Průmysl 4.0 v Náchodě aneb Od selsynu k resolveru
13. 9. 2019 | Ing. Josef Šimon | ATAS elektromotory Náchod, a. s | www.atas.cz
Jak Průmysl 4.0 souvisí s firmou z Náchoda? Denně slýcháme v médiích o Průmyslu 4.0 a o rozvoji nových průmyslových technologií, zejména o robotizaci. Abychom mohli jakoukoliv činnost „zrobotizovat“ – k tomu potřebujeme robot – jednoúčelový nebo víceúčelový mechanismus, který má určité pohybové možnosti. Jádrem elektrického robotu je servomotor, který zajišťuje jeho pohyby. Pro řízení servomotoru je nutná informace o co nejpřesnější úhlové poloze hřídele. Na hřídeli servomotoru jsou umístěna čidla úhlové polohy, která se odborně nazývají resolvery. Bez kvalitních a přesných resolverů by současná robotizace nebyla možná. A právě jedním z výrobců těchto zařízení je tradiční česká firma ATAS elektromotory Náchod, a. s.
Zkusme v následujícím článku nastínit vývoj čidel úhlové odchylky, který začal již v první polovině 20. století.
1. Mechanický hřídel
Pro sledování úhlové polohy α požadovaného zařízení se v minulosti obvykle používal mechanický hřídel (antény, kormidla; obr. 1).
Obr. 1. Mechanický hřídel
2. Elektrický hřídel
S rozvojem elektrických točivých strojů byl mechanický hřídel nahrazován tzv. elektrickým hřídelem – soustavou dvou nebo více selsynů (obr. 2). V nejjednodušší podobě jde o dva selsyny – vysílač a přijímač. Selsyny mají vzájemně propojené třífázové statory. Rotory jsou zapojeny paralelně a společně napájeny střídavým proudem. Rotor přijímače zaujímá stejnou úhlovou polohu ke statoru přijímače jako rotor vysílače ke statoru vysílače. Jestliže se tedy rotor vysílače otáčí, otáčí se synchronně s ním i rotor přijímače, jako by byly na společné hřídeli.
Obr. 2. Elektrický hřídel
3. Polohový (rotační) transformátor
Od elektrického hřídele je již malý krok k polohovému (rotačnímu) transformátoru (obr. 3). Rotor vysílače je napájen střídavým proudem a v rotoru přijímače se indukuje napětí, jehož velikost a fáze určují úhlovou odchylku rotoru vysílače.
Obr. 3. Polohový transformátor
4. Rozkladač – resolver
Změní-li se třífázové statorové vinutí selsynu na dvoufázové, vzniká fázový rozkladač neboli resolver (obr. 4). Při napájení rotorového vinutí střídavým proudem je do statorových vinutí indukováno napětí, které odpovídá sinusové a cosinusové složce úhlu natočení rotoru α:
Uf1 = U·sin ωt·sin α
Uf2 = U sin ωt cos α
Zjištění úhlu natočení rotoru resolveru je již pouhá matematická operace.
Obr. 4. Resolver – rozkladač
Popis resolveru
Resolver je polohový transformátor používaný jako absolutní snímač úhlu natočení. Využívá změny vazby (vzájemné indukčnosti) mezi vinutími na rotoru a statoru. Má dvoufázové vinutí na statoru a jednofázový rotor. Vinutí jednotlivých fází statoru jsou k sobě o 90° natočená. Resolvery mohou být dvoupólové i více pólové. Předností dvoupólového resolveru je schopnost vyhodnotit absolutní úhlovou polohu ihned po zapnutí, podobně jako enkodér. Pro dosažení vyšší přesnosti je nutné použít resolvery s větším počtem pólů a větším vnějším průměrem. Velikost resolverů se udává v počtu desetin palce. Nejmenší vyráběné resolvery jsou velikosti 10, to je rozměr 25,4 mm, největší resolvery s mimořádnou přesností v řádu úhlových vteřin jsou velikosti 120, to je asi 300 mm. Přesnost takových resolverů je obvykle udávána pouze v určité úhlové výseči, např. 30 úhlových stupňů.
Pro hromadné použití jsou vyvinuty tzv. low cost resolvery, u kterých je rozhodujícím parametrem velmi nízká cena na úkor přesnosti.
 | 1 kostra 2 statorový svazek 3 statorové vinutí 4 rotorový svazek 5 rotorové vinutí 6 náboj 7 jho statoru pomocného transformátoru 8 statorové vinutí pomocného transformátoru 9 rotorové vinutí pomocného transformátoru 10 jho rotoru pomocného transformátoru |
Obr. 5. Řez resolverem
Resolvery ATAS
Ve firmě ATAS elektromotory Náchod, a. s., jsou v současnosti vyráběny nejrozšířenější resolvery velikosti 15 (vnější průměr kostry 1,5"). Resolvery vykazují velmi malou chybu elektrické symetrie v širokém rozsahu jak napájecích parametrů, tak teplot okolí. Toho je dosaženo použitím materiálů se speciálními elektromagnetickými vlastnostmi, které mají vyšší cenu, větší minimální objednací množství a delší dodací lhůty než elektromagnetické materiály používané u ostatních elektrických výrobků. Zákazníci také požadují specifická mechanická provedení resolverů, jako např. různé kuželové tvary rotoru, speciální mnohažilové vodiče namísto jednotlivých apod. Nejčastější mechanické provedení resolverů je návlekové, kdy rotor resolveru nemá vlastní ložiska, ale je pevně připojen na rotor motoru, s kterým se současně otáčí. Stator resolveru je namontován na ložiskový štít motoru a není nutné použít mechanickou spojku. Ve výrobním sortimentu firmy ATAS jsou proto různé varianty velikosti vnitřního otvoru náboje a různých délek vývodů. Pro všechny typy resolverů velikosti 15 mají stejné vstupní a výstupní elektrické parametry.
|
Obr. 6. Rozkres resolveru
Resolvery řady ER5Kd pracují bezkontaktně s téměř neomezenou životností. Jsou odolné proti elektromagnetickému rušení, rázům a vibracím, výkyvům pracovních teplot a znečištění. Jako zpětnovazební prvek pro zjišťování polohy rotoru servomotoru jej používají výrobci servomotorů z celého světa. Díky svým vlastnostem vytlačují konkurenční optická rotační čidla. Výhodou je nyní již nízká cena a jednoduchá montáž. Dvoupólový resolver udává absolutní polohu ihned po spuštění. Spolu s poměrně vysokou přesností, možností získat rychlostní signál a údaj o poloze v reálném čase ve spojení se sledovacím R/D převodníkem.
Obr. 7. Katalogový list resolveru
Obr. 8. Využití resolverů
Současný bouřlivý rozvoj robotiky vede k obrovskému nárůstu celosvětové poptávky po resolverech firmami, které se zabývají vývojem a výrobou servomotorů. V druhém desetiletí 21. století rychle nastupuje automatizace procesů pod společným termínem Průmysl 4.0. Jde o výrazně vyšší stupeň automatizace výrobních a řídicích procesů, kde mnoho lidských činností je nahrazováno prací robotů.
Robotizace se rozšiřuje ve všech průmyslových odvětvích od miniaturních dávkovacích stanic v lékařském výzkumu až po velké technologické celky. Právě resolvery předávají informaci o poloze otočných součástí robotů (obr. 8) a jejich rozvoj podmiňuje technologický nástup Průmyslu 4. 0.
Firma ATAS elektromotory Náchod, a. s. – člen ElA a výrobce těchto resolverů, představí své produkty na MSV Brno v pavilonu Z ve stánku 42.
Podrobnější informace o Průmyslu 4.0 a o robotech bude možné získat na konferenci Elektrotechnické asociace Jak na robota, která se bude konat 9. října 2019 v pavilonu P na Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně.
ATAS elektromotory Náchod, a. s.
Bratří Čapků 722, 547 01 Náchod
www.atas.cz
Vyšlo v časopise Elektro č. 8-9/2019 na straně 44.
Tištěná verze – objednejte si předplatné: pro ČR zde, pro SR zde.
Elektronická verze vyšlých časopisů zde.