Analóg Motorvezérlési Rendszerek Áttekintése

A szervovezérlést, amelyet "mozgásvezérlésnek" vagy "robotikának" is neveznek, ipari folyamatokban használják egy adott terhelés szabályozott módon történő mozgatására. Ezek a rendszerek használhatnak pneumatikus, hidraulikus vagy elektromechanikus működtetési technológiát. Az aktuátor típusának, azaz a teher mozgatásához szükséges energiát biztosító eszköznek, a kiválasztása a teljesítmény, a sebesség, a pontosság és a költségigény alapján történik. Az elektromechanikus rendszereket jellemzően nagy pontosságú, kis és közepes teljesítményű, valamint nagy sebességű alkalmazásokban használják. Ezek a rendszerek rugalmasak, hatékonyak és költséghatékonyak.

Egy ilyen típusú rendszer egy visszacsatolt rendszer, amelyet a pozíció, a sebesség és/vagy a gyorsulás szabályozására használnak.

Szervorendszerek Fő Komponensei

A vezérlő a szervorendszer "agya". Felelős a mozgáspályák létrehozásáért és a külső környezet változásaira való reagálásért. A vezérlők lehetnek olyan egyszerűek, mint egy ON/OFF kapcsoló vagy egy kezelő által vezérelt tárcsa.

A meghajtó vagy erősítő zárja a belső hurok(oka)t, jellemzően sebesség vagy áram, és képviseli az elektromos teljesítmény átalakítót, amely a vezérlő referencia jeleinek megfelelően hajtja a motort. A szervohajtómű a kapcsolat a vezérlő és a motor között. Szervóerősítőknek is nevezik őket, feladatuk a vezérlőből érkező alacsony energiájú referenciajelek átalakítása a motornak küldött nagy energiájú teljesítményjelekké. Eredetileg a meghajtók egyszerűen a teljesítményfokozatot jelentették, amely lehetővé tette, hogy a vezérlő meghajtja a motort. Kezdetben egyetlen kvadránsból álló modellek voltak, amelyek kefés motorokat hajtottak meg. Később beépítették a négy kvadránsos képességeket és a kefe nélküli motorok meghajtásának képességét. A jelenlegi tendencia az, hogy a meghajtókhoz egyre több funkciót és képességet adnak hozzá.

A motor a meghajtótól érkező áramot és feszültséget mechanikus mozgássá alakítja. Az elektromechanikus rendszerekben használt aktuátorok a motorok. Elektromágneses mezők kölcsönhatása révén energiát termelnek. Ezek a motorok forgó vagy lineáris mozgást biztosítanak. A parancsjelek vagy a motor nyomatékát, sebességét vagy helyzetét jelentik, és lehetnek analóg vagy digitális jellegűek.

Guminyomás ellenőrzése analóg mérővel

Általában a vezérlő jelet küld a meghajtónak; a meghajtó áramot ad a motornak; és a motor visszajelzései visszakerülnek a vezérlőhöz és a meghajtóhoz. A terhelésről érkező visszajelzés szintén a vezérlőhöz kerül. A vezérlő elemzi a visszajelzést, és az erősítőnek küldött jel frissítésével korrigálja a hibákat. A vezérlő a szervó intelligens részének tekinthető, amely a sebesség- és/vagy pozícióhurkokat zárja, míg az erősítő az áramhurkot zárja.

Motortípusok és Hajtástechnológia

A legtöbb motor forgó típusú, de lineáris motorok is kaphatók. A motor lehet kefés vagy kefe nélküli, forgó vagy lineáris típusú. A DC motoroknak különleges helyük van az ipari elektronika történetében, mivel minden ipari szervohajtás DC motorokat használt, és az első mikroprocesszoros hajtás is DC motoros volt. Számos hátrányuk ellenére jelenleg is alkalmazzák azokat. Fő előnyük mégis, hogy a szabályozás szempontjából egyszerűek. A mikrovezérlők térnyerése előtt csak ezeket lehetett szervohajtásokban használni. Szabályozástechnikai szempontból az állandó mágnessel gerjesztett egyenáramú motor egy kedvező beavatkozó szerv.

Az állandó mágneses kefe nélküli szervomotorok nagyobb teljesítménysűrűséggel rendelkeznek, jobb a hőelvezetésük és kevesebb karbantartást igényelnek, mint a kefés motorok. A lineáris motor felépítése megegyezik a forgómotoréval, de felnyitva és ellapítva. A lineáris motor meghajtásának konfigurálása megegyezik a forgó motor meghajtásának konfigurálásával.

A hangtekercs koncepcionálisan hasonló egy hangszóróhoz. A mozgás lineáris, és általában kevesebb mint 13 mm (0,5") mozgásra korlátozódik. A mágneses csapágyak egy forgó tengelyt egy szervókkal vezérelt mágneses párnán lebegtetnek. Ezeket akkor használják, ha alacsony súrlódásra van szükség, vagy ha a tengely sebessége túl nagy a hagyományos csapágyakhoz. A mágneses csapágyak elektromágneseket használnak a forgó tengely lebegtetésére, így fizikailag semmi sem érinti azt. Egy tipikus mágneses csapágyrendszerhez 4 vagy 5 meghajtóra van szükség - egy x és egy y a forgó tengely mindkét oldalán, valamint egy opcionális tolócsapágyra, hogy a tengely ne lebegjen befelé és kifelé.

A hajtástechnológia jövője továbbra is a mozgásvezérlő ipar igényeire fog épülni. Ma már elvárható, hogy a meghajtók kezeljék a rendszer összes visszajelzését, beleértve az enkódereket, a rezolvereket és a tachométereket, valamint a végálláskapcsolókat és más érzékelőket. A meghajtóknak a nyomatékhurok, a sebességhurok és a pozícióhurok lezárását is meg kell oldaniuk, és az útgenerálással kapcsolatos feladatokat is át kell adniuk.

Analóg kamera szerelési útmutató

Vezérlők és Szabályozási Módok

A vezérlők különböző formájúak, amelyeket az emberek a költségek, a teljesítmény, a kényelem és a könnyű használat alapján választanak. A legtöbb vezérlő a mikrokontrollerek, PLC-k és mozgásvezérlők kategóriájába tartozik. A mikrokontroller konfigurálása egy rendszerhez általában tapasztalt programozót igényel, és az olyan ciklusok, mint a pozíció és a sebesség lezárása meglehetősen nehéz lehet.

Az 1960-as évek végén kezdték el használni a programozható logikai vezérlőket (PLC-k), hogy megszüntessék a szekvenciális reléáramkörökkel járó kábelzavart és a hibaelhárítással járó rémálmokat. A PLC-k processzorral és memóriával rendelkeznek, amelyek lehetővé teszik a parancsok programozását, mentését és végrehajtását. A PLC-k előnyei közé tartozik a bővíthetőség és a zord környezetnek való ellenállás.

A mozgásvezérlők kifejezetten a mozgás vezérlésére készülnek (innen a név). A mozgásvezérlők gyakran PC-alapúak, lehetővé téve a grafikus felhasználói felület használatát. Általában fejlett funkciókkal rendelkeznek, amelyek lehetővé teszik a könnyű hangolást, a kommutációérzékelést és egyéb funkciókat.

A szervoerősítő elsődleges feladata a motor tengelyének terheléstől független, megadott sebességű forgatása. A szervoerősítőben található vezérlőelektronika folyamatosan figyeli a motor sebességét, és összehasonlítja a beállított értékkel. Ha eltérést észlel, akkor módosítja a szervoerősítő kimenetének értékét, és ezzel vezérli a motort. A végeredmény egy zárt sebességvezérlő hurok. Az áramvezérlést (Current Controller) is fel lehet használni, és a fordulatszámvezérlést (Speed Controller) egyes esetekben ki lehet iktatni.

A PID szabályozó még mindig az egyik iparilag legelterjedtebb szabályozó. A másik népszerű módszer a csúszómód szabályozás, amelyet először a ’70-es évek végén mutattak be, és a precíziós mozgásszabályozási rendszerekre csak a közelmúltban kezdték el használni. A csúszómód szabályozás változó struktúrájú rendszerekben speciális szerepet tölt be, mint robusztus szabályozás. Elég egyszerű a beillesztése a legtöbb mérnöki alkalmazásban, mivel legtöbb esetben csak egy relé szükséges.

Kihangosító funkciók analóg telefonokon

A PWM szabályozási mód esetében a motort nagyon gyorsan ki/be kapcsolgatjuk, ezzel állítva be a kívánt fordulatszámot. A motor átlagfeszültsége arányos a ki/bekapcsolt állapot idejével. A hő miatti hatásfokveszteségek alacsonyak. Jó hatásfokú, de viszonylag bonyolult kiegészítő áramköröket kíván. A kiválasztott szabályozási mód a szervoerősítőn DIP kapcsolókkal állítható be. A maximális fordulatszám, az áram, valamint az erősítés a P1-P5 potenciaméterekkel szabályozható. A maximális áram beállítása nagyon fontos, ugyanis, ha a motor terhelése annyira megnő, hogy forgása lelassul, ebben az esetben olyan áram is keletkezhet, amely már káros a motor tekercselésének.

A lineáris szabályozási mód esetében a motor feszültségét a szabályozó áramkör állítja be úgy, hogy egy előtét a potenciaméter értékét állítja. A potenciaméteren eső feszültség a potenciaméteren hővé alakul, emiatt jelentősen romlik a hatásfok. A kompenzációnak azonban figyelembe kell venni a motor ellenállását, ami a hőmérséklet és terhelésfüggő. Ezért ez a szabályozási mód kevésbé pontos. A módszer előnye, hogy nincs szükség külső segédberendezésre, tehát olcsó, hátránya a pontatlanság.

Visszacsatolási Rendszerek

A modern vezérlőrendszerekben visszacsatoló eszközöket használnak annak biztosítására, hogy a motor vagy a terhelés elérje a parancsolt pozíciót vagy sebességet. A szervóerősítők és -vezérlők ezt a visszajelzést használják arra, hogy meghatározzák, mekkora áramot kell adni a motornak a pillanatnyi helyzet és sebesség alapján, szemben azzal, hogy hol kell lennie.

A motor mozgását egy encoder méri, amely egy impulzus sort küld a számítógépnek. Egy számláló számlálja az encoder által küldött impulzusokat, és a számítógép az encoder által küldött értékekből tudja meghatározni a motor pozícióját. A motor sebessége az előző és a jelenlegi pozíció adataiból számolható. Ez azonban zajos jelet eredményez, ezért a mérés egy diszkrét idő-filtert tartalmaz ennek a zajnak a csökkentésére.

A mozgásvezérlésben a legelterjedtebb helyzet-visszacsatoló eszköz a jeladó. A motorra egy digitális enkódert felszerelve, az egy körülfordulás alatt bizonyos számú jelet küld. Az enkóderek kétfajta jelet állítanak elő, a két jel között 90 fok a fáziseltérés. Ez teszi lehetővé az elfordulás irányának érzékelését. Mivel az enkóder nem mechanikus, ezért élettartama nagyon hosszú, hátránya, hogy drága. Az enkóder kimenetein digitális jel jelenik meg.

Az Index jel nagyon fontos, főleg pozíciószabályozásnál, ugyanis a szabályozás kezdetekor a motor tengelyének helyzete nem ismert, és ez a szabályozás során állandó hiba forrása lehet. Ezért a szabályozás indítása előtt a motort egy előre meghatározott helyzetbe, ún. index pozícióba kell állítani. Az enkóder is rendelkezik ilyen index pozícióval, és ha a motor tengelye áthaladt az index pozíción, akkor az index csatorna 1-es jelet ad ki.

A motorra egy tachogenerátor felszerelve, az a fordulatszámmal arányos egyenfeszültséget ad. Előnye, hogy nagyon pontos, hátránya hogy a tachogenerátor, mivel mechanikus alkatrész, egy idő után cserére szorul.

A rezolver lényegében egy forgótranszformátor. Ez a visszacsatolás 16 bit feletti felbontásra képes. A reszolverek a magas hőmérsékletű és nagy vibrációs környezetben a legmegfelelőbb visszacsatolás. A lineáris enkóderek felbontása szubmikronos, a forgó enkóderek felbontása pedig meghaladhatja a 100 000 fordulatonkénti számolást. A szinuszos kódolók szinuszos hullámokat használnak a kvadratúrás kódolókban látható négyszöghullámok helyett. Ez lehetővé teszi a köztes kódolószámok több mint 1024-szeres interpolálását. Felbontásonként 4 millió felbontás feletti felbontás lehetséges. Ezek az eszközök csak inkrementális pozíciófrissítést biztosítanak. A motor vagy a terhelés helyzetének megismeréséhez inkrementális visszajelzést kell használni valamilyen abszolút visszajelzéssel (például végálláskapcsolóval) együtt a kiindulási helyzet meghatározásához.

Mozgásprofilok

Minden szervorendszer célja valamilyen teher mozgatása. A teher mozgatásának módját mozgásprofilnak nevezzük. A mozgásprofil lehet olyan egyszerű, mint az A pontból B pontba történő mozgás egyetlen tengelyen, vagy lehet olyan összetett mozgás, amelyben több tengelynek kell pontosan összehangoltan mozognia. A szervovezérlő rendszerekben többféle mozgásprofil létezik.

A precíziós pozicionáló gépek nem használják az állandó sebességprofilt, mivel egy valós gép nem tudja azonnal megváltoztatni a sebességet. Lesz egy időbeli késleltetés, amely a terhelés és a rendszer változásaival ingadozik. A trapéz alakú mozgásprofil a sebességgörbét lejtőre állítja, hogy kiszámítható gyorsulási és lassulási sebességet hozzon létre. A gyorsítás és lassítás ideje pontos és megismételhető.

Az S-görbe mozgásprofil lehetővé teszi a gyorsulás fokozatos változását. Ez segít csökkenteni vagy kiküszöbölni a túllendülés okozta problémákat, és az eredmény az, hogy a rendszer sokkal kevesebb mechanikai rezgést érzékel. A minimális gyorsulási pontok a gyorsulási időszak elején és végén, míg a maximális gyorsulás e két pont között következik be.

A sebességprofilból kiindulva a nyomatékprofil a sebesség deriváltjával származtatható. A sebességprofil pozitív meredeksége pozitív nyomatékot, negatív meredeksége pedig negatív nyomatékot jelent. A csúcsnyomatékból kiszámítható a csúcsáram (I). A csúcssebességből kiszámítható a csúcsfeszültség (V).

PC-Alapú Vezérlés és Valós Idejű Rendszerek

A mérés a felhasználót megtanítja egy szervo hajtás, illetve egy robot számítógép általi vezérlésére. Digitális - analóg átalakítón keresztül juttatjuk el az információt a számítógépből a szervo hajtáshoz, mivel a szervo hajtás referencia jele az esetek többségében analóg feszültség. A motor vezérlése esetében a kezdő pont a digitál-analóg átalakító kártya vezérlése. Ez a kártya lehetővé teszi, hogy meghatározott feszültségértékeket küldjünk a PC-ről a vizsgált rendszerre. A kártyához egy programozó felület tartozik (DLL, Dynamic Link Library), amelyet C++ nyelven meg tudunk hívni. Egy Adventech cég PCI-1720-as modellje, 4 D/A kimeneti csatornával rendelkezik, amelyek -5V és 5V közti feszültséget tudnak kivezetni. A feladat a kártya 3-as csatornájának 5 Volt értékre való beállítása. Tulajdonképpen ez az 5 Volt teszi lehetővé a szervohajtás működését. A PC-alapú méréseknél minden feladat eltérő eredményt ad, melyek megtekinthetők, és a mérési eredményeket és az aktuális szabályozó programot elmenthetjük.

A második fontos feladat egy PC alapú mérésnél a mintavételezés. Ezért szükségünk van egy valós idejű órára, ami bármikor, tetszőleges frekvencián el tudja kezdeni a számlálást. Különböző valós idejű operációs rendszerek érhetők el szinkronizálható valós idejű órajellel. A több feladat egyszerre kezelésére alkalmas Windows operációs rendszer nem támogatja a valós idejű alkalmazásokat, de a Real Time eXtension (RTX) for Control of Windows megoldást nyújt a kérdésre. Az RTX precíz irányítást enged IRQ-k (Interrupt Request: megszakítási kérések), I/O, és memória felett, hogy biztosítsa az egyes feladatok megfelelő sorrendben és 100% biztossággal való végrehajtását. Az RTX valós idejű szub-rendszer (RTSS) biztosítja, hogy az RTX alapú alkalmazások túléljék a Windows összeomlásait, vagy „kék halálait”. Az ütemező azt garantálja, hogy a kritikus szál 500 nanoszekundumos prioritással vegye át a vezérlést. Valós idejű rendszerben az esemény pontos végrehajtása kritikus.

A felhasználónak nem szükséges haladó szintű programozási ismeretekkel rendelkeznie, de az alapok szükségesek. A felhasználónak csak nagyon egyszerű C ill. Visual Basic programokat kell tudni megírni. Az automatizálás és a robotizáció vált vezető trenddé az iparban a versenyhelyzet és a környezeti követelmények változásának hatására. A munkaerő költsége megnőtt, ezért az ismétlődő, kreativitást nem igénylő munkahelyeken célszerűbbé vált az automatizálás, a mozdulatok robotokkal történő elvégeztetése. Ugyanakkor ez a bonyolultabb, több kreativitást és ismeretet igénylő munkahelyek számának növekedésével járt, ami azt eredményezte, hogy a munkahelyek száma lényegesen nem csökkent, viszont a munkaerő szükséglet inkább a technikusok, mérnökök irányába tolódott el.

Tipikus I/O Interfész Jellemzők

Az alábbi táblázat egy példát mutat be egy motorvezérlő rendszer tipikus be- és kimeneti (I/O) jellemzőire, amelyeket gyakran használnak ipari alkalmazásokban.

tags: #analog #motor #vezerles #áttekintés

• Felni méretek Marea Weekendhez
• Küszöbjavítás Ford Mondeo MK3 modelleken
• tökéletesen illeszkedő gyári szőnyeg Peugeot 207 modellekhez
• Biztonságos kerékrögzítésről bővebben
• megbízható Ford szerviz és alkatrészellátás