(t), przy czym; Kpot   =
lpot[m]
m
Transmitancja zastępcza dla powyższego serwomechanizmu;
Kz
G(s) =
,
2
2
Tn ⋅ s + 2 ⋅ ξ ⋅ Tn ⋅ s + 1
2
reprezentuje własności oscylacyjne procesu regulacji. Przykładowy przebieg pokazano na
rysunku 2.
y
χ
A1
yustal
t
t1
Rysunek 2 - przebieg odpowiedzi skokowej układu serwomechanizmu bez korekcji
Jedynym parametrem umożliwiającym korektę jakości procesu regulacji jest łączne
wzmocnienie toru otwartego; wzmocnienie regulatora i wzmacniacza mocy: „Kv” lub
sprzężenia zwrotnego: „Kpot”. Zatem nie istnieje możliwość jednoczesnego i niezależnego
wpływania na przeregulowanie „χ „ oraz chwilę czasową wystąpienia pierwszego maksimum
„t1”. Możliwość tę daje korekta powyższego układu poprzez wprowadzenie dodatkowego
sprzężenia od prędkości wału silnika (sprzężenie tachometryczne).
Otrzymuje się schemat blokowy pokazany na poniższym rysunku 3.
Uz
∆U
KR
Uster
1
1
KP ψe B
s+1
kt ω
Ua
ω
α
1
s
R
ha
kt
Kpot
Rysunek 3 - serwomechanizm ze sprzężeniem tachometrycznym
Analizując powyższy schemat można określić, że jest to sprzężenie od pochodnej wielkości
regulowanej. Możliwe do otrzymania przebiegi odpowiedzi skokowych (w układzie z
korekcją), pokazano na rysunkach 4 i 5.
y
χ2
yustal
t
t1
Rysunek 4 - rodzina przebiegów o tej samej wartości czasu t1
3
y
χ
yustal
t
t1
t2
Rysunek 5 - rodzina przebiegów o tym samym przeregulowaniu „χ”
Wspólną cechą obu rozwiązań jest oscylacyjny charakter przebiegu procesu regulacji.


1−ξ 2
e −ωn⋅ξ ⋅t
h (t) = A · Kz · 1 −
⋅ sin(ωn ⋅ 1 − ξ 2 ⋅ t + ϕ  przy czym; ϕ = arc tg
ξ


1−ξ 2
W obu przypadkach realizacji serwomechanizmu warto zwrócić uwagę na fakt, że:
1. intensywność sterowania obiektem (silnikiem) maleje wraz ze zmierzaniem do stanu
ustalonego,
przebiegi regulacji są typu oscylacyjnego (w efekcie tego istnieją powtarzające się odcinki
czasu, w których sterowanie osiąga małe a wręcz zerowe wartości ).
3
Serwomechanizm nieliniowy – z regulatorem o charakterystyce przekaźnikowej
Idea serwomechanizmu przekaźnikowego stanowi dość naturalne rozwinięcie idei
serwomechanizmu liniowego. Konieczność odtwarzania wymuszeń typu skokowego w
możliwie krótkim czasie, przy jednoczesnym „obciążeniu” zewnętrznym momentem
mechanicznym, wymaga wprowadzenia znacznych wartości wzmocnienia prędkościowego
„Kv”. Przy ograniczeniach wzmocnień regulatorów liniowych, regulator o charakterystyce
przekaźnikowej jest elementem zapewniającym duże wzmocnienie, szczególnie dla małych
wartości sygnału błędu regulacji.
Analiza własności serwomechanizmu „przekaźnikowego” dotyczy określenia przede
wszystkim jego stabilności lub niestabilności. Ponadto istotnym problemem jest sposób
dochodzenia do wartości zadanej. W wielu przypadkach mogą pojawić się oscylacje o
ograniczonej, lecz stałej amplitudzie - „cykl graniczny”.
Powyższy problem można rozważać dwoma metodami.
1 – metodą linearyzacji harmonicznej, w której własność elementu nieliniowego (regulator
przekaźnikowy) jest reprezentowana poprzez „funkcję opisującą”.
Jakość układu regulacji określa się w dziedzinie częstotliwościowej. W przypadku
stwierdzenia wystąpienia cyklu granicznego, metoda ta pozwala oszacować pulsację oraz
amplitudę drgań ustalonych.
2 – metodą płaszczyzny fazowej, w której jakość procesu określa się na podstawie kształtu
trajektorii fazowych wykreślonych na płaszczyźnie; x2 = f(x1) czyli prędkość = f (droga).
Podstawą tej metody jest więc przedstawienie własności serwomechanizmu – przy danej
charakterystyce regulatora przekaźnikowego - w dziedzinie czasu wychodząc bezpośrednio z
równań różniczkowych dla części elektromechanicznej (silnik wraz z manipulatorem).
3.1 Analiza jakości serwomechanizmu metodą płaszczyzny fazowej
Dla wygody zapisu matematycznego przyjmuje się współrzędne fazowe (zmienne stanu);
x1(t) = ε(t) = hzad – ha(t), x2(t) = dx1(t)/dt.
Takie przyjęcie współrzędnych oznacza
ustalenie linii przełączeń przekaźnika – a zarazem osiągnięcie stanu zadanego - przy x1=0
tzn. pokrywającej się z osią x2.
4
Zgodnie z wcześniej przytoczonym opisem własności dynamicznych elementów
wykonawczych serwomotoru równania stanu (różniczkowe) przyjmują postać;
dx1(t)/dt = x2(t), dx2(t)/dt = [-x2(t) – Kv · U],
przy czym U = M · sign(-x1), tzn U = +M dla x1<0, U = -M dla x1>0 .
dx 2(t )
x 2(t ) ± Kv
Równanie pojedynczej trajektorii fazowej można więc zapisać;
= ,
dx1(t )
B ⋅ x 2(t )
po rozdzieleniu zmiennych i scałkowaniu otrzymuje się; x1(t) - x 10 = - B(x2(t) – x 02 ± B Kv
ln ( x 2 ± Kv) /( x20 ± Kv) , [x
x 10 i
przy czym
x 02 oznaczają współrzędne warunków
początkowych, zaś znaki „ ± ” odpowiadają znakowi sygnału U. Rodzinę trajektorii fazowych,
trajektorię dla wybranych warunków początkowych pokazuje poniższy rysunek 6.
b)
a)
X1
x10
X2
kV
t
0
1
=+
=+
1
+1
u=
X1
x10
0
u=
=-1
x20
-kV
X2
kV
-1
x0
t
0
x20
-kV
Rysunek 6 - trajektorie fazowe serwomechanizmu nieliniowego z ograniczeniem prędkości
Analiza rodziny trajektorii fazowych oraz przebiegu zmiennej x2(t) wyjaśnia dość
powszechne określenie; „regulacja z ograniczeniem prędkości”.
W praktyce możliwa jest modyfikacja układu regulacji poprzez wprowadzenie „lokalnej”
pętli regulacji prądu. W tej konstrukcji sygnał sterujący pochodzący z przekaźnikowego
regulatora położenia jest sygnałem zadającym dla regulatora prądu. W konsekwencji sygnał
wyjściowy z regulatora prądu jest sygnałem sterującym przekształtnikiem tyrystorowym. W
tym przypadku równania stanu przyjmą postać;
dx1(t)/dt = x2 , dx2(t)/dt = - Ka · U .
Ka ⋅ U
.
Równanie pojedynczej trajektorii fazowej można zapisać; dx2(t)/dx1(t) = x2
Po rozdzieleniu zmiennych i scałkowaniu otrzymuje się; x1 - x 10 = ± [x 22 - (x 02 ) 2 /(2*Ka)].
Trajektorie są parabolami. W tym przypadku stosuje się określenie; „regulacja z
ograniczeniem przyspieszenia”. Rodzinę trajektorii fazowych, oraz trajektorię dla wybranych
warunków początkowych pokazuje poniższy rysunek 7.
5
b)
X1
x10
a)
X2
u=+1 1
=+
t
1
=+
x10
0
X1
X2
0
1
u=-
=-1
x20
x0
t
0
x20
Rysunek 7 - trajektorie fazowe serwomechanizmu nieliniowego z ograniczeniem przyspieszenia
W obu powyższych przypadkach portrety fazowe układu regulacji wykazują znaczną
niedoskonałość procesu regulacji. Sterowanie przekaźnikowe uzależnione tylko od jednej
zmiennej – w tym przypadku od x1 – powoduje powstanie długotrwałych oscylacji przy
dochodzeniu do stanu ustalonego lub też powstają ustalone oscylacje wokół wartości zadanej;
układ jest na granicy stabilności.
3.2 Korekcja działania serwomechanizmu przekaźnikowego
• Sprzężenie tachometryczne
Podobnie jak w przypadku liniowym tak i w regulacji przekaźnikowej radykalną zmianę
jakości układu regulacji uzyskuje się przez wprowadzenie dodatkowego sprzężenia od
prędkości (pochodnej z wykonywanej drogi liniowej bądź kątowej). Tym razem sygnał
dochodzący ze strony obiektu do przekaźnika ma postać: x1 + Kt*x2. Wobec tego sterowanie
U jest określone zależnością: U = M * sign[x1(t)+Kt*x2(t)]. Na płaszczyźnie fazowej pojawia
się linia przełączeń określona zależnością: x2 = - x1/Kt (poprzednio x1 = 0) – rysunek 8.
X2
0
X1
Rysunek 8 - rodzina trajektorii dla sprzężenia tachometrycznego
Ta modyfikacja układu pozwala na wyraźne zmniejszenie ilości istotnych oscylacji oraz ich
amplitudy w trakcie dochodzenia do stanu ustalonego.
6
• Regulator od zmiennych stanu
Analizując powyższe przypadki można wysnuć wniosek: ostatni etap regulacji – hamowanie
należy przeprowadzić zgodnie z trajektorią przechodzącą przez środek układu współrzędnych.
Ogólnie można powiedzieć, że: „najlepszy” serwomechanizm – serwomechanizm
czasooptymalny, realizujący w najkrótszym czasie zadanie przestawiania jest
serwomechanizmem przekaźnikowym z nieliniowym sprzężeniem od prędkości. Poniżej na
rysunku 9 podane są portrety fazowe serwomechanizmu czasooptymalnego dla obu powyżej
przytoczonych realizacji.
a)
a)
X2
u=+1
u=-1 0
X2
u=+1
u=-1
0
X1
t2
X1
t2
t1
t1
OGRANICZENIE PRĘDKOŚCI
b)
OGRANICZENIE PRZYSPIESZENIA
b)
X1
X1
t
t1
0
t
t2
u=-1
t1
0
u=+1
u=-1
X2
t2
u=+1
X2
t
t
0
0
Rysunek 9 - trajektorie fazowe serwomechanizmu czasooptymalnego
Schemat blokowy algorytmu regulatora czasooptymalnego dla przypadku regulacji z
ograniczeniem przyspieszenia, przedstawia poniższy rysunek 10.
1
2M
x20
-x1
-1
x1
-1
2M
x2
2
x2
u
M
mnoż.
-M
x1
Rysunek 10 - schemat regulatora czasooptymalnego
7
4
Wnioski – dla serwomechanizmów liniowych i nieliniowych
Porównując powyższe rozwiązania techniczne oraz uzyskiwane jakości procesów
regulacji można wyciągnąć wniosek, że najlepszym rozwiązaniem jest takie, które w
minimalnym czasie doprowadza do osiągnięcia stanu ustalonego.
W rozwiązaniu z regulacją ciągłą zagadnienie syntezy – po wprowadzeniu dodatkowego
sprzężenia od prędkości - sprowadza się w efekcie do otrzymania procesu regulacji z
ograniczoną oscylacją co do intensywności jak i ilości „wyraźnych” oscylacji przy relatywnie
krótkim czasie uzyskania stanu ustalonego.
W rozwiązaniu przekaźnikowym, wprowadzenie dodatkowego sprzężenia od prędkości daje
efekt podobny do powyższego. Dodatkowo zrealizowanie krzywej komutacji zgodnej z
podstawowa trajektorią fazową układu doprowadza do uzyskania żądanej drogi w
skończonym – minimalnym czasie.
Istotnym jest utrzymanie w procesie regulacji stałego, maksymalnego sterowania podanego
na silnik. Taki stan zapewnia pokonanie oporów ruchu w procesie regulacji. Efekt ten
uzyskuje się w regulacji przekaźnikowej. W najprostszych konstrukcjach serwomechanizmów
bez konieczności wprowadzania dodatkowego sprzężenia tachometrycznego spełnienie – w
pewnym zakresie – powyższych rezultatów uzyskiwano poprzez zastosowanie regulatora
przekaźnikowego; trójstanowego z histerezami..
Charakterystykę regulatora oraz możliwy proces regulacji prezentuje poniższy rysunek 11.
X2
u
ε
X1
-1
u=+M
u=0
u=-M
Rysunek 11 - charakterystyka regulatora i obraz fazowy procesu regulacji
Na podstawie powyższego portretu fazowego serwomechanizmu można stwierdzić, że
zastosowanie strefy nieczułości i histerez przy jednoczesnym braku dodatkowego sprzężenia
pozwala uzyskać proces regulacji o ograniczonej ilości oscylacji. Skutkiem jednak jest
niezerowa wartość błędu regulacji w stanie ustalonym. Serwomechanizmy o opisanej
wcześniej konstrukcji stosowano w licznych układach automatyki.
8
5
Serwomechanizm cyfrowy ze sterownikiem AXV i silnikiem bezszczotkowym
Serwomechanizm ze sterownikiem AXV to zaawansowany technologicznie układ
reprezentujący nową koncepcję sterowania układów napędowych. Jej rozwój możliwy stał się
dopiero po zastosowaniu w układach automatyki mikroprocesorów i procesorów
sygnałowych (DSP). Prezentowany układ automatyki to bardzo szybki serwonapęd zaliczany
do grupy napędów falownikowych, którego sterownik bazuje na procesorze DSP VECON i
umożliwia uzyskanie kontroli układu w czasie rzeczywistym oraz jego współpracę z
oprogramowaniem komputerowym, pozwalającym na bezpośrednie zadawanie i zmianę
parametrów układu oraz na bieżącą kontrolę jego stanu. Zastosowany w tym serwonapędzie
falownik oparty na tranzystorach IGBT umożliwia bezstopniową regulację częstotliwości i
amplitudy napięcia podawanego na silnik, a tym samym płynną regulację jego prędkości
obrotowej. Istotnym elementem w całym układzie serwomechanizmu, decydującym o jego
zaawansowanych możliwościach sterowania, jest układ zasilający silnik w połączeniu z
mikroprocesorowym sterownikiem i oprogramowaniem zainstalowanym na komputerze PC.
W sposób schematyczny omawiany serwomechanizm przedstawiono na rysunku 12, gdzie
wyróżniono jego podstawowe elementy składowe.
Rysunek 12 - schemat blokowy serwomechanizmu z silnikiem bezszczotkowym
Układ zasilający przetwarza napięcie przemienne trójfazowe o stałej częstotliwości z sieci
zasilającej (zewnętrznej), na napięcie stałe, a następnie to napięcie stałe zamienia na napięcie
zmienne o regulowanej częstotliwości i amplitudzie. Umożliwia to pełną i płynną regulację
prędkości silnika bezszczotkowego.
Elementy składowe serwomechanizmu to zaznaczone na rysunku 12 kolejno:
1. Napięcie zasilające (zewnętrzna linia zasilająca).
2. Trójfazowy mostek prostowniczy.
3. Obwód pośredniczący – zawiera kondensatory wygładzające. Napięcie stałe ma wartość
U DC = 2 ⋅ U ZAS , gdzie: U ZAS - napięcie linii zasilającej
4. Falownik (inwertor) z tranzystorami IGBT. Przetwarza napięcie stałe na zmienne
trójfazowe z regulowaną amplitudą i częstotliwością.
5. Konfigurowalny sterownik układu serwomechanizmu. Zawiera elementy sterujące
układem, podłączone sprzężenia zwrotne oraz zapewnia połączenie z komputerem PC i
oprogramowaniem.
6. Napięcie wyjściowe. Napięcie zmienne o regulowanej wartości w zakresie od
0 − 95% ⋅U ZAS .
7. Enkoder, układ pomiarowy prędkości i położenia wirnika w silniku. Połączony w pętlę
sprzężenia zwrotnego dla regulacji prędkości i położenia napędu.
9
M. Silnik bezszczotkowy, w którym magnesy trwałe umieszczono w wirniku, zaś uzwojenia
stojana zasilane są z inwertora tranzystorowego IGBT, zapewniającego tzw. komutację
elektroniczną, czyli odpowiednie przełączanie napięć na kolejne uzwojenia w stojanie
silnika.
Serwomechanizm falownikowy z bezstopniową regulacją częstotliwości (prędkości) pracuje
jako układ automatycznej regulacji, czyli posiada pętlę sprzężenia zwrotnego
prędkościowego. Ze względu na zastosowanie sterowanych elementów półprzewodnikowych
(tranzystory, tyrystory), konieczne jest również połączenie pętli sprzężenia prądowego,
regulującego przepływ prądu przez silnik. Ta pętla jest podrzędna w stosunku do układu
regulacji prędkości. Dla zapewnienia precyzyjnego określenia położenia wału silnika, jak
również dostarczenia informacji niezbędnych dla prawidłowej realizacji komutacji
elektronicznej w sterowniku układu, konieczne jest również zastosowanie pętli sprzężenia
zwrotnego położeniowego.
Zastosowanie zaawansowanego cyfrowego sterowania napędem serwomechanizmu
umożliwia uzyskanie następujących funkcji automatyki:
• Sterowanie i kontrola momentu obrotowego.
• Regulacja prędkości oraz przyspieszenia napędu.
• Nastawianie, kontrola i precyzyjne sterowanie położeniem wału silnika.
• Możliwość uzyskania synchronicznej pracy 2 i więcej napędów na drodze połączenia
elektrycznego.
Ponadto w sterowniku wbudowane są dodatkowe urządzenia i interfejsy umożliwiające
podłączanie do niego dodatkowych urządzeń i sygnałów z zewnątrz:
• 3 wejścia analogowe różnicowe (11 bitów + znak).
• 4 wyjścia analogowe (9 bitów + znak).
• 8 programowalnych wejść cyfrowych.
• 8 programowalnych wyjść cyfrowych.
• 1 wyjście przekaźnika 1A 250V (napęd OK).
• 1 cyfrowy port rozszerzeń I/O (12 wejść + 4 wyjścia).
• 1 port RS 485 asynchroniczny z optoizolacją.
2 szybkie synchroniczne porty szeregowe P2P dla komunikacji między napędami.
5.1 Podstawowe parametry elektryczne serwonapędu
Sterownik serwomechanizmu może być zasilany z sieci trójfazowej, w zakresie napięć
200 VAC (-15%) do 460 VAC (+10%). Można również zasilić układ z sieci jednofazowej
230 VAC, w ten sposób zmniejszając moc o 40%.
Częstotliwość sieci zasilającej: 40-70 Hz (± 15%).
W układzie laboratoryjnym zastosowano sterownik firmy SIEI: AXV 6/9, zasilany z sieci
trójfazowej 3x400VAC o następujących parametrach (tabela 1):
Moc znamionowa: 2,8 kW
Sprawność: 96,5 %
Tabela 1 - podstawowe parametry elektryczne serwonapędu
Zasilanie 230 VAC
5A
8
9
Zasilanie 400 VAC
Zasilanie 460 VAC
Prąd zasilania długookresowy (ciągły)
5A
5A
Prąd wyjściowy znamionowy długookresowy (ciągły)
6
5
Prąd wyjściowy maksymalny (5 minutowy)
9
9
10
5.2 Złącza i interfejsy sterownika AXV – obudowa zewnętrzna
Rozmieszczenie wszystkich złącz na obudowie sterownika AXV pokazano na rysunku 13.
X4
porty szeregowe
złącze S2 - enkder
X3
X2
złącze S1 - enkder
SWITCH 120
RS 485 (X1)
złącze C2
LED-info
sekcja zasilania
złącze C1
Rysunek 13 - złącza i interfejsy sterownika
•
Sekcja zasilania i hamowania
Opis złącza dla przyłączenia zasilania sieciowego oraz rezystora hamującego zamieszczono
w tabeli 2.
Tabela 2 - opis złącza zasilania zewnętrznego
Kontakt
U
V
W
L1
L2
L3
BRDC+
DCBR+
Opis
Faza U dla silnika
Faza V dla silnika
Faza W dla silnika
Faza L1 zasilania
Faza L2 zasilania
Faza L3 zasilania
Do podłączenia zewnętrznego rezystora hamującego (brake resistor)
Dodatni biegun obwodu prądu stałego
Ujemny biegun obwodu prądu stałego
Do podłączenia zewnętrznego rezystora hamującego (brake resistor)
(aby użyć rezystancję wewnętrzną połącz z DC+)
Na listwie łączeniowej zasilania znajdują się również końcówki łączeniowe rezystancji
hamującej. Wszystkie serwonapędy SIEI są wyposażone w wewnętrzny układ hamowania
działający w oparciu o układ mostka tranzystorowego IGBT, umożliwiający rozpraszanie
ciepła przy niewielkich prędkościach (niewielka ilość ciepła, niewielkie moce). Dostępna jest
również pewna standardowa wewnętrzna rezystancja hamująca, której średnia moc wynosi
100W, a dopuszczalny prąd: 6A (sterownik AXV 6/9). W celu załączenia standardowej
rezystancji wewnętrznej należy wykonać mostek łączeniowy pomiędzy końcówkami DC+ i
BR+ na złączu zasilania (tabela 2). Ten wariant zastosowano przy prowadzonych pracach
laboratoryjnych.
11
Jeżeli moce wydzielane w trakcie hamowania są większe, należy dołączyć rezystancję
zewnętrzną o odpowiedniej wartości i zakresie mocy. Postępowanie dla obu przypadków i
sposób połączeń pokazano na rysunku 14.
BR-
BRRBR
DC+
DC+
DC-
DC-
BR+
BR+
Rysunek 14 - sposób załączenia dodatkowego rezystora hamującego (zewnętrznego)
Sugerowana znormalizowana rezystancja zewnętrzna dla napędu wykorzystywanego na
stanowisku wynosi: Rezystancja: 80 [Ohm]
Moc: 0,9 [kW]
•
Sekcja regulacji i kontroli napędu
Złącza należące do tej sekcji umożliwiają podanie do sterownika niezbędnych sygnałów
napięciowych lub prądowych z zewnątrz, pobranie sygnałów kontrolnych ze sterownika do
urządzeń pomiaru i kontroli (mierniki elektryczne, oscyloskop itp.) oraz połączenie pomiędzy
sterownikiem, a elementem wykonawczym – silnikiem bezszczotkowym.
Złącze C1
Opis złącza terminalu C1 zamieszczono w tabeli 3.
Tabela 3 - złącze C1
Oznaczenie
1 R0P
2 R0N
3 R1P
4 R1N
5 AO0
6 AO1
7 GND
8 DI0
9 DI1
10 DI2
11 DI3
12 DO0
13 DO1
14 DO2
15 DO3
16 RLM
17 RLO
18 RLC
19 24V
20 0V
Funkcja
wejście analogowe 0 positive
wejście analogowe 0 negative
wejście analogowe 1 positive
wejście analogowe 1 negative
wyjście analogowe 0
wyjście analogowe 1
Analogowa "masa" GND
cyfrowe wejście 0
cyfrowe wejście 1
cyfrowe wejście 2
cyfrowe wejście 3
cyfrowe wyjście 0
cyfrowe wyjście 1
cyfrowe wyjście 2
cyfrowe wyjście 3
Styk wspólny przekaźnika
Styk przekaźnika – normal open
Styk przekaźnika – normal close
Zewnętrzne zasilanie karty regulatora
Wspólne zewnętrzne zasilanie
Opis
±10V , Zin = 10 kohm
±10V , Zin = 10 kohm
±10V , Zin = 10 kohm
±10V , Zin = 10 kohm
±10V, 5mA
±10V, 5mA
0V
24-30V , 6,6 kohm
24-30V , 6,6 kohm
24-30V , 6,6 kohm
24-30V , 6,6 kohm
24V, 100mA, PNP otwarty kolektor
24V, 100mA, PNP otwarty kolektor
24V, 100mA, PNP otwarty kolektor
24V, 100mA, PNP otwarty kolektor
250Vac, 1A resistive
250Vac, 1A resistive
250Vac, 1A resistive
24-30Vdc, 600mA
0V
12
Złącze C2
Tabela 4 - złącze C2
Oznaczenie
1 R2P
2 R2N
3 AO2
4 AO3
5 GND
6 DI4
7 DI5
8 DI6
9 DI7
10 DO4
11 DO5
12 DO6
13 DO7
14 REA
15 REB
16 REI
Funkcja
wejście analogowe 2 positive
wejście analogowe 2 negative
wyjście analogowe 2
wyjście analogowe 3
analogowa "masa" GND
cyfrowe wejście 4
cyfrowe wejście 5
cyfrowe wejście 6
cyfrowe wejście 7
cyfrowe wyjście 4
cyfrowe wyjście 5
cyfrowe wyjście 6
cyfrowe wyjście 7
powtórzenie przetwornika kanał A
powtórzenia przetwornika kanał B
powtórzeń przetwornika kanał I
Opis
±10V , Zin = 10 kohm
±10V , Zin = 10 kohm
±10V, 5mA
±10V, 5mA
0V
24-30V , 6,6 kohm
24-30V , 6,6 kohm
24-30V , 6,6 kohm
24-30V , 6,6 kohm
24V, 100mA, PNP otwarty kolektor
24V, 100mA, PNP otwarty kolektor
24V, 100mA, PNP otwarty kolektor
24V, 100mA, PNP otwarty kolektor
24V, 100mA, NPN otwarty kolektor
24V, 100mA, NPN otwarty kolektor
24V, 100mA, NPN otwarty kolektor
Złącze S2
Tabela 5 - złącze S2
Oznaczenie
1 ENC A
2 ENC B
3 ENC I
4 GND
5 COS 6 SIN 7 HALL 1
8 HALL 2
9 HALL 3
10 GND
11 PTC+
12 RESEX
13 GND
14 ENC A15 ENC B16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
ENC ICOS
SIN
GND
HALL 1HALL 2HALL 3ABREN
RESEX
AUX+
Funkcja
Analogowo/cyfrowe wejście przetwornika kanał A
Analogowo/cyfrowe wejście przetwornika kanał B
Analogowo/cyfrowe wejście przetwornika kanał I
analogowa "masa" GND
Wejście analogowe przetwornika COS negative
Wejście analogowe przetwornika SIN negative
Czujnik Hall'a 1 positive
Czujnik Hall'a 2 positive
Czujnik Hall'a 3 positive
Analogowa "masa" GND
Cyfrowe wejście monitora ochrony termicznej
Analog output resolver negative exitation
analogowa "masa" GND
Analogowo/cyfrowe wejście przetwornika kanał A
negative
Analogowo/cyfrowe wejście przetwornika kanał B
negative
Analogowo/cyfrowe wejście przetwornika kanał I
negative
Wejście analogowe przetwornika COS
Wejście analogowe przetwornika SIN
analogowa "masa" GND
czujnik Hall'a 1 negative
czujnik Hall'a 2 negative
czujnik Hall'a 3 negative
Enable resolver supply
Analog output resolver positive exitation
Programowalne zasilanie przetwornika
Opis
1V pk-pk / 0 ... 5V
1V pk-pk / 0 ... 5V
1V pk-pk / 0 ... 5V
0V
1V pk-pk absolute one cycle
1V pk-pk absolute one cycle
0 ... 5V, prostokąt
0 ... 5V, prostokąt
0 ... 5V, prostokąt
0V
2V pk-pk / 8kHz
0V
1V pk-pk / 0 ... 5V
1V pk-pk / 0 ... 5V
1V pk-pk / 0 ... 5V
1V pk-pk absolute one cycle
1V pk-pk absolute one cycle
0V
0 ... 5V, prostokąt
0 ... 5V, prostokąt
0 ... 5V, prostokąt
poziom niski - aktywne
2V pk-pk / 8kHz
4.5 ...15V / 250mA
13
Złącze to służy do połączenia enkodera umieszczonego przy silniku ze sterownikiem.
Połączenie sterownika z tym terminalem dokonywane jest z wykorzystaniem 25 żyłowego
kabla z odpowiednim 25 pinowym złączem (D-sub). Szczegółowy opis złącza S2
zamieszczono w tabeli 5.
Złącze S1
Złącze to wykorzystywane jest w synchronicznym trybie pracy kilku połączonych ze sobą
serwonapędów, do przyłączenia nadrzędnego enkodera (enkoder – Master). W naszych
pracach laboratoryjnych nie jest ono wykorzystywane.
•
Sekcja komunikacji i informacji
Złącza w tej sekcji służą do komunikacji sterownika z komputerem PC i oprogramowaniem
formowym, programowania oraz wprowadzania zmian w nastawach serwonapędu, a także
wymiany informacji pomiędzy wieloma napędami pracującymi w trybie synchronicznym.
Złącze RS485
Pozwala na komunikację sterownika napędu z komputerem PC, na którym zainstalowane jest
oprogramowanie firmowe. Jeżeli komputer nie jest wyposażony w port szeregowy RS 485,
wtedy należy zastosować konwerter RS 232/RS 485. Na naszym stanowisku zastosowano
dedykowany firmowy konwerter produkcji SIEI, PCI-485. Sterownik AXV używa firmowego
protokołu komunikacyjnego Slink-3. Linie interfejsu RS 485 przyłączyć należy poprzez
dodatkową rezystancję 120 Ohm, dołączaną włącznikiem na panelu sterownika (SWITCH
120).
Sposób połączenia komputera ze sterownikiem, oraz blokowy schemat wewnętrzny
konwertera pokazano na rysunku 15.
sterownik
AXV
XS2
PCI-485
switch’e
w pozycji “ON”
oznaczenia wejść
konwertera
X1
XS1
kabel 9 żyłowy
Rysunek 15 - połączenie komunikacyjne: komputer-sterownik oraz schemat blokowy konwertera
Złącze X1 sterownika łączymy poprzez kabel 9 żyłowy ze złączem XS1 konwertera. Nie jest
konieczne stosowanie żadnych dodatkowych zasilaczy do konwertera. Niezbędne zasilanie
(+5V DC) jest dostarczane poprzez odpowiednie piny w złączu komunikacyjnym z płyty
głównej sterownika.
Złącze X3, X4
Złącza wykorzystywane do szybkiego połączenia pomiędzy napędami przy synchronicznym
trybie pracy kilku napędów. W naszym stanowisku laboratoryjnym nie są one
wykorzystywane.
14
Dioda LED – info
Dioda LED umieszczona na panelu frontowym sterownika AXV, wykorzystana jest do
informacji o aktualnym stanie pracy układu oraz o ewentualnych stanach alarmowych. Jeżeli
nie występują stany awaryjne, LED świeci na zielono. Przy aktywnej linii komunikacji
RS485, dioda świeci na żółto. W momencie wystąpienia alarmu LED zaczyna mrugać,
wyświetlając określoną sekwencję, określającą kod źródłowy danego alarmu. Sekwencja to 5
kolejnych błysków, przerywanych pauzami. Błyski interpretujemy jako:
wartość 0
LED zielony
wartość 1
LED czerwony
Przykład: Jeżeli sekwencja wygląda następująco:
zielony →
zielony →
czerwony →
czerwony →
czerwony →
0 x ( 24 ) = 0
0 x ( 23 ) = 0
1 x ( 22 ) = 4
1 x ( 21 ) = 2
1 x ( 20 ) = 1
suma wynosi 7, co oznacza kod alarmu nr 7 (Przegrzanie silnika)
Opis kolejnych kodów alarmów oraz odpowiadających im stanów awaryjnych w układzie
serwomechanizmu, zamieszczony jest w szczegółowej instrukcji obsługi sterownika AXV,
dostarczonej przez producenta w wersji anglojęzycznej (www.siei.it).
5.3 Tryby pracy serwomechanizmu
Serwomechanizm z silnikiem bezszczotkowym posiada trzy tryby pracy: tryb regulacji
prędkości – prędkościowy, tryb regulacji (nastawy) położenia – pozycyjny oraz tryb pracy
synchronicznej kilku napędów połączonych ze sobą elektrycznie i wymieniających ze sobą
informacje poprzez szybkie złącze szeregowe (AXV-NET). Układ zaprogramowany jest
fabrycznie do realizacji trybu regulacji prędkości (tryb podstawowy). Kolejne z trybów pracy
można uzyskać po przeprogramowaniu sterownika oraz odpowiedniej zmianie sygnałów
zewnętrznych podawanych na jego wejścia oraz zbieranych z jego wyjść. W naszych pracach
laboratoryjnych wykorzystywane są dwa pierwsze ze wspomnianych trybów pracy układu.
Tryb trzeci wymaga posiadania co najmniej dwóch napędów i z tego też względu nie jest
realizowany w trakcie ćwiczeń.
Sposoby programowania sterownika oraz realizacja odpowiednich połączeń zewnętrznych dla
pracy układu w trybie regulacji prędkości i położenia stanowią integralną cześć ćwiczenia
laboratoryjnego i dlatego też zamieszczone zostały w dalszej części instrukcji dotyczącej jego
realizacji praktycznej.
6
Wnioski – dla serwomechanizmu cyfrowego
W aktualnych rozwiązaniach technicznych dzięki zastosowaniu silników nowoczesnej
konstrukcji, zasilaczy zbudowanych z elementów energoelektronicznych oraz zastosowaniu
odpowiednich algorytmów sterowania cyfrowego zapewniono spełnienie wszystkich wyżej
postawionych wymagań. A więc ograniczenie przyspieszenia, ograniczenie prędkości ,
ograniczenie prądu, wykonanie zadania w skończonym (minimalnym) czasie.
Serwomechanizm o tej konstrukcji jest przedmiotem badań w trakcie ćwiczenia
laboratoryjnego.
15