Układ sterowania ruchem silnika krokowego z weryfikacją dokładności pozycjonowania

Transkrypt

1 KOLBER Piotr 1 PERCZYŃSKI Daniel 1 PESZYŃSKI Kazimierz 1 WAWRZYNIAK Sylwester 1 Układ sterowania ruchem silnika krokowego z weryfikacją dokładności pozycjonowania WPROWADZENIE Silnik krokowy (zwany też skokowym) jest to silnik przekształcający ciąg sterujących impulsów elektrycznych na ciąg przesunięć kątowych wirnika lub liniowych biegnika. Silnik krokowy jest elektromechanicznym przetwornikiem energii charakteryzującym się dyskretnym przemieszczeniem mechanicznym [1], [2]. Silnik przetwarza sygnał (impuls) sterujący bezpośrednio na ustalone położenie wału bez konieczności stosowania sprzężeń zwrotnych, jak np. w serwomechanizmach. Przesunięcie kątowe, które przebywa wirnik, jest proporcjonalne do liczby impulsów, a prędkość obrotowa do częstotliwości impulsów sterujących uzwojenia silnika. Kierunek obrotów jest zależny od sekwencji tych impulsów sterujących. Schemat blokowy typowego układu silnika krokowego przedstawiono na rys. 1 [5]. Rys. 1. Schemat blokowy układu sterowania silnikiem krokowym Głównymi elementami układu sterowania silnika skokowego są: źródło impulsów, którym może być generator impulsów, maszyna cyfrowa, mikroprocesor, przetwornik sygnału ciągłego na impulsowy lub pamięć operacyjna; układ logiczny zawiera układ formowania impulsów na prostokątne (istnieją również nowoczesne rozwiązania z wykorzystaniem impulsów sinusoidalnych) oraz układ rozdzielania impulsów na poszczególne pasma uzwojenia silnika. W przypadku gdy ma być zapewniony nawrót silnika, konieczne jest jeszcze rozbudowanie układu; wzmacniacz jest stopniem wyjściowym mocy, który jest wykonany na tranzystorach o układzie analogicznym dla każdego pasma uzwojenia; zasilacz prądu stałego. Natomiast do podstawowych parametrów silnika krokowego należą: moment trzymający występuje gdy silnik zasilany jest znamionowo (zwykle jedno z uzwojeń), a wirnik się nie obraca; moment spoczynkowy niewielki moment w stanie bezprądowym w silnikach z magnesem trwałym wirnik próbuje ustawić się w położeniu, dla którego reluktancja magnetyczna (oporność magnetyczna) obwodu będzie najmniejsza; 1 Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Zakład Sterowania, al. Prof. S. Kaliskiego 7, Bydgoszcz, tel , piotr.kolber@utp.edu.pl 5564

2 moment bezwładności moment bezwładności nieobciążonego wirnika; rezystancja uzwojenia; znamionowy prąd uzwojenia natężenie prądu potrzebne do zmiany położenia kątowego przy obciążeniu znamionowym momentem obrotowym; znamionowe napięcie uzwojeń (nie zawsze podawane) napięcie pracy uzwojenia (iloczyn prądu i rezystancji uzwojenia); często uzwojenia zasilane są ze źródeł prądowych i wówczas napięcie zasilania sterownika jest wyższe od napięcia pracy uzwojenia; kąt podstawowy przesunięcie kątowe wirnika przypadające na jeden impuls prądowy, np. kątowi 1,8 odpowiada liczba 200 kroków na pełen obrót. Ze względu na rozwiązania konstrukcyjne rozróżnia się trzy podstawowe rodzaje silników krokowych: silnik o zmiennej reluktancji (VR z ang. Variable Reluctance), silnik z magnesem trwałym (PM z ang. Permanent Magnet), silnik hybrydowy (HB z ang. HyBrid). Silniki o zmiennej reluktancji, w których oporność magnetyczna dla strumienia głównego zależy od położenia wirnika, są silnikami o wirniku biernym. Mają one najprostszą budowę. Posiadają uzębiony wirnik wykonany z magnetycznie miękkiej stali. Ich działanie opiera się na zasadzie powstawania momentu reluktancyjnego. Charakterystyczne dla silnika krokowego VR jest to, że przy obracaniu wału w stanie bezprądowym nie ma tzw. przeskakiwania z jednej pozycji do drugiej wskutek zerowego momentu spoczynkowego, czyli wirnik może się swobodnie obracać. Silniki krokowe o magnesach trwałych nie posiadają na wirniku zębów. Wirnik ma kształt walca, który jest namagnesowany promieniowo naprzemiennie biegunami N i S. W związku z tym silniki te mają wirnik czynny. W silniku tym, w odróżnieniu od silnika VR, powstaje moment synchroniczny wzbudzeniowy. Silniki hybrydowe, jako najczęściej obecnie stosowane, stanowią połączenie obu wcześniej rozpatrywanych konstrukcji VR i PM i łączą w sobie zalety tych silników. Czoła biegunów stojana oraz powierzchnia wirnika mają drobne ząbki. Wirnik składa się z dwóch wieńców z naciętymi zębami, które obrócone są względem siebie o połowę zęba. Pomiędzy uzębionymi wieńcami osadzony jest magnes trwały o kształcie pierścienia, a całość zamocowana jest na niemagnetycznym wałku. Natomiast zęby na nabiegunnikach stojana są ciągłe na całej swej długości wzdłuż osi. Magnes trwały wirnika powoduje, że nawet jeśli stojan nie jest zasilany wirnik stara się znaleźć takie położenie, żeby wypadkowa reluktancja (oporność magnetyczna) obwodu była jak najmniejsza. Występuje to, gdy jak najwięcej żłobków stojana i wirnika jest ustawionych naprzeciw siebie. W silniku hybrydowym generowany jest zarówno moment reluktancyjny jak i synchroniczny wzbudzeniowy. Silniki skokowe hybrydowe posiadają najmniejszą rozdzielczość kroku podstawowego w stosunku do wcześniej opisanych. Do zalet można również zaliczyć duży moment obrotowy oraz dużą częstotliwość i prędkość przy których może pracować. Ze względu na rodzaje uzwojeń silniki krokowe można podzielić na dwa podstawowe typy: bipolarne i unipolarne. W uzwojeniu silnika bipolarnego prąd przepływa w obu kierunkach, czyli całe pasmo bierze udział w pracy, natomiast w silniku unipolarnym uzwojenie pasma posiada odczep, który dzieli je na dwie części. Prąd przepływa zawsze w tym samym kierunku w czasie pracy silnika wykorzystywana jest na przemian pierwsza lub druga połówka uzwojenia. Silniki unipolarne mają pięć lub sześć wyprowadzeń natomiast bipolarne cztery lub osiem wyprowadzeń. 1 OPIS STANOWISKA LABORATORYJNEGO Do badań na stanowisku pomiarowym zastosowano dwufazowy silnik krokowy typu ECM 268- E2.8B-1 z dwoma wyprowadzonymi końcami wału o danych znamionowych: prąd znamionowy 2,8 A (przy połączeniu unipolarnym uzwojeń), prąd znamionowy 4,0 A (przy połączeniu bipolarnym równoległym uzwojeń), napięcie znamionowe 2,8 V, krok podstawowy 1,8, 5565

3 moment trzymający 1,2 Nm. Silnik może pracować jako unipolarny lub bipolarny, ponieważ ma wyprowadzone osiem przewodów kończących uzwojenia. W stanowisku badawczym silnik pracuje przy połączeniu uzwojeń bipolarnym szeregowym zgodnie z rys.2. Rys.2. Oznaczenia i schemat połączeń uzwojeń silnika krokowego Pozostałe podstawowe elementy funkcjonalne stanowiska są podzespołami firmy Wobit. Silnik podłączony jest do sterownika SMC 104 ze stopniem mocy przeznaczonym do współpracy z dwufazowym silnikiem krokowym z uzwojeniem bipolarnym (8 lub 4 przewodowym) lub unipolarnym 6-przewodowym włączonym jako bipolarny. Umożliwia to sterowanie silnikiem z podziałem kroku w zakresie od 1/2 do 1/64 wymuszając stałą wartość prądu w uzwojeniu niezależnie od wartości napięcia zasilania. Sterownik posiada możliwość wyboru wartości prądu w zakresie od 1,2 do 3,8A dzięki mikroprzełącznikom konfiguracyjnym znajdującym się na panelu przednim. Możliwe jest także włączenie redukcji, która ogranicza o połowę pobór prądu w przypadku gdy impulsy taktujące CLK mają częstotliwość mniejszą od 1,5Hz. Zezwolenie na pracę silnika odbywa się przez podanie sygnału (+5 24V) na wejście EN (ENABLE). Sterowanie kierunkiem obrotów odbywa się za pomocą wejścia DIR [4]. Do zasilania sterownika zastosowano zasilacz niestabilizowany ZN200-L, dedykowany do sterowników silników krokowych, o znamionowych wartościach: prądu 4A, napięcia 36V, mocy 100W. Zasilacz ten umożliwia odebranie energii zwrotnej silnika dzięki kondensatorom wyjściowym o pojemności 4700μF. Rys.3. Schemat blokowy stanowiska do sterowania silnikiem krokowym: 1-silnik krokowy, 2-sterownik SMC104, 3-zadajnik MG-Z1, 4-enkoder, 5-licznik impulsów MD 150E, 6-zasilacz ZN200-L, 7-zasilacz DR-4524, 8-hamownica linowa, 9-zmienne obciążenie, 10-komputer PC 5566

4 W stanowisku sterownik SMC104 taktowany jest przez zadajnik MG-Z1, czyli programowalny generator trajektorii dla sterowników silników krokowych. Z zadajnika do sterownika wysyłane są, przede wszystkim, dwa sygnały: taktujący (CLK) określający odstępy czasowe między krokami silnika oraz sygnał kierunku (DIR) określający kierunek ruchu. Zadajnik w połączeniu ze sterownikiem umożliwia generowanie trajektorii ruchu silnika krokowego o parametrach takich jak: pozycja, prędkość, przyspieszenie. Dzięki umieszczonemu na panelu zewnętrznym menu i wyświetlaczowi graficznemu istnieje możliwość konfiguracji urządzenia i programowanie trajektorii ruchu silnika. W związku z tym nie jest niezbędne podłączenie modułu do komputera [4]. Silnik krokowy ma wyprowadzone dwa końce wału. Na jednym z nich osadzona jest hamownica linowa z możliwością zawieszania na niej obciążenia o różnych wartościach. Na drugim końcu wału zamocowany jest enkoder obrotowo-impulsowy MHK-40 z otworem na oś o rozdzielczości 3600 działek na obrót. Enkoder połączony jest z programowalnym licznikiem impulsów i prędkości MD 150E. Na panelu zewnętrznym licznika znajduje się menu i wyświetlacz, na którym może być wyświetlana liczba zliczanych impulsów, cykli i częstotliwość impulsów (prędkość). Zadajnik MG-Z1, licznik MD 150E i enkoder zasilane są z zasilacza DR-4524 napięciem o wartości 24V. Zadajnik i licznik mogą być połączone poprzez interfejsy USB z komputerem PC przez co łatwiejsze jest sterowanie silnikiem krokowym i wizualizacja wyników pomiarów. 2 POMIARY DOKŁADNOŚCI POZYCJONOWANIA Pomiary dokładności pozycjonowania wykonane zostały dla określonych parametrów ruchu takich, jak: prędkość minimalna vmin 1impuls/s, prędkość maksymalna vmax 1600 impuls/s, 2 przyspieszenie maksymalne amax 1600 impuls/s. Wartości tych parametrów określane są dla zadajnika w impulsach, który przesyła sygnał taktujący CLK do sterownika silnika krokowego. Pomiary wykonywane były dla następujących nastaw podziału kroku podstawowego (1,8 ): 1/2, 1/8, 1/16. Nastawy te realizowane były na panelu czołowym sterownika za pomocą mikroprzełączników. Badania dokładności pozycjonowania wykonane zostały dla różnych wartości obciążenia hamownicy linowej tj: bez obciążenia m1 0kg, obciążenie o masie m2 0,5kg (moment obciążenia Mo 0,16N m ), obciążenie o masie m3 1kg (moment obciążenia Mo 0,32N m ), obciążenie o masie m4 1,32kg (moment obciążenia Mo 0,42N m ), 3 Promień tarczy hamownicy linowej (rys. 3, poz. 8) r 32,5 10 m. Moment obciążenia M o wyznaczano z wzoru Mo mi gr i 1,2,3,4 (1) W trakcie badań powtarzane były kilkakrotnie pomiary pozycjonowania dla danej nastawy podziału kroku podstawowego i dla danej wartości obciążenia przy wykonywaniu jednego obrotu przez wał silnika. Z zadajnika zadawana była ilość impulsów odpowiadająca jednemu obrotowi dla nastawionego podziału kroku. Natomiast za pomocą enkodera i licznika impulsów określane było rzeczywiste położenie wału silnika krokowego po wykonaniu pełnego obrotu. Dla zastosowanego enkodera na 1 obrotu przypadało 10 impulsów przesyłanych z enkodera do licznika. Na podstawie wykonanych pomiarów można było wyznaczyć: średni kątowy błąd bezwzględny pozycjonowania dla pełnego obrotu 360o n i sr (2) i 1 n gdzie: 5567

5 i błąd bezwzględny pozycjonowania dla i-tej realizacji pomiaru, n liczba realizacji pomiarów. średni względny procentowy błąd pozycjonowania dla pełnego obrotu 360 sr sr 100 (3) 360 Tab. 1. Wyniki błędów pozycjonowania dla pełnego obrotu przy różnych obciążeniach Liczba Bez obciążenia Mo 0,16N m Mo 0,32N m Mo 0,42N m Podział impulsów z kroku sr sr sr sr sr sr sr sr zadajnika [ ] [%] [ ] [%] [ ] [%] [ ] [%] 1/ ,8-0,5-1,8-0,5-1,8-0,5-1,8-0,5 1/ ,3-0,08-0,3-0,08-1,0-0,28-0,2-0,28 1/ ,2-0,05-0,2-0,05-0,7-0,19-0,1-0,03 Rys.4. Zrzut ekranu aplikacji obsługującej zadajnik Na rysunku 4 przedstawiono przykładowy zrzut ekranu aplikacji obsługującej zadajnik (generator trajektorii dla sterownika silnika krokowego) z wypełnionymi polami niezbędnymi do realizacji ruchu 5568

6 (1 obrotu 1600 impulsów) w trybie pozycji zadanej. Pozycjonowanie to realizowane było dla określonych parametrów ruchu (prędkość minimalna 1mpuls/s, prędkość maksymalna 1600 impuls/s, przyspieszenie 800 impuls/s) i dla podziału kroku podstawowego 1/8 przy obciążeniu momentem silnika krokowego Mo 0,16N m ( m2 0,5kg ). Rys. 5. Zrzut ekranu aplikacji obsługującej licznik impulsów Na rysunku 5 przedstawiono zrzut ekranu aplikacji obsługującej licznik impulsów odebranych z enkodera. Wskazuje on rzeczywistą pozycję po wykonaniu jednego obrotu zadanego z generatora trajektorii do sterownika silnika krokowego dla wartości parametrów ruchu, podziału kroku i obciążenia przedstawionych powyżej. Licznik zapewnia czterokrotne zwiększenie katalogowej rozdzielczości enkodera. 5569

7 Rys. 6. Wykres błędów pozycjonowania w funkcji momentu obciążenia dla różnych podziałów kroku podstawowego Rys. 7. Wykres błędów pozycjonowania w funkcji krotności podziału kroku dla różnych wartości momentu obciążenia PODSUMOWANIE Na podstawie przeprowadzonych pomiarów można stwierdzić, że zwiększenie podziału kroku podstawowego wpływało na zmniejszenie wartości błędu pozycjonowania, który w zależności od zastosowanych obciążeń przyjmował wartości z zakresu od -1,8 (-0,5%) do -0,1 (-0,03%). Dla zastosowanego podziału kroku podstawowego 1/2 błąd pozycjonowania przyjmował taką samą wartość -1,8 (-0,5%) niezależnie od wartości momentu obciążenia. Dla podziałów kroków 1/8 i 1/16 przy obciążeniu momentem Mo 0,32N m ( m 1kg ) otrzymano zwiększone wartości błędów pozycjonowania odpowiednio -1,0 (-0,28%) i -0,7 (-0,19%) w stosunku do pozostałych zastosowanych obciążeń jak i przy braku obciążenia. Występowała powtarzalność wyników dla tych samych nastaw podziału kroku podstawowego i wartości obciążeń zarówno dla obrotów prawych (podnoszenie ciężaru) i lewych (opuszczanie ciężaru). Jedynie w przypadku dla podziału kroku podstawowego 1/2 (400 impulsów zadanych 5570

8 z zadajnika) przy wartości momentu obciążenia Mo 0, 42N m ( m 1,32 kg ) dla obrotów lewych (w kierunku działania obciążenia) następowało zrywanie, czyli gubienie kroku. Streszczenie W pracy przedstawiono stanowisko laboratoryjne do sterowania silnikiem krokowym. Zbudowane zostało ono w oparciu o dwufazowy krokowy silnik hybrydowy z dwoma wyprowadzonymi końcami wału sterowany w sposób bipolarny. W stanowisku wykorzystano podzespoły firmy Wobit: sterownik silników krokowych, programowalny generator trajektorii dla sterowników silników krokowych, enkoder obrotowo-impulsowy, programowalny licznik impulsów i prędkości, zasilacz dedykowany do sterowników silników krokowych, zasilacz enkodera, licznika impulsów i generatora trajektorii. Zrealizowano na nim pomiary dokładności pozycjonowania i wyznaczono na ich podstawie błędy dla określonych parametrów ruchu takich jak: prędkość minimalna, prędkość maksymalna, przyspieszenie. Badania wykonane zostały dla trzech wartości podziału kroku podstawowego tj.: 1/2, 1/8 i 1/16 oraz różnych wartości momentu obciążenia. Stanowisko to umożliwia ponadto realizowanie różnych trajektorii ruchu silnika krokowego poprzez opracowywanie programów sterujących. The control system of the stepper motor motion with positioning accuracy verification Abstract The paper demonstrates the laboratory stand for the stepper motor control. It was developed on the basis of the two-phase stepper hybrid motor with the two shaft ends operated as bipolar. For the stand the following Wobit components were used: the stepper motor controller, the programmable trajectory generator for the stepper motor controllers, the rotary encoder, the programmable pulse and speed counter, a power supply designed for the stepper motor controllers, a power supply for the encoder, the pulse counter, and the trajectory generator. The stand was used for the positioning accuracy measurements and on their basis the errors were determined for several motion parameters such as: minimum speed, maximum speed, and acceleration. The tests were made for three values of the basic step division: 1/2, 1/8, and 1/16 as well as for different values of the load moment. The stand also allows the implementation of various stepper motor motion trajectories by developing control programs. BIBLIOGRAFIA 1. Glinka T., Kulesza B.: Laboratorium elektromechanicznych elementów wykonawczych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice Przepiórkowski J.: Silniki elektryczne w praktyce elektronika, Wydawnictwo btc Warszawa Wróbel T.: Silniki skokowe, WNT Warszawa Strona internetowa producenta aparatury wykorzystywanej w stanowisku 5. PN-E Maszyny do sterowania. Silniki skokowe 5571