Rys.14 Schemat funkcjonalny układu RDC.

Transkrypt

1 mogą przetwarzać dane pomiarowe z TPK, których wał obraca się z maksymalną prędkością obr/min, częstotliwość napięcia referencyjnego musi się zawierać w przedziale od 50 do [Hz], w robotach ABB przytaczanych powyżej częstotliwość ta wynosi 4 [khz]. Sygnały jakie otrzymujemy z układu to 10, 12, 14 lub 16 bitowa informacja o kącie położenia wału oraz informacja analogowa o prędkości kątowej wału TPK. Zasadę działania układów RDC przedstawia schemat funkcjonalny z rys. 14 [AD02]. Rys.14 Schemat funkcjonalny układu RDC. Sygnały wejściowe układu z rys.4 to przebieg: sinusoidalny i kosinusoidalny, które na wstępie są przemnażane przez współczynniki skalujące. W bloku funkcjonalnym oznaczonym nr 1 następuje operacja odjęcia. Od sygnału będącego informacją o kącie obrotu wału TPK odejmowana jest przetworzona na sygnał analogowy informacja o pomierzonym kącie obrotu w poprzednim kroku pomiarowym. Sygnał wyjściowy bloku nr 1 opisano zależnością (5): (5) gdzie: (6) a, to częstotliwość napięcia referencyjnego. Następnie informacja o zmianie kata obrotu wału zawarta w zależności (5) jest zamieniana na sygnał analogowy w układzie demodulatora fazoczułego, w którym następuje przekształcenie zmian częstotliwości na zmiany amplitudy, zgodnie z zależnością (7), (7) gdzie wyjściowy sygnał w fazie i przeciwfazie jest wartością skuteczną (ang. RMS root mean square ) sygnału wejściowego. W kolejnym kroku sygnał jest całkowany w układzie integratora, przy czym występujące na schemacie elementy rezystancyjne i pojemnościowe w układzie integratora są elementami zewnętrznymi tzn. nie są wbudowane w układ scalony. Ponadto przed integratorem mamy możliwość zastosowania zewnętrznych filtrów. Wyjściowy sygnał z układu całkującego jest analogowym sygnałem proporcjonalnym do prędkości kątowej wału. W celu uzyskania cyfrowej informacji o położeniu kątowym wału sygnał jest przetwarzany przez generator sterowany napięciem (ang. VCO), w którym częstotliwość okresowego prostokątnego sygnału wyjściowego jest proporcjonalnej do napięcia wejściowego. Następnie układ licznika dwukierunkowego oblicza na podstawie częstotliwości zmian sygnałów z generatora VCO oraz informacji o kierunku zmian, aktualną pozycję kątową 12

2 wału. O wyborze ilości bitów przeznaczonych do reprezentacji kąta decyduje użytkownik poprzez zewnętrzne adresowania dwóch sygnałów cyfrowych. Reasumując możemy powiedzieć, że zaprezentowany tor pomiarowy złożony z TPK i układu RDC pozwala w robotach na odczyt w postaci cyfrowej wartości kąta położenia wału TPK oraz dostarcza analogowej informacji o prędkości kątowej wału, która dla potrzeb aplikacji może być przetworzona na reprezentację cyfrową lub jako sygnał analogowy może zostać w kolejnych układach elektronicznych przetworzona na sygnał proporcjonalny do przyspieszenia kątowego. Bardzo istotnym problemem związanym z wykorzystaniem wartości informacji dostarczanych przez omawiany system pomiarowy jest jego kalibracja, czyli podanie wartości jaką w systemie przyjmujemy jako położenie zerowe kąta w złączu. Możliwych jest tu kilka rozwiązań. Jednym z nich jest fabryczne ustawienie pozycji zerowej i parkowanie robota w tej pozycji w celu np. odłączenia zasilania. System pomiarowy w takim przypadku zawsze będzie startował z pozycji zerowej a wartość k ze wzoru (4) będzie wyliczana podczas ruch. Pojawia się tu oczywiście problem z zapewnieniem zasilania w sytuacjach awaryjnych polegających na dostarczeniu energii pozwalającej na przejazd robota do miejsca parkowania. Innym rozwiązaniem jest np. zapamiętywanie pozycji robota w punkcie w którym następuje jego wyłączenie. Powstaje tu problem w jaki sposób zapewnić zasilanie układom pamięci na czas zapisania informacji. Można zastosować tu kondensatory o dużej pojemności dostarczające energię potrzebną na zapisanie pozycji w pamięci nieulotnej lub zastosowanie zespołu baterii podczytujących pracę układów rejestrujących pozycję. To ostatnie rozwiązanie jest wykorzystywane w robotach IRB 140 i Przytoczone informacje dotyczące sposobu pomiaru przemieszczenia oraz prędkości w złączach robota pozwalają na zrozumienie celowości przeprowadzania prac kalibracyjnych przedstawionych powyżej. 6 Napędy elektryczne robotów przemysłowych W robotach jako napędy realizujące obrót w złączach obecnie najczęściej wykorzystywane są silniki prądu stałego lub przemiennego z magnesami stałymi. Oprócz napędów elektrycznych możliwe jest również zastosowanie napędów hydraulicznych czy pneumatycznych, jednak liczba ich implementacji jest niewielka z powodu trudności w sterowaniu oraz niedogodności z transportowaniem medium zasilającego. W robotach IRB 140 oraz 1600, które wykorzystano do prac weryfikacyjnych omawianych w dalszych rozdziałach, zastosowano jako napędy synchroniczne silniki z magnesami trwałymi. Zasada działania silnika AC z magnesami trwałymi nazywanego często silnikiem PM (skrót od nazwy w języku angielskim Permanent Magnet Motor) w swojej istocie nie różni się od zasady działania silnika synchronicznego. Główna różnica miedzy tymi typami silników polega na tym, że w silniku PM pole magnetyczne wirnika wytwarzają magnesy trwałe. Takie rozwiązanie eliminuje konieczność stosowania na wirniku uzwojenia wzbudzenia i pierścieni ślizgowych, które istniały w klasycznym silniku synchronicznym. Zalety silników z magnesami trwałymi[wnu07]: wysoka sprawność silnika, brak uzwojenia wzbudzenia na wirniku, a dzięki temu brak strat w miedzi w tym uzwojeniu, brak komutatora mechanicznego a tym samym problemów związanych z jego konserwacją, wysokie parametry dynamiczne, 13

3 mały moment bezwładności wirnika i mała indukcyjność uzwojeń stojana, liniowa charakterystyka mechaniczna, liniowa zależność momentu od prądu stojana, duża przeciążalność momentem. Silniki PM obarczone są też wadami: wysoki koszt wykonania, wrażliwość materiałów magnetycznych na wpływ temperatury, prądy stojana działają rozmagnesowujaco na magnesy umieszczone na wirniku, Po przekroczeniu maksymalnego prądu stojana może dojść do trwałego rozmagnesowania wirnika. W dużym uproszczeniu zasadę działania silnika PM zilustrowano na rys. 15. Moment obrotowy wytwarzany na wale silnika powstaje w skutek oddziaływania wirującego pola magnetycznego wytwarzanego na stojanie silnika z magnesami stałymi znajdującymi się na rotorze. Rys.15 Zasada działania trzyfazowego synchronicznego silnika PM W celu pełnego wykorzystania właściwości silnika synchronicznego PM, stosuje się do sterowania metodę polowo-zorientowaną. Podstawa algorytmu takiego sterowania jest reprezentacja wektora prądu stojana w układzie współrzędnych x 1 -y 1 związanych z wirującym wektorem strumienia Ψm (układ współrzędnych x 1 -y 1 wiruje synchronicznie z wektorem Ψm). Wektor prądu rozkłada się wówczas na dwie składowe: Isd składowa prądu oddziaływująca na wypadkowy strumień w silniku, oraz Isq składowa prostopadła do strumienia, tworząca moment w silniku. Kat δ pomiędzy wektorem prądu stojana, a wektorem strumienia jest nazywanym katem obciążenia. Od jego wartości zależy wielkość momentu, który rozwija silnik im większy kat δ tym większa składowa Isq i tym samym silnik wytwarza większy moment przy danym prądzie stojana. Podczas biegu jałowego kat obciążenia δ=0. Układ współrzędnych x 1 -y 1 jest związany z wirującym wektorem strumienia Ψm, a tym samym z wirującym wirnikiem, gdyż w silniku strumień jest wytwarzany przez magnesy trwałe znajdujące się na wirniku. 14

4 Rys. 16a) Wzajemne położenie wektora prądu oraz wektora strumienia w silniku PM, b) wykres momentu w funkcji prędkości dla silnika PM. Układ współrzędnych x 1 -y 1 wiruje z prędkością względem nieruchomego układu współrzędnych x-y związanego ze stojanem. Kąt jest kątem położenia wirnika w układzie współrzędnych x-y. Strumień w silniku PM pochodzi od magnesów trwałych umieszczonych na wirniku, na który oddziałuje prąd stojana. Oddziaływanie wektora prądu stojana może mieć charakter domagnesowujący lub rozmagnesowujący, zależnie od wielkości kąta obciążenia δ. Moment obciążenia we współrzędnych x 1 -y 1 związanych ze stojanem wyraża się wzorem (8). (8) Optymalne sterowanie silnika otrzymujemy wówczas, gdy kat obciążenia δ = π/2. Wówczas prąd stojana jest wykorzystany optymalnie otrzymujemy największy możliwy moment przy danym prądzie stojana. Składowa Isd jest wówczas równa 0, czyli brak jest oddziaływania prądu stojana na pole wirnika. Realizując sterowanie z zachowaniem kata obciążenia δ = π/2 (Isd=0), otrzymujemy w wyniku silnik o właściwościach zbliżonych do obcowzbudnej maszyny prądu stałego. Moment silnika PM jest wówczas wprost proporcjonalny do prądu stojana. Sterowanie silnikiem asynchronicznym z magnesami trwałymi w sposób zapewniający zachowanie kata obciążenia równego dziewięćdziesiąt stopni wymaga zastosowania rozbudowanych algorytmów sterujących. Poniżej zaprezentowano ogólną zasadę działania jednego z takich algorytmów, algorytmu FLUX. Rys.17 Przykładowy algorytm sterowania silnikiem PM. 15

5 Niektóre współczesne przetwornice częstotliwości maja zaimplementowana strukturę sterowania dla silników z magnesami trwałymi PM przedstawiona na rys. 17. Bazuje ona na przedstawionej poprzednio koncepcji sterowania polowo zorientowanego. Pomiar pozycji wału silnika następuje dzięki czujnikowi prędkości (enkoder, rewolwer), zainstalowanemu bezpośrednio na wale silnika. Możliwa jest też metoda sterowania bez czujnikowa, zrealizowana w otwartej pętli sterowania prędkością. Ponadto mierzone są trzy prądy wyjściowe przetwornicy. Na podstawie tych pomiarów blok transformacji współrzędnych x- y/x 1 -y 1 wylicza składowe prądu Isd i Isq (w układzie współrzędnych x 1 -y 1 związanych z wirującym wektorem pola) konieczne do realizacji omówionej poprzednio metody polowozorientowanej. Nad wektorem strumienia w silniku (kontrola modułu i fazy) czuwa zawansowany algorytm polowo-zorientowany oznaczony na rysunku blokiem Model Flux, skąd pochodzi nazwa tego algorytmu algorytm FLUX. Sterowanie tranzystorami IGBT w falowniku jest zrealizowane na bazie modulacji wektora przestrzennego, która jest o wiele korzystniejsza niż stosowana wcześniej modulacja PWM (większa sprawność falownika oraz większa maks. wartość pierwszej harmonicznej napięcia na silniku możliwa do uzyskania z napięcia obwodu DC przetwornicy). Istota modulacji wektorowej jest przedstawiona w literaturze [Las99]. Najważniejszym krokiem przy parametryzacji przetwornicy jest kalibracja położenia wirnika, polegająca na zdefiniowaniu tzw. kąta położenia zerowego. Czujnik położenia wału dostarcza informacji o jego bezwzględnym kącie położenia. Dla algorytmu sterowania jest istotne, aby czujnik podawał wartość kata położenia wirnika równa 0, gdy wirnik przyjmie pozycję zgodna z pozycją pola wytworzonego przez uzwojenie stojana zasilone napięciem DC. Wymuszenie DC możemy uzyskać bezpośrednio z przetwornicy lub z zewnętrznego zasilacza dołączonego do faz silnika. Po wymuszeniu stałego pola magnetycznego wirnik może obrócić się lekko i ustawić w położenie zgodne z kierunkiem pola wytworzonego przez uzwojenia stojana. Bez takiej kalibracji nie jest możliwa poprawna współpraca przetwornicy z silnikiem PM. W robotach IRB 1600 oraz 140 wartości kalibracyjne dla wykorzystywanych napędów są zapisane w pamięci (SMB) można je edytować i zmieniać programowo (popatrz rozdział 8). Są to wartości zdefiniowane na etapie procesu produkcji robotów, przykładowy widok okna konfiguracyjnego panelu dotykowego z wartościami zerowej pozycji silnika (z ang. motor calibration offset) przedstawia rys. 20. Konkludując, przytoczone informacje dotyczące sterowania silników z magnesami stałymi oraz sposobu wytwarzania momentu napędowego mają na celu dostarczenie wiedzy pozwalającej na zrozumieniu w jakim celu dokonywana jest kalibracja silników. 7 Aktualizacja liczników transformatorów położenia kątowego (resolverów) W poprzednich podrozdziałach zaprezentowano jak dostarczyć do systemu zrobotyzowanego informacje gdzie znajduje się robot i elementy w jego przestrzeni roboczej. Ważnym zagadnieniem jest też fakt, że robot podczas ruchu musi w czasie rzeczywistym aktualizować swoją pozycję i orientację na podstawie informacji z TPK. Dla jednoznaczności zdefiniowania kątów w złączach musimy po zaniku zasilania dostarczyć do systemu informacji gdzie jest zdefiniowana pozycja zerowa (kat zerowy w złączu) lub mówiąc inaczej musimy podać informację gdzie znajduje się aktualnie robot w odniesieniu do wcześniej zdefiniowanej pozycji zerowej. Informacje te znajdują się w układach pamięci zamieszczonych na płycie SMB. Kalibracja robotów ma bardzo duże znaczenie, ponieważ wpływa na jakość wykonywanych przez roboty ruchów, ich dokładność i powtarzalność. Zła 16