Nová řídicí jednotka malých motorů EPOS P
 | |
| Nová řídicí jednotka malých motorů EPOS P Ing. Václav Brož, Malé motory tvoří v posledních letech 83 % počtu všech motorů v průmyslu. Na jeden výkonný elektromotor v moderním stroji připadá několik malých motorů. S rozvojem automatizace a výpočetní techniky roste množství malých řízených motorů v nových výrobcích. Malé motory přestavují polohu ovládacích prvků stroje podle požadované funkce nebo pohánějí pracovní vřetena rychlostmi několik desítek tisíc otáček za minutu. Propojování řídicích systémů sítěmi vytváří podmínky pro aplikace pohonů malého výkonu, které jsou tvořeny nízkonapěťovými motory, snímači, převodovkami a řídicími jednotkami PID se schopností komunikace. Požadavky na malé motory sledují vývoj v elektronice, především miniaturizaci, spolehlivost, rychlost odezvy a snižování nákladů. Do rozváděčů současných strojů se vedle výkonových spínacích prvků a jejich regulátorů umisťují řídicí jednotky motorů nízkého napětí a malého výkonu. Stejnosměrné motory Mezi řízenými nízkonapěťovými pohony v oblasti výkonů do 120 W svými vlastnostmi vynikají soustavy se stejnosměrnými motory. Stejnosměrné motory dosahují význačných vlastností využitím komutace napájecího proudu, která při řízení zajišťuje velmi přesnou a rychlou odezvu v regulační smyčce. Indukční motory sice lze v současné době v regulační smyčce řídit vektorově, odezva je ale pro malé dynamické pohony pomalá. Komutací proudu ve stejnosměrných motorech je zajištěn optimální úhel 90° mezi magnetickými poli statoru a rotoru v celém rozsahu rychlostí a zatížení. Proud do sekcí vinutí rotoru nebo do vinutí statoru se přepíná na základě informace o úhlu natočení rotoru. Komutace vytváří podmínky pro vysoký záběrný moment, rychlou a přesnou odezvu na řízení a vysokou účinnost motoru. Tyto přednosti umožňují použít v aplikacích vysoké specifické výkony v přepočtu na jeden krychlový centimetr, poskytují vysokou spolehlivost a přesnost řízení rychlosti i polohy v porovnání s indukčními typy elektromotorů a krokovými elektromotory.  Obr. 1. Jednoduché blokové schéma EPOS Vysoká účinnost stejnosměrných pohonů malého výkonu až 92 %, nízké napájecí napětí a vysoká koncentrace výkonu na jednotku objemu jsou vlastnosti požadované v samostatných robotech, které se pohybují nezávisle na přívodu elektrické energie. Humanoidní roboty, jejichž výroba a využití v domácnostech se rozvíjejí zejména v Japonsku a Německu, kladou na vlastnosti spojené se stejnosměrnými pohony zvlášť vysoké nároky. Současné stejnosměrné motory vytvářejí magnetické pole permanentními magnety. Motory DC používají pro napájení vinutí rotoru mechanický komutátor s kartáči. Motory EC používají elektronickou komutaci. Motory Maxon jsou součástí soustavy pohonů spolu s převodovkami, snímači a řídicími jednotkami. Jednotka EPOS P Výrobce malých stejnosměrných motorů Maxon se ve vývoji orientuje nejenom na motory, ale i na řídicí jednotky nejvyšší technické úrovně. Posledním výrobkem je řídicí jednotka EPOS P, která získala na letošním MSV v Brně Zlatou medaili. EPOS P řídí rychlost, polohu nebo moment připojeného pohonu a s využitím vstupů reaguje na stav stroje. Operační módy jednotky EPOS P Základní módy činnosti jednotky EPOS P v provozu jsou:
 Obr. 3. Jednotky v síti CAN V módu řízení proudu se uplatní pouze regulátor proudu a výkonové zesilovače. Linearita závislosti mechanického momentu na proudu je u motorů Maxon velmi přesná, takže řízením proudu je řízen moment motoru. Jednotka EPOS P přitom omezuje rychlost při odlehčení motoru na vloženou přípustnou mez. Při řízení rychlosti a řízení polohy lze zvolit dva způsoby vytváření odezvy na změnu požadované hodnoty na vstupu, a to buď s vytvořením profilu rychlosti, nebo s využitím odezvy regulátorů na požadovanou cílovou hodnotu. Příslušný způsob je volen podle charakteru požadavku na vstupu. V prvním případě je do zpracování vstupního požadavku zapojen generátor průběhu rychlosti. Generátor vytvoří optimální profil, tj. časový průběh rychlosti, pro dosažení požadované hodnoty plynulým pohybem s minimální odchylkou. Generátor přitom respektuje limitní parametry rychlosti, zrychlení a proudu, které byly do jednotky EPOS vloženy v přípravné fázi. Vytvořené průběhy se přivádějí na vstup regulátorů dráhy a rychlosti a jejich výstup je veden do regulátoru proudu a do výkonových zesilovačů. Typická aplikace profilového módu je realizace požadavku přesunu na určenou vzdálenost. Mód s využitím odezvy regulátorů nepoužívá generátor průběhů rychlosti a dráhy. Cílová požadovaná hodnota ze vstupu se zpracuje přímo regulačními smyčkami regulátorů rychlosti a dráhy a přes regulátor proudu výkonovými zesilovači. Reakce jednotky EPOS je ovlivněna nastavenými zesíleními jednotlivých složek regulátorů. Mód s využitím odezvy regulátorů se uplatní při skokovém průběhu požadované hodnoty. Příkladem je elektronická osa, tj. řízení synchronizovaného pohybu několika pohonů podle jednoho inkrementálního snímače.  Obr. 4. Řez motorem DC Jiná aplikace je řízení stejnosměrného dynamického pohonu výstupem řídicí jednotky pro krokový motor. Uplatní se v případech, kdy je dán požadavek na využití existujícího řízení pro krokový motor, ale nevyhovuje nízká spolehlivost, rychlost a dynamika původního krokového motoru. Nastavení základní polohy Jednotka EPOS využívá informaci o poloze, kterou dostává z inkrementálního snímače umístěného na motoru. Jeho výstupem jsou dva kanály, A a B, s řadami fázově posunutých impulsů o 90 elektrických stupňů s hustotou do 1 024 impulsů na otáčku. Pro přesné nastavení základní polohy se využivá i třetí kanál s jedním impulsem na otáčku. Pomocí tříkanálového snímače se zpřesní referenční bod, který je získán najetím na referenční spínač, koncový spínač nebo mechanickou narážku s indikací zvýšeného proudu tekoucího do motoru.  Vstupy a výstupy Na vstupy konektorů I/O jsou přiváděny další informace o stavu pohonu a o stavu řízeného stroje. Připojují se sem koncové a referenční spínače, signál z nadřazeného řídicího inkrementálního snímače nebo výstup řídicí jednotky pro krokový motor. Dva až tři vstupy I/O je možné po konfiguraci použít i jako výstupy a ovládat jimi signalizaci. Jeden až dva vstupy I/O jsou určeny pro analogové signály. Ochrana motoru Jednotka EPOS vyhodnocuje tepelné zatížení proudem při pulsním provozu tak, že průběžně počítá okamžitou teplotu vinutí, kterou porovnává s přípustnou teplotou. Další informace mohou zájemci získat u firmy Uzimex Praha, spol. s r. o.: | |
Řídí jednak svůj připojený motor, jednak další jednotky EPOS, připojené na sběrnici CAN. Dalších podřízených jednotek může být až 127 a každá napájí vlastní motor. Jednotka se před zahájením provozu naprogramuje s využitím osobního počítače pomocí některého z běžných programovacích jazyků podle IEC 61131-3 (Programovatelné řídicí jednotky – Část 3: Programovací jazyky). Je do ní uložena i informace o rychlosti komunikace s ostatními jednotkami, o typu motoru (komutátorový nebo bezkartáčový), o počtu pólů, jaký je přípustný trvalý proud a součinitel přestupu tepla z vinutí, informace o typu snímače na motoru a počet dílků snímače na otáčku. Po vložení dat a programu se osobní počítač odpojí a řídicí jednotka EPOS P pracuje samostatně. Jednotka je připojena na sběrnici CAN a napájena stejnosměrným zdrojem 24 V.