סקירה כללית של בקרת תנועה

מה זה סרוו?

בקרת סרוו, המכונה גם "בקרת תנועה" או "רובוטיקה" משמשת בתהליכים תעשייתיים כדי להזיז עומס מסוים בצורה מבוקרת. מערכות אלו יכולות להשתמש בטכנולוגיית הפעלה פניאומטית, הידראולית או אלקטרומכנית. הבחירה בסוג המפעיל (כלומר המכשיר המספק את האנרגיה להנעת העומס) מבוססת על דרישות הספק, מהירות, דיוק ועלות. מערכות אלקטרומכניות משמשות בדרך כלל ביישומים דיוק גבוה, הספק נמוך עד בינוני ויישומים במהירות גבוהה. מערכות אלו הן גמישות, יעילות וחסכוניות. מנועים הם המפעילים המשמשים במערכות אלקטרומכניות. באמצעות האינטראקציה של שדות אלקטרומגנטיים, הם מייצרים כוח. מנועים אלה מספקים תנועה סיבובית או ליניארית. להלן ייצוג גרפי של מערכת סרוו טיפוסית:

מערכת מסוג זה היא מערכת משוב, המשמשת לשליטה במיקום, מהירות ו/או תאוצה. הבקר מכיל את האלגוריתמים לסגירת הלולאה הרצויה (בדרך כלל מיקום או מהירות) וגם לטפל בממשק המכונה עם כניסות/יציאות, מסופים וכו'. הכונן או המגבר סוגרים את הלולאה הפנימית (בדרך כלל מהירות או זרם) ומייצגים את ממיר כוח חשמלי המניע את המנוע בהתאם לאותות הייחוס של הבקר. המנוע יכול להיות מהסוג המוברש או ללא מברשות, סיבובי או ליניארי. המנוע הוא המפעיל האלקטרומגנטי בפועל, שיוצר את הכוחות הנדרשים להנעת העומס. רכיבי משוב כגון טכומטרים, lvdts, מקודדים ורזולורים, מותקנים על המנוע ו/או העומס על מנת לסגור את לולאות הסרוו השונות.

ADVANCED Motion Controls מתכננת ומייצרת כונני סרוו ומגברים לשימוש במערכות סרוו. כונני סרוו ומגברים נמצאים בשימוש נרחב במערכות בקרת תנועה שבהן נדרשת שליטה מדויקת על המיקום ו/או המהירות. הכונן/מגבר פשוט מתרגם את אותות הייחוס בעלי אנרגיה נמוכה מהבקר לאותות בעלי אנרגיה גבוהה כדי לספק מתח וזרם של המנוע. במקרים מסוימים השימוש בכונן דיגיטלי מחליף את מערכת הבקר/הכונן או הבקר/מגבר. אותות הפקודה מייצגים מומנט מנוע, מהירות או מיקום ויכולים להיות אנלוגיים או דיגיטליים באופיים. פקודת +/-10 VDC אנלוגית היא עדיין אות הייחוס הנפוץ ביותר, אך היא מפנה את מקומה במהירות לפקודות רשת דיגיטליות.

בקר

הבקר הוא ה"מוח" של מערכת סרוו. הוא אחראי על יצירת נתיבי התנועה ועל התגובה לשינויים בסביבה החיצונית. בקרים יכולים להיות משהו פשוט כמו מתג הפעלה/כיבוי או חוגה הנשלטת על ידי מפעיל. הם יכולים גם להיות מורכבים כמו מחשב עם יכולת לשלוט באופן אקטיבי במספר צירי סרוו, כמו גם לפקח על I/O ולתחזק את כל התכנות עבור המכונה.

בדרך כלל, הבקר שולח אות לכונן; הכונן מספק כוח למנוע; והמשוב מהמנוע נשלח בחזרה לבקר ולכונן. משוב מהעומס מנותב גם לבקר. הבקר מנתח את המשוב ומתקן שגיאות על ידי עדכון האות למגבר. הבקר נחשב לחלק החכם של הסרוו, סוגר את לולאות המהירות ו/או המיקום בזמן שהמגבר סוגר את הלולאה הנוכחית. עם זאת, מגברים רבים יסגרו את לולאות המהירות ו/או המיקום ויפחיתו דרישות חישוביות מהבקר.

צורות פיזיות של בקרים

בקרים מגיעים במגוון צורות שאנשים בוחרים בהתבסס על עלות, ביצועים, נוחות וקלות שימוש. רוב הבקרים נכנסים לקטגוריה של מיקרו-בקרים, PLCs ובקרי תנועה. כל אחד מהם מתואר להלן.

מיקרו-בקרים

זהו מחשב מסוג קטן ובעלות נמוכה המריץ תוכנית המאוחסנת בזיכרון לא נדיף. הגדרת מיקרו-בקר למערכת בדרך כלל דורשת מתכנת מנוסה, וסגירת לולאות כגון מיקום ומהירות יכולה להיות די קשה. לעתים קרובות, כאשר מתכננים מערכת סרוו באמצעות מיקרו-בקר, המגבר/הכונן יסגור את הלולאות הרצויות, בעוד שהמיקרו-בקר פשוט שולח פקודות מסוימות בחזרה למגבר. פקודות אלו עשויות להיות תלויות בכניסות למיקרו-בקר (חיישנים, מתגים וכו').

PLCs

בסוף שנות ה-60, בקרי לוגיקה ניתנים לתכנות (PLC) שימשו לראשונה כדי לחסל את הבלגן של חוטים ופתרון בעיות בלהות הקשורים למעגלי ממסר עוקבים. PLCs יכולים לתפוס את מקומם של ממסרים מכניים, אשר להם משך חיים מוגבל. בקרים אלה יקרים יותר ממיקרו-בקרים, אבל יש סיבה טובה.

ל-PLC יש מעבד וזיכרון המאפשרים לתכנת, לשמור ולבצע פקודות. יש לו גם מתלה וחריצי I/O כך שניתן להוסיף מודולי I/O ל-PLC לפי הצורך. המודולים עשויים להוסיף תכונות כגון מונים במהירות גבוהה, שעוני זמן אמת או יכולות בקרת סרוו.

היתרונות של PLCs כוללים יכולת הרחבה ועמידות בפני סביבות קשות. המחיר בדרך כלל נמוך מזה של בקרי תנועה.

בקרי תנועה

בקרי תנועה בנויים במיוחד לשליטה בתנועה (ומכאן השם). לכן פקודות וקלט/פלט הם ספציפיים לצרכים של אלה בתעשיית התנועה. בניגוד לאחרים, בקרי תנועה הם לרוב מבוססי PC, מה שמאפשר ממשק משתמש גרפי. בדרך כלל, ישנן תכונות מתקדמות המאפשרות קלות כוונון, חישת תנועה ופונקציות אחרות. בקר תנועה, באופן כללי, יעשה את החיים שלך קלים יותר מ-PLC או מיקרו-בקר. בגלל התכונות הנוספות, הם בדרך כלל יקרים יותר.

פקודה

הפקודה היא האות שנשלח מהבקר לכונן הסרוו.

כונני סרוו דיגיטליים ניתנים לשליטה ברשתות שונות לרבות CANopen, Ethernet, EtherCAT, Ethernet Powerlink, Synqnet, USB, RS232 ועוד רבים נוספים המאפשרים לשלוט במנוע על ידי חיבור המגבר ישירות (או כמעט ישירות) למחשב. לאותות רשת יש את היתרון ביכולת לתקשר יותר מאשר רק את פקודת הפלט, כולל מצב קלט/פלט, מצב כונן, מידע מיקום ועוד.

כונני סרוו אנלוגיים נשלטים עם +/-10V אותות אנלוגיים ואותות PWM וכיוון.

נהיגה

כונן הסרוו הוא החוליה המקשרת בין הבקר למנוע. מכונים גם מגברי סרוו, תפקידם לתרגם את אותות הייחוס באנרגיה נמוכה מהבקר לאותות הספק באנרגיה גבוהה למנוע. במקור, כוננים היו פשוט שלב הכוח שאפשר לבקר להניע מנוע. הם התחילו את דרכם כדגמי רבע יחיד שהניעו מנועים מוברשים. מאוחר יותר הם שילבו ארבע יכולות ריבוע ויכולת להפעיל מנועים ללא מברשות. ארבעה רבעים פירושם היכולת גם להניע וגם לחדש מנוע בשני הכיוונים.

המגמה הנוכחית היא להוסיף עוד תכונות ויכולות לכוננים. כיום ניתן לצפות שהכוננים יטפלו בכל המשוב של המערכת, כולל מקודדים, רזולורים ומדדי טכומטר, כמו גם מתגי גבול וחיישנים אחרים. כוננים מתבקשים גם לסגור את לולאת המומנט, לולאת המהירות ולולאת המיקום ומקבלים את האחריות ליצירת נתיב. כאשר הקו בין הבקר לכונן מיטשטש, הכונן יקבל על עצמו רבות מפונקציות הבקרה המורכבות יותר שבעבר היו התחום הבלעדי של הבקר.

העתיד של טכנולוגיית ההנעה ימשיך להתבסס על הדרישות של תעשיית בקרת התנועה. דרישות אלו כוללות:

• רוחב פס גבוה יותר להגדלת תפוקת הייצור
• בקרת מהירות ומיקום מוגברת כדי לאפשר ייצור מורכב וממוזער יותר
• יכולת מוגברת של רשת לתאם צירים הדוק בתוך מכונה ולתאם מכונות בתוך מפעל
• פעולה פשוטה, ידידותית ואוניברסלית

מָנוֹעַ

המנוע ממיר את הזרם והמתח המגיעים מהכונן לתנועה מכנית. רוב המנועים הם סוגים סיבוביים אך זמינים גם מנועים ליניאריים. ישנם סוגים רבים של מנועים שניתן להשתמש בהם ביישומי סרוו.

הרשימה הבאה של סוגי מנועים נמצאים בדרך כלל ביישומי סרוו.

שלב בודד

למנועים חד פאזיים יש שני חוטי חשמל והם קלים מאוד להתקנה. מנועים בקטגוריה זו יכולים לכלול מנועים מוברשים, עומסים אינדוקטיביים וסלילי קול. מגברים המיועדים למנועים מוברשים משמשים בדרך כלל להנעת עומסים חד פאזיים למרות שרוב הכוננים התלת פאזיים של AMC יכולים להפעיל גם מנועים אלה.

מִברֶשֶׁת

המנוע החד פאזי הנפוץ ביותר. המברשות הן צורה של תנועה מכנית המכוונת את הזרם לסלילים הנכונים בזמן הנכון.

מפעיל ליניארי

מפעילים ליניאריים משתמשים במנוע סיבובי המחובר לתיבת הילוכים כדי להזיז ציר ליניארי פנימה והחוצה. המנוע במפעיל הוא לעתים קרובות מנוע מוברש.

סליל קולי

סליל קולי דומה מבחינה רעיונית לרמקול שמע. התנועה היא ליניארית ומוגבלת בדרך כלל לתנועה של פחות מ-0.5 אינץ' (13 מ"מ). יישומי סליל קול רבים דורשים כונן סרוו בעל ביצועים גבוהים ו ADVANCED בקרות תנועה היא לרוב הבחירה הראשונה.

מיסב מגנטי

מיסבים מגנטיים מרחפים פיר מסתובב על כרית מגנטית הנשלטת באמצעות סרוו. הם משמשים כאשר נדרש חיכוך נמוך או כאשר מהירויות הציר גבוהות מדי עבור מיסבים קונבנציונליים. מיסבים מגנטיים משתמשים באלקטרומגנטים כדי להרחיב את הציר המסתובב כך ששום דבר לא נוגע בו פיזית. מערכת מיסבים מגנטית טיפוסית תדרוש 4 או 5 כוננים - x ו- y בכל צד של הציר המסתובב ומסב דחף אופציונלי כדי למנוע מהציר לצוף פנימה והחוצה. דרישות הביצועים עבור הכוננים יכולות להיות גבוהות במיוחד בשל האופי הדינמי של המערכת.

עומס אינדוקטיבי

עומסים אינדוקטיביים משמשים לעתים קרובות על ידי אוניברסיטאות ומדענים כדי ליצור שדות מגנטיים עבור הניסויים שלהם. ADVANCED כוננים של Motion Controls שלטו בהצלחה בעומסים אינדוקטיביים עם השראות של פחות מ-80uH עד למעלה מ-1H (1,000,000uH) של השראות. ישנם שיקולים מיוחדים לאנרגיה המאוחסנת במשרן גדול, ומחלקת התמיכה הטכנית שלנו תשמח לדון בהם לגבי הפרויקט שלך.

תלת פאזי

רוטרי ללא מברשות

למנועי סרוו ללא מברשות מגנט קבוע יש צפיפות הספק גבוהה יותר, פיזור חום טוב יותר ודורשים פחות תחזוקה מאשר למנועים מוברשים. מנועים חסרי מברשת עשויים להיות קצת יותר קשים להגדרה בגלל החיווט המוגבר, כך שהקו הדיגיטלי שלנו מקל על העניינים על ידי אוטומציה של תהליך המעבר.

ליניארי

המבנה של מנוע ליניארי זהה למנוע סיבובי אך נפתח והשתטח. הגדרת כונן למנוע לינארי זהה להגדרת כונן למנוע סיבובי. מנועים לינאריים משמשים ביישומי הנעה ישירה שבהם דרישות המהירות והדיוק הן יותר ממה שמנוע סיבובי ובורג כדורי יכולים לספק.

שיקולי טעינה

שיקולי העומס צריכים לכלול את האובייקט שמזיזים, את החלקים הנעים במכונה וכל דבר שעלול לגרום לאי יציבות לא רצויים כגון צימודים והשפעות אחוריות. לכל המסה הכוללת של החלקים הנעים במכונה יש אינרציות שישתקפו על המנוע. נקודות חיכוך כמו משלבים ליניאריים וממיסבים יוסיפו לעומס המנוע. צימודים גמישים יוסיפו רזוננסים שיש לקחת בחשבון.

מָשׁוֹב

במערכות בקרה מודרניות, נעשה שימוש בהתקני משוב כדי להבטיח שהמנוע או העומס יגיעו למיקום או למהירות הפקודה. מגברי ובקרי סרוו משתמשים במשוב הזה כדי לקבוע כמה זרם להעביר למנוע בכל עת, בהתבסס על מיקומו ומהירותו הנוכחיים לעומת היכן שהוא צריך להיות. ישנם שני סוגים עיקריים של משוב, מוחלט ויחסי (הידוע גם בשם 'אינקרמנטלי').

משוב מוחלט

התקנים אבסולוטיים מספקים מיקום סופי בטווח מוגדר בעת הפעלת ההפעלה (כלומר ללא שגרת ביות).

משוב יחסי (מצטבר)

התקנים אלה מספקים רק עדכוני מיקום מצטברים. על מנת לדעת את מיקום המנוע או העומס, יש להשתמש במשוב אינקרמנטלי בשילוב עם סוג כלשהו של משוב מוחלט (מתג גבול, למשל) כדי לקבוע את המיקום ההתחלתי. ברגע שהמיקום ההתחלתי ידוע, משוב יחסי יכול לספק מידע על מיקום לאורך כל טווח התנועה.

בתוך שני סוגי משוב כלליים אלה, ישנם התקני משוב רבים ושונים. להלן כמה מהמכשירים הנפוצים ביותר בבקרת תנועה.

סוגי משוב

מקודד נצב

מקודדים הם מכשיר משוב המיקום הנפוץ ביותר בבקרת תנועה. מקודדים ליניאריים יכולים להגיע לרזולוציות של תת-מיקרון ולמקודדים סיבוביים יכולים להיות רזולוציות העולה על 100,000 ספירות לכל סיבוב. אלו מכשירי משוב יחסי.

מקודד סינוסואידי

מקודדים סינוסואידיים משתמשים בגלי סינוס במקום הגלים המרובעים הנראים במקודדים ריבועיים. זה מאפשר אינטרפולציה של ספירות מקודד ביניים ליותר מ-1024 פעמים. רזולוציות של למעלה מ-4 מיליון ספירות לכל רזולוציה אפשריות. אלו מכשירי משוב יחסי.

מקודד סינוסואידי מוחלט

אלה משתמשים באותם מקודדים סינוסואידיים כמו לעיל בנוסף להתקן מכני או מעגל חשמלי שיכולים לשמור על מידע מיקום מוחלט על פני אלפים רבים של סיבובים. מכשירים אלו מעבירים את מידע המיקום על פני פרוטוקול טורי כגון: Hiperface^®, נגמר ב^® ו-BiSS.

חיישני אולם

זהו משוב ברזולוציה נמוכה שלעיתים קרובות הכרחי לבקרת התמורה. זה יכול לשמש גם עבור משוב מהירות במהירויות גבוהות יותר. אלה מספקים 6 יחידות של משוב מוחלט בתוך כל מחזור חשמלי.

פותר

רזולובר הוא בעצם שנאי סיבובי. משוב זה מסוגל לקבל רזולוציות מעל 16 ביט. רזולוורים הם המשוב הנבחר עבור טמפרטורה גבוהה וסביבת רטט גבוהה. אלה מספקים משוב מוחלט בתוך מהפכה אחת.

פרופילי תנועה

המטרה של כל מערכות הסרוו היא להזיז סוג כלשהו של עומס. האופן שבו מועבר העומס ידוע כפרופיל התנועה. פרופיל תנועה יכול להיות פשוט כמו תנועה מנקודה A לנקודה B על ציר בודד, או שהוא עשוי להיות מהלך מורכב שבו צירים מרובים צריכים לנוע בדיוק בתיאום. פרופיל לדוגמה מוצג באיור 1. המרחק הכולל שעבר, D, נמצא על ידי חישוב השטח מתחת לעקומה. T הוא הזמן הכולל הנדרש למעבר. השיפוע של עקומת המהירות מייצג את התאוצה או האטה באותו רגע מסוים. ישנם מספר סוגים של פרופילי תנועה המשמשים עם מערכות בקרת סרוו. המשמשים ביותר הם מהירות קבועה, טרפז, ו S-Curve פרופילי תנועה.

דברים שכדאי לזכור:

• מהירות פרופורציונלית ל-1/T
• האצה פרופורציונלית ל-1/T²
• הספק (שיא) פרופורציונלי ל-1/T³

ההשלכות של נקודת התבליט האחרונה הן עמוקות. למשל אם יש לכם מערכת קיימת ואתם רוצים שהמהלכים יסתיימו פי שניים מהר יותר, המערכת תדרוש פי 8 כוח!

מהירות קבועה

פרופיל תנועה זה שומר על מהירות קבועה בין נקודות (ראה איור 2א). זהו פרופיל התנועה הבסיסי ביותר מכיוון שמשתמשים רק בפקודת מהירות.

מהירות קבועה תשמש במשהו כמו מסוע או מאוורר.

מכונות מיקום מדויק אינן משתמשות בפרופיל המהירות הקבועה מכיוון שמכונה בעולם האמיתי אינה יכולה לשנות מהירות באופן מיידי. יהיה עיכוב זמן שישתנה עם שינויים בעומס ובמערכת. באיור 2B, הקו המקווקו מייצג את נתיב המהירות בפועל שיעבור העומס. Ta ו-Td מייצגים את הזמן הנדרש כדי להאיץ ולהאט. זמנים אלו עשויים להשתנות בהתאם לתנודות בעומס.

טרפז

פרופיל התנועה הטרפז משופע את עקומת המהירות כדי ליצור קצבי תאוצה והאטה צפויים. פרופיל תנועה טרפז מוצג באיור 3. הזמן להאיץ ולהאט הוא מדויק וניתן לחזור עליו. Ta ו-Td עדיין קיימים, אך כעת הם מוגדרים ערכים במקום ערכים אקראיים.

• אם ta = td = T/3 עבור פרופיל מהלך טרפז, ההספק הכולל בשימוש הוא מינימום
• שגיאת Overshoot עדיין קיימת עבור מהלך טרפז, אך שגיאה זו זניחה עבור מערכות רבות.
• מכונות דיוק גבוה יותר דורשות פרופיל תנועה שונה.

S-Curve

פרופיל תנועת S-curve מאפשר שינוי הדרגתי בתאוצה. זה עוזר לצמצם או לבטל את הבעיות שנגרמו כתוצאה מחריגה, והתוצאה היא הרבה פחות רעידות מכניות שנראות על ידי המערכת. נקודות התאוצה המינימליות מתרחשות בתחילת ובסוף תקופת התאוצה, בעוד שההאצה המקסימלית מתרחשת בין שתי נקודות אלו. זה נותן פרופיל תנועה מהיר, מדויק וחלק.

חישובי מומנט והספק

החל מפרופיל המהירות, ניתן לגזור את פרופיל המומנט על ידי לקיחת הנגזרת של המהירות. שיפוע חיובי בפרופיל המהירות יהיה מומנט חיובי ושיפוע שלילי יהיה מומנט שלילי. תלילות השיפוע תואמת את גודל המומנט.

בשלב הבא ניתן לגזור את עקומת הכוח על ידי הכפלת עקומת המהירות עם עקומת המומנט (מומנט x מהירות = הספק).

עיצוב מערכת

המידע בתוך שלושת הפרופילים הללו הוא הבסיס לתכנון המערכת.

• מפרופילי המהירות והמומנט אתה יכול לצמצם את בחירת המנוע שלך לדגמים המסוגלים לספק את המומנט והמהירות הנדרשים
  • בהתבסס על נתוני המנוע (Kt - קבוע מומנט, Kv - קבוע מתח, התנגדות מנוע Rm) תוכל לקבוע את דרישות הזרם והמתח של המערכת
    • משיא המומנט ניתן לחשב את שיא הזרם (I). I = T / Kt
    • ממהירות השיא ניתן לחשב את שיא המתח (V). V = מהירות * Kv + I * Rm
• כאשר דרישות הזרם והמתח ידועות, תוכל לבחור כונן סרוו

עוד משוואות

• מומנט הוא פרופורציונלי לזרם.
• מומנט*מהירות = כוח
• KT = קבוע מומנט (lb-in/A)
• מומנט RMS חשוב משיקולי אספקה ותרמיים.

מספיק עם התיאוריה בואו נראה את הדברים האלה במכונות אמיתיות!