Pozycjonowanie urządzeń pomiarowych z napędem

Pozycjonowanie urządzeń pomiarowych z napędem

Pozycjonowanie urządzeń pomiarowych
z napędem krokowym
Witold Ober
Małe napędy z silnikami krokowymi, pozwalające na precyzyjne pozycjonowanie,
potrafią wyeliminować droższe napędy w warunkach przemysłowych
nie tylko w urządzeniach technologicznych, ale i pomiarowych.
Firma WObit ze swoją obszerną ofertą silników krokowych i produkowanych
w Poznaniu sterowników oraz ofertą bezstykowych metod pomiarowych
wychodzi naprzeciw zapotrzebowaniu na ekonomiczny pomiar
i pozycjonowanie w różnych dziedzinach produkcji.
orzystając z najnowszych układów
scalonych i komponentów specjalistycznych firm, takich jak Trinamic, firma WObit opracowuje i produkuje coraz
nowsze sterowniki silników krokowych
i urządzenia z zakresu pozycjonowania,
oferując obok czujników ważny asortyment techniki liniowej, pozwalający na
budowę kompletnych urządzeń pomiarowych i wykonawczych. Jednocześnie,
co rzadkie nie tylko na polskim rynku,
WObit stara się popularyzować zdobytą
na temat małych napędów wiedzę oraz
sprzedaje potrzebne do budowy sterowników komponenty, wspomagając również konkurencyjne rozwiązania.
Mikrokrok dla precyzyjnego
pozycjonowania
Praca z mikrokrokiem polega na obracaniu polem magnetycznym stojana
w sposób bardziej płynny niż w sterowaniu pełno- i półkrokowym, dzięki tworzeniu wielu progów prądowych, co pozwala na uzyskiwanie dodatkowych pozycji rotora. Powoduje to mniejsze drgania
i umożliwia niemal bezszumowe poruszanie się silnika nawet przy bardzo małych prędkościach bez przekładni mechanicznej aż do zatrzymania. Dzięki pracy
z mikrokrokiem możliwe jest uzyskanie
mniejszych kroków i pozycjonowania
o większej rozdzielczości.
Rotor będzie poruszał się znacznie
gładszym ruchem przy niskich częstotliwościach, ponieważ pole magnetyczne
stojana, które określa stabilną pozycję rotora, porusza się bardziej płynnie w porównaniu ze sterowaniem pełno- i półkrokowym. W wielu zastosowaniach praca
mikrokrokowa pozwala zwiększyć efektywność systemu, a także zmniejszyć jego złożoność i koszt w porównaniu z pra-
44 l Nr 7/8 l Lipiec – Sierpień 2009 r.
cą pełno- i półkrokową. Mikrokrok może
być użyty w celu rozwiązania problemów
z rezonansami, a także w celu zwiększenia dokładności i rozdzielczości.
Z wykresu na rys. 1 widać, że praca
półkrokowa w porównaniu z pełnokrokową ogranicza energię wzbudzającą rezonans do 29%. Jeśli rozpatrywać mikrokrok o podziale 1/32, pozostaje tylko
0,1% energii pełnego kroku niezbędnej
do wykonania ruchu, co oznacza automatycznie radykalne zmniejszenie możliwości wystąpienia niepożądanych zjawisk związanych z rezonansem. Urządzenia pomiarowe wymagają precyzyjnego
przemieszczania z kontrolą pozycji bez
gwałtownych skoków wskutek przesterowania czy drgań.
Kiedy silnik sterowany jest przy małej
prędkości z pełnym krokiem lub półkrokiem, ruch staje się nieciągły i charakteryzuje się dużym poziomem zakłóceń
i drgań, szczególnie w obszarze częstotliwości w pobliżu i poniżej naturalnej
częstotliwości układu. Mikrokrokowe
sterowanie pozwala natomiast w łatwy
i bezpieczny sposób rozszerzyć zakres
częstotliwości w dół (do 0 Hz). Zwykle
jest wtedy konieczne zastosowanie po-
% energii przy pełnym kroku
K
Długość kroku względem pełnego kroku
Rys. 1. Względna energia wzbudzająca
jako funkcja długości kroku elektrycznego
(podziału)
działu krokowego większego niż 1/32
pełnego kroku. Przy tak małym kroku
energia przekazana rotorowi przy jednym
kroku elektrycznym wynosi tylko 0,1%
energii pełnego kroku, czyli jest tak mała,
że może być z łatwością pochłonięta przez
wewnętrzne tarcie w silniku. Nie powstają
wtedy groźne drgania ani silnik nie wybiega w danej chwili poza swoje pożądane
położenie. Odchylenie kolejnych pozycji
mikrokrokowych rotora od pozycji idealnej zależy wtedy w głównej mierze od
użycia nieskompensowanych przebiegów
wejściowych sinus/cosinus.
Chociaż układ elektroniczny służący
do pracy z mikrokrokiem jest bardziej
złożony niż w przypadku pełnego czy
półkroku, całkowita złożoność systemu
wraz z silnikiem, przekładnią i elementami przenoszenia napędu jest mniejsza,
wiąże się zatem z mniejszymi kosztami.
Zastosowanie pracy mikrokrokowej może
wpłynąć na uproszczenie przekładni i mechanizmów tłumiących drgania, ułatwia
też wybór silnika.
Układy scalone do pracy
mikrokrokowej
Produktem z rodziny układów scalonych Trinamic, skupiającym w jednym
czipie wymagane funkcje do pracy mikrokrokowej silnika, jest kontroler ruchu dla bipolarnych silników krokowych
TMC236 zawierający stopnie mocy. Pozwala na uzyskanie prądu 1,5 A na fazę bez konieczności stosowania dodatkowych urządzeń chłodzących. Wbudowana
kontrola prądu płynącego przez uzwojenia silnika oraz funkcja programowania szybkości narastania zbocza wpływa
na zmniejszenie emisji zakłóceń EMV
(poprzez zmniejszenie harmonicznych).
Dzięki małej powierzchni (rys. 2) i wysokiej efektywności nadaje się do zastosowań w miniaturowych i bateryjnych
układach sterowania. Układy TMC236
produkowane są w obudowach PQFP-44
i spełniają wymagania standardu RoHS.
Obok typowego wejścia impulsowego (schemat blokowy na rys. 3) interfejs
SPI umożliwia wydajną kontrolę cyfrową
wielu układów.
n apięcie zasilania 7–34 V dla stopnia
mocy napędu (TMC236A).
Interfejs:
l SPI;
l k lasyczne wejścia zegar/kierunek.
Rys. 2. Układ scalony TMC236
Ogólna charakterystyka układu
TMC236:
l pełne zabezpieczenie i diagnostyka;
l małe straty mocy;
l szesnastokrotny mikrokrok;
l podział kroku do 64 razy poprzez dodatkowy rejestr zmienny;
l m iksowany tryb gaszenia tranzystorów dla uzyskania płynnej pracy;
l programowalna kontrola zbocza od
30 ns do 500 ns;
l wbudowany i zewnętrzny zegar układu PWM;
l opcje spoczynku i wyłączenia.
Parametry elektryczne:
l prąd sterowania szczytowo osiąga
1500 mA;
l 3,3 V lub 5 V dla części cyfrowej;
reklama
l
Przykładem użycia czipu TMC246
identycznego do TMC236, ale poszerzonego o mechanizm stallGuard, jest przedstawiona na rys. 4 niewielka płytka sterownika TMCM-013-42 zamontowana
na silniku krokowym z rozmiaru 42 mm.
Miniaturowy stopień mocy zbudowany
na układzie TMC246 jest w stanie zasilić silnik o prądzie fazy od 0,3 A do 1,1 A
(w szczycie do 1,5 A) z zasilania 7 V do
30 V, dostarczając mikrokroku o stopniu
podziału 64. Wbudowany mikrokontroler zarządza ruchem silnika zarówno po
łączu szeregowym RS485, jak i zwykłym
wejściem impulsowym i kierunku.
Dla silników o dużym prądzie fazy dedykowany jest układ scalony TMC239
(rys. 5). Nie posiada stopnia mocy, ale
ma budowę otwartą do przyłączenia dowolnego stopnia mocy. Konieczne jest
zastosowanie dodatkowych tranzystorów kluczujących, po cztery tranzystory w każdym mostku dla obu faz silnika.
Jeśli użyte zostaną tranzystory z małym
ładunkiem bramki, nie potrzeba dodatkowych wzmacniaczy prądu drenu. Przy ze-
Rys. 3. Schemat blokowy układu TMC236
Rys. 4. Silnik krokowy z zamontowanym sterownikiem i płytka sterownika TMCM-013-42
Nr 7/8 l Lipiec – Sierpień 2009 r. l
45
Rys. 5.
Układ
scalony
TMC239
namiczną pracę średniego i dużego zespołu napędowego, również bazuje na
układzie TMC239. Dzięki nowoczesnej
technologii urządzenie ma niewielkie rozmiary – mieści się w aluminiowym profilu zamkniętym przeznaczonym do zabudowy wewnątrz maszyny czy szafy sterującej. Rozłączne listwy zaciskowe dla
przewodów zasilania, silnika i sygnałów
sterujących pozwalają na szybki montaż i demontaż bez potrzeby odkręcania
przewodów.
Rys. 6. Schemat blokowy układu TMC239
wnętrznych miniaturowych tranzystorach
MOSFET układ zapewnia zasilanie silnika prądem fazy o wartości do 4 A. Precyzyjna kontrola prądu i zabezpieczenia
sprawia, że jest bardzo efektywny i odporny na warunki temperaturowe otoczenia.
Komunikację zapewnia interfejs SPI, jak
i klasyczna kontrola analogowa/cyfrowa
(schemat blokowy na rys. 6). Przy użyciu
specjalizowanych wzmacniaczy sterownik
silnika w oparciu o TMC239 może dostarczyć dużego prądu fazy. Układ scalony
TMC239 produkowany w obudowie SO28
posiada certyfikat zgodności RoHS.
Ogólna charakterystyka układu
TMC239:
l pełne zabezpieczenie i diagnostyka;
l małe straty mocy;
l szesnastokrotny mikrokrok;
l możliwość podziału kroku do 64 razy
poprzez dodatkowy rejestr zmienny;
l m iksowany tryb gaszenia tranzystorów dla uzyskania płynnej pracy;
l programowalna kontrola zbocza;
l wbudowany i zewnętrzny zegar układu PWM;
l opcje spoczynku i wyłączenia.
Parametry elektryczne:
l prąd sterowania szczytowo osiąga
1500 mA;
l zasilanie 3,3 V lub 5 V dla części cyfrowej;
l napięcie zasilania 7–34 V stopnia mocy napędu (TMC239A).
Interfejs:
l SPI;
l klasyczne wejścia zegar/kierunek.
46 l Nr 7/8 l Lipiec – Sierpień 2009 r.
Poszerzony w stosunku do TMC239
o stallGuard (mechanizm wykrywania
utraty synchronizmu) czip TMC249 jest
wykorzystany w przedstawionym na rys.
7 sterowniku TMCM-111-56, przeznaczonym do zabudowy na silniku krokowym
z rozmiaru 56 mm. Miniaturowy stopień
mocy zbudowany na układzie TMC249
jest w stanie zasilić silnik o prądzie fazy
do 5 A (7 A szczytowo) ze źródła zasilania 15 V do 36 V, dostarczając mikrokroku o stopniu podziału 64. Wbudowana inteligencja sterownika w postaci interpretera oprogramowania TMCL pozwala na
zapamiętanie do 2048 rozkazów TMCL
i przeprowadzenie kompleksowych ruchów w zaprogramowanych trajektoriach,
których rampy generowane są przez czip
TMC428. Cztery interfejsy szeregowe
wyczerpują potrzeby komunikacji silnika z nadrzędnym komputerem.
Rys. 7. Płytka sterownika TMCM-111-56
Sterownik SMC139WP
Popularny sterownik mikrokrokowy
SMC139WP (rys. 8) ze stopniami mocy
dla 2-fazowego silnika krokowego o prądzie fazy 3 A do 8,2 A, zapewniający dy-
Rys. 8. Sterownik SMC139WP
Stopnie mocy w sterowniku SMC139
pracują przy niesłyszalnej częstotliwości
czopowania 20 kHz, a mieszany sposób
gaszenia prądu daje oszczędności energii
przy optymalnym kształcie przebiegu prądu, co wiąże się z precyzją ruchu silnika
krokowego (tryb mixed decay). W układzie sterującym TMC239 zawarte są nieliniowe przetworniki D/A, pozwalające
na uzyskanie podziału krokowego 1/10.
Układ wyposażony jest w precyzyjną kontrolę prądu oraz kontrolę przeciążeń górnej i dolnej gałęzi mostka mocy wykorzystującego nowoczesne tranzystory mocy
HEXFET o niskiej rezystancji włączenia
i wysokim prądzie ciągłym. Osiem takich
tranzystorów sterowanych jest przez dwa
wydajne układy drivera HIP4081 z uwagi
na potrzebę dostarczenia dużego ładunku
do bramek tranzystorów FET. Stan przeciążenia termicznego lub rozwarcia mostka (przewody od silnika) sygnalizowany
jest na wyjściu jako stan alarmowy. Sterownik ma zaimplementowane dodatkowe funkcje, jak filtr przeciwzakłóceniowy pozwalający na eliminowanie krótkotrwałych impulsów na wejściu CLK, oraz
automatyczną redukcję prądową.
Sterownik można zasilać stałym napięciem niestabilizowanym z zakresu 24 do
Zasil. od +24 do 75 V DC
Układ
optoizolacji
Układ
sterujący
uP
sygn.
we/wy
Nastawa
podziału
krokowego
Stopnie
mocu FET
Drivery FET
HIP8041
Sterowniki
TMC239
Pamięć
nieulotna
Rys. 10. Mikroindekser MI1.8.8
75 V, co pozwala na uzyskiwanie większych prędkości obrotowych silnika niż
przy zasilaniu niższym napięciem. Dodatkowe podziały 1/5 i 1/10 kroku ułatwiają przeliczanie wartości skoku rotora
na np. przesunięcie liniowe przy współpracy ze śrubami pociągowymi (przy podziale 1/5 na jeden obrót rotora potrzebne
jest 1000 mikrokroków, czyli jeden mi-
Silnik
2-fazowy
bipolarny
do8,2 A
na fazę
Rys. 9. Schemat
blokowy sterownika SMC139WP
krokrok powoduje przesunięcie o 1/1000
skoku śruby).
Popularny interfejs sterowania SMC139
zgodny z pozostałymi sterownikami oferowanymi przez firmę WObit (interfejs
krok/kierunek), umożliwia proste zastąpienie słabszego sterownika, gdy występuje potrzeba podniesienia dynamiki pracy maszyny. Zaletą sterownika jest możliwość zmian prądu fazy sterownika za
pomocą miniaturowych przełączników
DIP, bez żadnej ingerencji we wnętrze
sterownika. Tak samo wybrać można
głębokość podziału krokowego oraz włączyć automatyczną redukcję prądu fazy
i filtr sygnału kroku. Obudową sterownika jest aluminiowy profil z zamontowanym wentylatorem. Wszystkie sygnały
zewnętrzne (zarówno sterujące, jak i prądowe) wyprowadzone są za pomocą rozłącznych złącz śrubowych, co znacznie
upraszcza i przyspiesza proces montażu
sterownika na maszynie. Do dyspozycji
użytkownika jest także dodatkowe, odizolowane galwanicznie napięcie 5 V, służące
do zasilania optoizolowanych obwodów
wejściowych.
Opisywany wyżej sterownik oczekuje impulsów sterujących (CLK=STEP=
=KROK), które decydują o osiąganej
przez silnik krokowy prędkości i docelowej pozycji oraz sygnału deklarującego
kierunek obrotu (DIR=KIER). Sygnały
takie generują najprostsze generatory lub
odpowiednio zaprogramowane sterowniki PLC posiadające wyjście do sterowania
silnika krokowego, a także specjalizowane indeksery, np. MI188, MI389, i karty
pozycjonujące, jak np. LMKPCI-4P.
Urządzenia takie zostaną opisane wraz
z przykładowymi aplikacjami w następnym zeszycie NiS w kontynuacji tego artykułu.
n
www.wobit.com.pl
www.silniki.pl
www.trinamic.de
Nr 7/8 l Lipiec – Sierpień 2009 r. l
47