Pozycjonowanie urzadzen pomiarowych z napedem krokowym.pdf

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.

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 wy-

biega w danej chwili poza swoje pożądane

położenie. Odchylenie kolejnych pozycji

mikrokrokowych rotora od pozycji ide-

alnej 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 elemen-

tami przenoszenia napędu jest mniejsza,

wiąże się zatem z mniejszymi kosztami.

Zastosowanie pracy mikrokrokowej może

wpłynąć na uproszczenie przekładni i me-

chanizmów tłumiących drgania, ułatwia

też wybór silnika.

scalonych i komponentów specjali-

stycznych firm, takich jak Trinamic, fir-

ma WObit opracowuje i produkuje coraz

nowsze sterowniki silników krokowych

i urządzenia z zakresu pozycjonowania,

oferując obok czujników ważny asorty-

ment techniki liniowej, pozwalający na

budowę kompletnych urządzeń pomia-

rowych 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 sterow-

ników komponenty, wspomagając rów-

nież konkurencyjne rozwiązania.

cą pełno- i półkrokową. Mikrokrok może

być użyty w celu rozwiązania problemów

z rezonansami, a także w celu zwiększe-

nia dokładności i rozdzielczości.

Z wykresu na rys. 1 widać, że praca

półkrokowa w porównaniu z pełnokro-

kową ogranicza energię wzbudzającą re-

zonans do 29%. Jeśli rozpatrywać mi-

krokrok o podziale 1/32, pozostaje tylko

0,1% energii pełnego kroku niezbędnej

do wykonania ruchu, co oznacza auto-

matycznie radykalne zmniejszenie moż-

liwości wystąpienia niepożądanych zja-

wisk związanych z rezonansem. Urządze-

nia pomiarowe wymagają precyzyjnego

przemieszczania z kontrolą pozycji bez

gwałtownych skoków wskutek przestero-

wania czy drgań.

Kiedy silnik sterowany jest przy małej

prędkości z pełnym krokiem lub półkro-

kiem, ruch staje się nieciągły i charak-

teryzuje się dużym poziomem zakłóceń

i drgań, szczególnie w obszarze często-

tliwości 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-

Mikrokrok dla precyzyjnego

pozycjonowania

Praca z mikrokrokiem polega na ob-

racaniu polem magnetycznym stojana

w sposób bardziej płynny niż w sterowa-

niu pełno- i półkrokowym, dzięki two-

rzeniu wielu progów prądowych, co po-

zwala na uzyskiwanie dodatkowych pozy-

cji rotora. Powoduje to mniejsze drgania

i umożliwia niemal bezszumowe poru-

szanie się silnika nawet przy bardzo ma-

łych prędkościach bez przekładni mecha-

nicznej 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 często-

tliwościach, ponieważ pole magnetyczne

stojana, które określa stabilną pozycję ro-

tora, porusza się bardziej płynnie w po-

równaniu ze sterowaniem pełno- i półkro-

kowym. W wielu zastosowaniach praca

mikrokrokowa pozwala zwiększyć efek-

tywność systemu, a także zmniejszyć je-

go złożoność i koszt w porównaniu z pra-

Układy scalone do pracy

mikrokrokowej

Produktem z rodziny układów scalo-

nych Trinamic, skupiającym w jednym

czipie wymagane funkcje do pracy mi-

krokrokowej silnika, jest kontroler ru-

chu dla bipolarnych silników krokowych

TMC236 zawierający stopnie mocy. Po-

zwala na uzyskanie prądu 1,5 A na fa-

zę bez konieczności stosowania dodatko-

wych urządzeń chłodzących. Wbudowana

kontrola prądu płynącego przez uzwoje-

nia silnika oraz funkcja programowa-

nia szybkości narastania zbocza wpływa

na zmniejszenie emisji zakłóceń EMV

(poprzez zmniejszenie harmonicznych).

Dzięki małej powierzchni (rys. 2) i wy-

sokiej efektywności nadaje się do zasto-

sowań w miniaturowych i bateryjnych

układach sterowania. Układy TMC236

produkowane są w obudowach PQFP-44

i spełniają wymagania standardu RoHS.

Obok typowego wejścia impulsowe-

go (schemat blokowy na rys. 3) interfejs

SPI umożliwia wydajną kontrolę cyfrową

wielu układów.

Długość kroku względem pełnego kroku

Rys. 1. Względna energia wzbudzająca

jako funkcja długości kroku elektrycznego

(podziału)

44 l N r 7/8 l L ipiec – S ierpień 2009 r .

K orzystając z najnowszych układów

l napięcie zasilania 7–34 V dla stopnia

mocy napędu (TMC236A).

I n t e r f e j s :

l SPI;

l klasyczne wejścia zegar/kierunek.

Rys. 2. Układ scalony TMC236

Przykładem użycia czipu TMC246

identycznego do TMC236, ale poszerzo-

nego o mechanizm stallGuard, jest przed-

stawiona na rys. 4 niewielka płytka ste-

rownika TMCM-013-42 zamontowana

na silniku krokowym z rozmiaru 42 mm.

Miniaturowy stopień mocy zbudowany

na układzie TMC246 jest w stanie zasi-

lić 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 mikrokontro-

ler zarządza ruchem silnika zarówno po

łączu szeregowym RS485, jak i zwykłym

wejściem impulsowym i kierunku.

Dla silników o dużym prądzie fazy de-

dykowany jest układ scalony TMC239

(rys. 5). Nie posiada stopnia mocy, ale

ma budowę otwartą do przyłączenia do-

wolnego stopnia mocy. Konieczne jest

zastosowanie dodatkowych tranzysto-

rów kluczujących, po cztery tranzysto-

ry w każdym mostku dla obu faz silnika.

Jeśli użyte zostaną tranzystory z małym

ładunkiem bramki, nie potrzeba dodatko-

wych wzmacniaczy prądu drenu. Przy ze-

Ogólna charakterystyka układu

TMC236:

l pełne zabezpieczenie i diagnostyka;

l małe straty mocy;

l szesnastokrotny mikrokrok;

l podział kroku do 64 razy poprzez do-

datkowy rejestr zmienny;

l miksowany tryb gaszenia tranzysto-

rów dla uzyskania płynnej pracy;

l programowalna kontrola zbocza od

30 ns do 500 ns;

l wbudowany i zewnętrzny zegar ukła-

du 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;

Rys. 3. Schemat blokowy układu TMC236

Rys. 4. Silnik krokowy z zamontowanym sterownikiem i płytka sterownika TMCM-013-42

N r 7/8 l L ipiec – S ierpień 2009 r . l 45

Rys. 5.

Układ

scalony

TMC239

namiczną pracę średniego i dużego ze-

społu napędowego, również bazuje na

układzie TMC239. Dzięki nowoczesnej

technologii urządzenie ma niewielkie roz-

miary – mieści się w aluminiowym profi-

lu zamkniętym przeznaczonym do zabu-

dowy wewnątrz maszyny czy szafy ste-

rującej. Rozłączne listwy zaciskowe dla

przewodów zasilania, silnika i sygnałów

sterujących pozwalają na szybki mon-

taż i demontaż bez potrzeby odkręcania

przewodów.

Rys. 6. Schemat blokowy układu TMC239

wnętrznych miniaturowych tranzystorach

MOSFET układ zapewnia zasilanie silni-

ka prądem fazy o wartości do 4 A. Pre-

cyzyjna kontrola prądu i zabezpieczenia

sprawia, że jest bardzo efektywny i odpor-

ny 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 do-

starczyć dużego prądu fazy. Układ scalony

TMC239 produkowany w obudowie SO28

posiada certyfikat zgodności RoHS.

Poszerzony w stosunku do TMC239

o stallGuard (mechanizm wykrywania

utraty synchronizmu) czip TMC249 jest

wykorzystany w przedstawionym na rys.

7 sterowniku TMCM-111-56, przeznaczo-

nym 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 zasila-

nia 15 V do 36 V, dostarczając mikrokro-

ku o stopniu podziału 64. Wbudowana in-

teligencja sterownika w postaci interpre-

tera oprogramowania TMCL pozwala na

zapamiętanie do 2048 rozkazów TMCL

i przeprowadzenie kompleksowych ru-

chów w zaprogramowanych trajektoriach,

których rampy generowane są przez czip

TMC428. Cztery interfejsy szeregowe

wyczerpują potrzeby komunikacji silni-

ka z nadrzędnym komputerem.

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 prą-

du, co wiąże się z precyzją ruchu silnika

krokowego (tryb mixed decay ). W ukła-

dzie sterującym TMC239 zawarte są nie-

liniowe przetworniki D/A, pozwalające

na uzyskanie podziału krokowego 1/10.

Układ wyposażony jest w precyzyjną kon-

trolę prądu oraz kontrolę przeciążeń gór-

nej i dolnej gałęzi mostka mocy wykorzy-

stującego 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 prze-

ciążenia termicznego lub rozwarcia most-

ka (przewody od silnika) sygnalizowany

jest na wyjściu jako stan alarmowy. Ste-

rownik ma zaimplementowane dodatko-

we funkcje, jak filtr przeciwzakłócenio-

wy pozwalający na eliminowanie krótko-

trwałych impulsów na wejściu CLK, oraz

automatyczną redukcję prądową.

Sterownik można zasilać stałym napię-

ciem niestabilizowanym z zakresu 24 do

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 miksowany tryb gaszenia tranzysto-

rów dla uzyskania płynnej pracy;

l programowalna kontrola zbocza;

l wbudowany i zewnętrzny zegar ukła-

du 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 cy-

frowej;

l napięcie zasilania 7–34 V stopnia mo-

cy napędu (TMC239A).

Interfejs:

l SPI;

l klasyczne wejścia zegar/kierunek.

Rys. 7. Płytka sterownika TMCM-111-56

Sterownik SMC139WP

Popularny sterownik mikrokrokowy

SMC139WP (rys. 8) ze stopniami mocy

dla 2-fazowego silnika krokowego o prą-

dzie fazy 3 A do 8,2 A, zapewniający dy-

46 l N r 7/8 l L ipiec – S ierpień 2009 r .

Zasil. od +24 do 75 V DC

upraszcza i przyspiesza proces montażu

sterownika na maszynie. Do dyspozycji

użytkownika jest także dodatkowe, odizo-

lowane galwanicznie napięcie 5 V, służące

do zasilania optoizolowanych obwodów

wejściowych.

Opisywany wyżej sterownik oczeku-

je impulsów sterujących (CLK=STEP=

=KROK), które decydują o osiąganej

przez silnik krokowy prędkości i docelo-

wej pozycji oraz sygnału deklarującego

kierunek obrotu (DIR=KIER). Sygnały

takie generują najprostsze generatory lub

odpowiednio zaprogramowane sterowni-

ki PLC posiadające wyjście do sterowania

silnika krokowego, a także specjalizowa-

ne indeksery, np. MI188, MI389, i karty

pozycjonujące, jak np. LMKPCI-4P.

Urządzenia takie zostaną opisane wraz

z przykładowymi aplikacjami w następ-

nym zeszycie NiS w kontynuacji tego ar-

tykułu.

Układ

optoizo-

lacji

Układ

sterujący

Stopnie

mocu FET

Drivery FET

HIP8041

sygn.

we/wy

Silnik

2-fazowy

bipolarny

do8,2 A

na fazę

Sterowniki

TMC239

Nastawa

podziału

krokowego

Pamięć

nieulotna

Rys. 9. Schemat

blokowy sterow-

nika SMC139WP

krokrok powoduje przesunięcie o 1/1000

skoku śruby).

Popularny interfejs sterowania SMC139

zgodny z pozostałymi sterownikami ofe-

rowanymi przez firmę WObit (interfejs

krok/kierunek), umożliwia proste zastą-

pienie słabszego sterownika, gdy wystę-

puje potrzeba podniesienia dynamiki pra-

cy maszyny. Zaletą sterownika jest moż-

liwość zmian prądu fazy sterownika za

pomocą miniaturowych przełączników

DIP, bez żadnej ingerencji we wnętrze

sterownika. Tak samo wybrać można

głębokość podziału krokowego oraz włą-

czyć automatyczną redukcję prądu fazy

i filtr sygnału kroku. Obudową sterow-

nika jest aluminiowy profil z zamonto-

wanym wentylatorem. Wszystkie sygnały

zewnętrzne (zarówno sterujące, jak i prą-

dowe) wyprowadzone są za pomocą roz-

łącznych złącz śrubowych, co znacznie

Rys. 10. Mikroindekser MI1.8.8

75 V, co pozwala na uzyskiwanie więk-

szych prędkości obrotowych silnika niż

przy zasilaniu niższym napięciem. Do-

datkowe podziały 1/5 i 1/10 kroku uła-

twiają przeliczanie wartości skoku rotora

na np. przesunięcie liniowe przy współ-

pracy ze śrubami pociągowymi (przy po-

dziale 1/5 na jeden obrót rotora potrzebne

jest 1000 mikrokroków, czyli jeden mi-

www.wobit.com.pl

www.silniki.pl

www.trinamic.de

N r 7/8 l L ipiec – S ierpień 2009 r . l 47

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: