Dobór i instalacja serwonapędów – porady i wskazówki

Udana realizacja aplikacji elektrycznego serwonapędu wymaga skupienia się na kilku elementach, poczynając od kwestii podstawowych, a skończywszy na elementach specjalistycznych. Kilka wskazówek i porad praktycznych może ułatwić to zadanie.

Dynamiczne serwonapędy mogą być stosowane w bardzo licznych, wymagających aplikacjach, jak np. sterowane numerycznie szlifierki. Na zdjęciu pokazano szlifierkę do zewnętrznych i zewnętrznych powierzchni głowic cylindrów w pompie wtryskowej silnika diesla, napędzaną przez cyfrowe serwonapędy firmy Bosch Rexroth. (Zdjęcie od Bosch Rexroth Corp.)

Systemy elektrycznych serwonapędów zapewniają wysoce zaawansowane i precyzyjne sterowanie poruszających się mechanizmów,wykorzystywanych w coraz większej liczbie aplikacji przemysłowych.

Serwonapędy dostępne są w dwóch podstawowych trybach pracy: szybkie i precyzyjne pozycjonowanie (punkt do punktu) obciążenia mechanicznego, sterowanie prędkością napędu czy regulacja momentu, synchronizacja wieloosiowa oraz łagodne, dokładne prowadzenie trajektorii pomiędzy dwoma punktami końcowymi, wykorzystywane np. przy kształtowaniu i obróbce krawędzi powierzchni.

Jedną z charakterystycznych cech ukształtowanych już technologii, a za taką uchodzą serwonapędy, jest zbiór zalecanych metod i wskazówek dotyczących projektowania odpowiednich aplikacji, oferujący użytkownikom końcowym wiedzę dotyczącą praktycznej implementacji technologii w realizacji konkretnych zadań. 

W zbiorze tym znajdują się zarówno proste, praktyczne porady (dotyczące bezwładności napędu, właściwego jego uziemienia i ekranowania, chłodzenia itp.), jak również wskazówki dotyczące realizacji skomplikowanych algorytmów precyzyjnej regulacji serwonapędów.

Odnośnie tych ostatnich podane są liczne wskazówki i zalecenia, ponieważ dobry system serwonapędowy musi być przede wszystkim precyzyjnie regulowany, tak by wykonywać powierzone mu zadania dokładnie i przy wymaganej przez użytkownika dynamice pracy.

Sztuka tworzenia aplikacji wiąże się ściśle z realizacją udanego systemu serwonapędowego. Logicznym podejściem jest więc rozpoczęcie od kompleksowego spojrzenia na cały system napędowy, włączając w to analizę mechatroniczną całego układu.

Zakup odpowiedniego systemu napędowego

Zdaniem Georga Ellisa, głównego inżyniera technik serwonapędowych w firmie Danaher Motion zakup sterownika, układu regulacji i samego serwonapędu zaprojektowanych jako urządzenia dedykowane do współpracy z sobą jako jednolity system, pozwoli na unikniecie licznych problemów związanych z okablowaniem, odpowiednią konfiguracją i komunikacją między elementami systemu. Jedną z zasadniczych komplikacji przy zakupie elementów systemu z różnych źródeł (firm), jest kwestia prawidłowego połączenia kabli i przewodów, które mogą mieć różną kolejność w silniku, terminalach łączeniowych sterownika i urządzeniach pracujących w pętli sprzężenia zwrotnego (enkodery, resolvery, czujniki Halla itp.).

 
 

Funkcja sprzężenia bezwładnościowego typu feedforward (ang. IFF), będąca częścią sterownika firmy B&R Industrial Automation, redukuje błędy opóźnienia w stosunku ponad 300:1 w aplikacjach trudnych do dostrojenia i doboru nastaw sterownika, zwiększa wartość momentu obrotowego oraz skraca czas osiągania przez napęd określonej pozycji

– Przypadkowa zamiana dwóch przewodów może spowodować zatarcie się silnika lub jego bezładne obracanie się (poza sterowaniem) lub nawet uszkodzenie silnika, enkodera czy serwonapędu podłączonego do niego. – Podobnie ma się sprawa w momencie błędnego podania parametrów konfiguracyjnych do sterownika lub układu regulacji, co może spowodować nieprawidłową pracę układu bez oczywistych i od razu widocznych przyczyn – stwierdza George Ellis.

Za opcją zakupu silnika i sterownika od jednego producenta przemawia również kwestia kompatybilności nastaw i algorytmów regulacji w zapisanych w oprogramowaniu dla danego systemu serwonapędowego.

W związku z tym, że jednak w niektórych przypadkach zakupione oddzielnie elementy systemu pasują do siebie, redakcja amerykańskiego wydania Control Engineering postanowiła zweryfikować opinie na ten temat wśród swoich czytelników. W ostatniej ankiecie na ten temat (marzec 2006) aż 71% respondentów preferowałozakup dopasowanych do siebie sterowników i silników, 12% wolało zakupić elementy systemu z różnych źródeł.

– W przypadku zakupu kompletnego systemu serwonapędowego sprawdza się zasada, iż będzie on szybciej uruchomiony i będzie lepiej, poprawniej pracował – dodaje George Ellis.

Zaawansowana funkcja doboru nastaw w sterowniku cyfrowym firmy GE Fanuc bazuje na automatycznym uczeniu się układu i dążeniu do maksymalnej redukcji strat w układzie napędowym. W zaprezentowanej powyżej operacji obróbki konturu (2 stopnie swobody) standardowy błąd obróbki wynikający ze strat w ruchu silnika (luzy, sprężystość), wynoszący ±5 µm eliminowany jest przez układ już po ośmiu krokach (pętlach) uczących  

Dobre wyregulowanie sterownika jest niezwykle istotne

– Regulacja napędu to proces bazujący na prawidłowym doborze nastaw kilku torów wzmocnienia (zazwyczaj od trzech do pięciu) tak, by uzyskać szybką, stabilną odpowiedź układu, bez nadmiernych szumów i zaburzeń – wyjaśnia George Ellis. – Jednakże, regulacja systemów serwonapędowych może być nieco utrudniona, bardziej jednak z powodu nieznajomości obowiązujących w niej zasad, niż poziomu skomplikowania.

– Unikać należy metody prób i błędów, gdy nastawy torów wzmocnienia zmieniane są raz w górę, raz w dół w nadziei uzyskania poprawnej odpowiedzi na wyjściu układu. Bez przyjęcia właściwego planu nastawy mogą wyrwać się spod kontroli. Producent danego serwonapędu może udostępnić informacje o tym, jak przeprowadzić właściwą dla niego procedurę regulacji układu każdemu użytkownikowi, niekoniecznie posiadającemu tytuł magistra inżyniera ze specjalnością teorii sterowania – stwierdza pan Ellis. John Mazurkiewicz, kierownik działu serwonapędów w firmie Baldor Electric Co. zauważa, iż współczesne sterownik serwonapędów pozwalają na ręczną lub automatyczną ich regulację; doświadczeni inżynierowie zazwyczaj wybierają tę pierwszą opcję, jednakże pamiętać należy, że wymaga ona więcej czasu na zrealizowanie. W przypadku opcji automatycznego doboru nastaw zaleca on najpierw przeprowadzenie próby bez obciążenia silnika, a następnie powtórzenie operacji już przy obciążeniu, dzięki takiemu podejściu użytkownik ma szansę zapoznania się z procedurami sterowania oraz zaobserwowania zachowania się obciążenia. – Automatyczna regulacja sterownika dotyczy zazwyczaj pętli sprzężenia prądowego i prędkościowego, jednakże sterowniki firmy Baldor są pod tym względem unikalne i dobierają nastawy dla pętli sprzężenia od pozycji wału silnika, co ułatwia cały proces regulacji. Przeprowadzenie pełnej procedury doboru nastaw torów wzmocnienia w sterowniku trwa zwykle ok. 10 minut – wyjaśnia John Mazurkiewicz.

Sprzężenia typu feedforward

Jeżeli dobór nastaw serwonapędu za pomocą ogólnie znanych metod dla regulatorów PID okazuje się zbyt trudny w przypadku aplikacji obciążonych zbyt dużym momentem bezwładności, przedstawiciele firmy B&R Industrial Automation zalecają rozważenie zastosowania sprzężenia prądowego typu feedforward (tzw. w przód). Dotyczy to w szczególności aplikacji, w których istnieją zespoły mechaniczne o łagodnym działaniu (pasy transmisyjne, długie i cienkie wały napędowe) lub znaczne luzy, duże tarcie, zwisające obciążenia napędu oraz elementy sprężyste. Wszędzie tam zaleca się stosowanie wspomnianej wcześniej metody, znanej również jako sprzężenie bezwładnościowe (ang. IFF – inertia feedforward).

– Zamiast wytwarzania wymaganego momentu obrotowego przez pętle sterowania typu PID metoda sprzężenia prądowego feedforward pozwala sterownikowi na obliczenie właściwego prądu (momentu) wewnątrz – wyjaśnia Markus Sandhoefner, specjalista z zakresu sterowania napędów w firmie B&R Industrial Automation. – Aby metoda była skuteczna, obliczenia te muszą być prowadzone w tzw. czasie rzeczywistym wewnątrz sterownika. Jeżeli prąd podawany jest z wyprzedzeniem, regulator PID pozostaje aktywny, ale w celu osiągnięcia maksymalnej precyzji działania układu jego nastawy nie muszą być dobrane tak, aby wałek sztywno trzymał pozycję.

Cechą charakterystyczną wszystkich układów regulacji typu PID jest wprowadzane przez nie znaczące opóźnienie sygnału. Wspomniana tu metoda IFF skutecznie radzi sobie z dużymi momentami bezwładności oraz innymi wymienionymi uprzednio problematycznymi obciążeniami napędu, dzięki radykalnej redukcji tegoż opóźnienia (patrz: wykres „Redukcja błędu opóźnienia…”). Firma B&R oferuje metodę dobru nastaw sterownika z wykorzystaniem metody IFF jako standardową, dostępną dla użytkownika funkcję w swoich sterownikach serwonapędów serii Acopos / AcoposMulti.

Pełne wykorzystanie narzędzi do doboru nastaw

Istnieje bardzo wiele technik doboru nastaw układów serwonapędowych. Paul Webster, kierownik działu serwonapędów w firmie GE Fanuc Automation Inc. podkreśla jednak, iż zazwyczaj ich producenci ładują do swoich sterowników tylko standardowe parametry i nastawy, bez przeprowadzania operacji ich precyzyjnego doboru. Taka maszyna pracuje poprawnie, ale w zasadzie nic więcej się z nią nie dzieje. – Standardowe nastawy i parametry dobierane są tak, by maszyna uzyskiwała swe podstawowe osiągi w pospolitych aplikacjach. Przeprowadzenie poprawnej procedury doboru nastaw i wyregulowania sterownika serwonapędu może przyczynić się do znacznej poprawy jej osiągów – stwierdza Paul Webster. 

Oferowane przez firmę Baldor oprogramowanie NextMove e100 synchronizuje pracę układu napędowego o 15 stopniach swobody w pokazanej na zdjęciu giętarce rur firmy Unison TJP Electronics Ltd. z Wielkiej Brytanii, mogącej prowadzić kilka procesów gięcia jednocześnie. Każda z głowic wyginających jest napędzana przez serwonapęd firmy Baldor ze sterownikiem z automatycznym doborem nastaw i silnikiem bezszczotkowym

Oprócz wspomnianych procedur początkowe parametry układu napędowego ustawiane dla uzyskania wysokiej precyzji lub szybkości działania są niekiedy dostępne za przyciśnięciem jednego guzika, jak to ma miejsce np. w prostych sterownikach serii 0i-C firmy Fanuc czy też w oprogramowaniu Servo Guide dla bardziej zaawansowanych sterowników tejże firmy. Kolejnym, niezwykle istotnym etapem procesu poprawy parametrów i osiągów serwonapędów jest ustawienie wzmocnienia toru prędkości i filtrów rezonansowych, z wykorzystaniem charakterystyk Bodego. Przychodzą tu z pomocą funkcje dostępne we wspomnianym już pakiecie programowym Servo Guide.

Na podstawie charakterystyk Bodego możliwa jest ocena stabilności serwonapędu poprzez analizę odpowiedzi częstotliwościowej jego pętli sterowania w zależności od modułu wzmocnienia (mierzonego w dB) i kąta fazowego (w stopniach). Istotne informacje z tych charakterystyk dotyczą szerokości dostępnego pasma częstotliwości (przy stałej wartości wzmocnienia) przy wartościach wzmocnienia poniżej 10 dB oraz zapas wzmocnienia przy częstotliwościach, gdzie tłumienie wynosi -20 dB. O skutecznym doborze parametrów filtrów rezonansowych świadczy wyeliminowanie z charakterystykBodego dodatnich impulsów częstotliwości oraz utrzymanie tłumienia częstotliwości poniżej -10 dB.

Paul Webster informuje, iż w celu uzyskania maksymalnych osiągów w pracy serwonapędów firma GE Fanuc w swoich urządzeniach sterowanych numerycznie CNC dostarcza zaawansowane funkcje doboru nastaw. Proste, intuicyjne aplikacje nawigacyjne pomagają przejść użytkownikowi przez ten proces krok po kroku. Ważną rolę odgrywa tu funkcja dynamicznego uczenia się układu, automatycznie redukująca straty w ruchu silnika właśnie w aplikacjach CNC. Starty te to przede wszystkim luzy, powstające na skutek przerw pomiędzy elementami mechanicznymi, a ponadto sprężystość niektórych elementów. Te dwa odrębne elementy strat ruchu silnika oddziaływają wspólnie na system, powodując w nim opóźnienia oraz wywołując efekt strat ruchu widoczny na wykresie kołowym (patrz: wykres „Proces uczenia się układu automatycznej redukcji błędu obróbki krawędzi”).

– Funkcją wykorzystywaną do eliminacji strat ruchu silnika jest tzw. „wyprzedzenie luzów”, w której automatycznie wykrywana jest wartość luzu i dodawany odpowiedni sygnał korekty do sygnału zadającego prędkość silnika, tak by ograniczyć ich wpływ na pracę napędu – wyjaśnia Paul Webster.

Dynamiczny proces doboru nastaw prowadzony jest aż do skutku, to znaczy do momentu, gdy użytkownik będzie zadowolony z osiągów i dokładności pracy napędu. – Po zapoczątkowaniu proces uczenia się układu przebiega już samoistnie, ucząc się, poprawiając nastawy na podstawie własnych, wcześniejszych błędów – dodaje Webster.

Inni producenci i dostawcy serwonapędów również oferują podobne funkcje korekty strat i luzów w układach swojej produkcji.

Nie można zapomnieć o bezwładności układu napędowego

Niezwykle istotnym współczynnikiem w układach napędowych jest stosunek bezwładności obciążenia do bezwładności własnej napędu. Istnieją liczne zasady i wskazówki, zalecające utrzymanie wartości tego stosunku w proporcjach 10:1 (lub mniej – na podstawie danych firmy Baldor Electric). – Niektórzy mogą sugerować większe wartości tego współczynnika, jednakże celem głównym jego zachowania w proponowanych granicach jest maksymalna redukcja obszaru niedopasowania bezwładności, a tym samym ułatwienia regulacji sterownika serwonapędu – wyjaśnia John Mazurkiewicz.

Eksperci firmy Bosch Rexroth Corp. również zalecają analizę bezwładności obciążonego układu. – Szybkie zmiany prędkości obrotowej i pozycjonowanie wału silnika stają się bardzo trudne do realizacji, jeżeli bezwładność obciążenia jest znacznie większa od jego bezwładności własnej – wyjaśnia Brian Van Laar, starszy inżynier aplikacji w firmie Bosch Rexroth. – W niektórych przypadkach bezwładność obciążenia może niejako dodatkowo napędzić wał silnika, powodując jego „przelot” przez żądaną pozycję zatrzymania i zwiększając czas jego ustalenia.

Firma Bosch Rexroth zaleca stosowanie następujących stosunków bezwładności, zależnie od aplikacji: <2:1 w układach szybkiego pozycjonowania, <5:1 w aplikacjach łagodnego pozycjonowania oraz <10:1 przy szybkich zmianach prędkości serwonapędu.

Jednym z możliwych sposobów poprawy wskaźnika niedopasowania bezwładności jest zwiększenie przełożenia przekładni lub skoku śruby z nakrętką kulkową (ang. ball screw pitch) – jeżeli tylko aplikacja na to pozwala. Skutkuje to redukcją stopnia oddziaływania bezwładności obciążenia na silnik. Wyboru odpowiedniego silnika, przekładni i skoku śruby dokonać należy równocześnie, nic nie pozostawiając przypadkowi czy działaniu machinalnemu. Z drugiej strony, znacznie większy stosunek wartości bezwzględnych może być uwzględniony i nieco zredukowany przez odpowiedni dobór ustawień sterownika. Na przykład przedstawiciele firmy Baldor wspominają przypadek serwonapędu, który po procedurze ręcznego doboru nastaw pracował poprawnie przy stosunku bezwładności na poziomie 14:1. Proces doboru nastaw wymagał jednak około sześciu godzin. Redukcja błędów odpowiedzi jest możliwa jeszcze przy większym niedopasowaniu bezwładności obciążenia i silnika.

Szczególną uwagę należy poświecić silnikowni
John Mazurkiewicz z firmy Baldor przytacza kilka istotnych kwestii związanych z instalacjami serwonapędów:

  • Silnik nie osiąga żądanej prędkości ze względu na zbyt niską wartość napięcia zasilania. Silnik powinien mieć zawsze margines dopuszczalnych zmian wartości skutecznej napięcia zasilania na poziomie ±10%, umożliwiający jego pracę w okresach obniżenia wartości napięcia w sieci zasilającej. Wartość tę należy mierzyć na zaciskach silnika.
  • Niewystarczający moment obrotowy silnika może być wynikiem niedoszacowania wartości obciążenia (silnik ma zbyt małą moc) lub rozmagnesowanie silnika (przez magnesy ferrytowe). Zjawisko to jest stosunkowo łatwe do wykrycia za pomocą woltomierza lub oscyloskopu: należy zmierzyć wartość napięcia przy silniku pracującym z ustaloną prędkością, a następnie wyłączyć go z zasilania i doprowadzić do tej samej prędkości ustalonej za pomocą innego silnika i zmierzyć napięcie. Jeżeli napięcie wyjściowe nie jest takie samo, oznacza to, że silnik uległ rozmagnesowaniu. Ponowne jego namagnesowanie musi być wykonane przez producenta silnika, ale wcześniej należy sprawdzić, co było przyczyną rozmagnesowania i przyczynę tę zlikwidować.
  • Przegrzanie serwonapędu wynika ze zbytniego obciążenia napędu lub wręcz jego przeciążenia – silnik jest zbyt słaby dla danej aplikacji lub też może być wynikiem obecności prądu tętniącego (sprawdzić oscyloskopem). – Tętnienia prądu mogą być efektem dobru niewłaściwych nastaw sterownika lub nieprawidłowych ustawień urządzeń w pętlach sprzężeń zwrotnych – wyjaśnia John Mazurkiewicz. Ostrzega on jednocześnie przed ewentualnymi próbami „mierzenia” temperatury silnika dotykając jego obudowy. Temperatura ta bowiem może osiągać wartość nawet 100- -125OC dla prawidłowo ustawionych i pracujących serwonapędów z silnikami bezszczotkowymi.

Należy dbać o urządzenia w pętlach sprzężeń

W przypadku resolverów należy sprawdzać ich rezystancję za pomocą omomierza podłączonego do zacisków silnika oraz kabli. W przypadku enkoderów zaś należy posłużyć się zasilaczem 5 V i oscyloskopem, w celu sprawdzenia poprawności kształtu przebiegów prostokątnych na jego kanałach A i B, mierząc sygnały pomiędzy tymi kanałami (±A i ±B). W żadnym razie nie wolno zwijać przewodów pętli sprzężenia.

Niektóre sterowniki napędów pozwalają również na inne sposoby sprawdzenia poprawności działania urządzeń w pętlach sprzężeń. Na przykład sterowniki serii II firmy Baldor mają funkcję o nazwie feedback fault enable, sprawdzającą sygnały pętli sprzężeń, a w przypadku ich braku zgłaszają błąd układu.

Chłodny silnik = lepsze osiągi

Ciepło powstające wewnątrz silnika elektrycznego zawsze oddziałuje na niego negatywnie. Jednakże silniki pracujące jako napędy bezpośrednie dla innych mechanizmów (obrotowych lub liniowych), ze względu na ścisłą, fizyczną integrację z nimi, stają się dodatkowo źródłem ciepła wpływającym negatywnie również na ich pracę. Dlatego też silniki takie są najczęściej chłodzone cieczą, dla utrzymania odpowiednio niskiej temperatury. Stosuje się je przeważnie w takich aplikacjach, jak szybkie maszyny do cięcia metali, w tartakach oraz suwnice przemysłowe.

   

Sterownik serwonapędu Kollmorgen S200 i silnik AKM firmy Danaher Motion stanowią kompletne rozwiązanie układu serwonapędowego, który łatwo może być zoptymalizowany i dostosowany do różnych, wymagających aplikacji

Karl Rapp, kierownik działu automatyki i maszyn w firmie Bosch Rexroth zaleca zwrócenie szczególnej uwagi na dobór odpowiednich chłodnic dla zainstalowanych silników, miejsce ich lokalizacji na maszynach, ich obciążenie oraz temperatury pracy (maks./min oraz otoczenia). Ciśnienie płynu chłodzącego jest niezwykle istotnym czynnikiem, związanym z położeniem (wysokością) każdego z silników względem pompy, średnicą rur doprowadzających oraz długością całkowitą toru obiegu cieczy chłodzącej w układzie chłodzenia.

– W przypadku układów wielosilnikowych należy korzystać z rozgałęzionej architektury systemu rur, tak by zapewnić odpowiedni przepływ cieczy dla każdego z silników. Powinien być on kontrolowany za pomocą specjalnych czujników na wyjściu drogi obiegu cieczy dla każdego silnika – wyjaśnia Karl Rapp.

Zaleca się stosowanie cieczy chłodzących na bazie wody lub oleju, jednakże nie wody z wodociągów czy ruchowej lub innych, olejów płynów maszynowych. Skład chemiczny tych substancji bowiem może prowadzić do stopniowego zablokowania przepływu cieczy chłodzącej, przegrzania silnika, a w rezultacie jego zatrzymania i przerw w produkcji. – Co miesiąc należy badać wartość wskaźnika pH cieczy chłodzącej, by zapobiec chemicznej erozji i wyciekom – dodaje Karl Rapp.

Podkreśla również, że systemy automatycznego funkcjonowania i monitorowania systemu chłodzenia uległy obecnie znacznemu uproszczeniu, co pozwala na stosowanie w nich również mniej zaawansowanych urządzeń i czujników temperatury, przepływu, ciśnienia oraz współczynnika pH. 

Decentralizacja układów wieloosiowych

Wraz ze wzrostem liczby osi swobody serwonapędów w maszynach wymagana ich przepustowość, precyzja i elastyczność stały się elementami kompromisu w stosunku do możliwości funkcjonalnych i mocy obsługujących je sterowników. Eksperci firmy B&R Industrial Automation zalecają stosowanie rozproszonego sterowania napędami w aplikacjach wieloosiowych (wiele stopni swobody), w celu łatwego rozdzielenia obciążenia i komunikacji pomiędzy wszystkie silniki i sterowniki w układzie napędowym. Chodzi tu o takie aplikacje, jak: drukarki, napełniarki czy linie montażowe.

Rozproszone sterowanie maszynami napędowymi różni się zupełnie od podejścia scentralizowanego, korzystającego ze standardowego sterownika, na przykład 8- czy 16-osiowego, gdzie, jeżeli w układzie jest konieczne sterowanie 10- czy 18-osiowe, należy zastosować kolejny sterownik. – W rzeczywistości układy o strukturze rozproszonej eliminują konieczność stosowania scentralizowanych sterowników ruchu lub układów z mikrokontrolerami, ponieważ wszystkie niezbędne w szybkich układach obliczenia są prowadzone bezpośrednio w indywidualnych sterownikach przy silnikach – wyjaśnia Sandhoefner z firmy B&R. – Eliminuje się również potrzebę precyzyjnej synchronizacji pomiędzy sterownikami napędów, prostsza jest również niezbędna instalacja i okablowanie. Logiczne i systemowe funkcje obsługi układów We/Wy wciąż realizowane są jednak w centralnym sterowniku nadrzędnym (master).

W układzie rozproszonym stan sterownika master jest szybko przekazywany do wszystkich sterowników podrzędnych (slave) poprzez siećdziałającą w tzw. czasie rzeczywistym (np. EthernetPowerlink), co pozwala każdemu napędowi na równoczesne ustalenie jego własnej pozycji w układzie – tłumaczy dalej Sandhoefner. Następnie pozycje każdego sterownika poziomu slave są przyjmowane jako nowe ustawienie pozycji odniesienia w pętli sterowania – również wewnątrz indywidualnych sterowników. – W efekcie końcowym realizacja procesu sterowania silnikami nie jest już dalej zależna od liczby osi swobody dostępnych w danej aplikacji, nawet w momencie dołączania nowego modułu czy układu – wyjaśnia Sandhoefner.

Ostatnia rada: nigdy nie zapomnij o zaleceniach producenta – zawsze należy zapoznać się z literaturą, instrukcjami i folderami zamieszczanymi na ich stronach WWW, traktując te materiały jako cenne źródło wiedzy o serwonapędach oraz ich możliwościach zastosowania w konkretnych aplikacjach.

ce

Artykuł pod redakcją
Andrzeja Ożadowicza 


Polska: Coraz częstsze zastosowanie serwonapędów elektrycznych

Polscy konstruktorzy coraz częściej interesują się zastosowaniem serwonapędów elektrycznych, tam gdzie dawniej stosowali napędy falownikowe lub krokowe. Mimo tego, że taki układ napędowy jest droższy w zakupie, to ogólne koszty systemu wliczając w to koszt instalacji, wykonania oprogramowania i czas uruchomienia są często porównywalne. Dzieje się tak szczególnie, gdy napędy są wyposażone w narzędzia, jakie oferuje firma Baldor (kreator konfiguracji systemu „krok-po-kroku”, pełny autotuning, kształtowanie charakterystyk dynamicznych, filtry rezonansowe, test okablowania itp). Zastosowanie nowoczesnego protokołu komunikacyjnego Ethernet Powerlink pozwala na redukcję kosztów okablowania. Zastosowanie nowych modułowych napędów MotiFlex pozwala na efektywniejsze wykorzystanie energii, szczególnie w aplikacjach wieloosiowych, co redukuje koszty eksploatacji. Dzięki gotowym funkcjom dedykowanym do sterowania ruchem można szybciej napisać oprogramowanie sterujące napędami i całym urządzeniem. Niektóre napędy firmy Baldor mają tak rozbudowane oprogramowanie, że do sterowania urządzeniem nie trzeba stosować dodatkowych sterowników PLC. Maszyny napędzane serwonapędami działają precyzyjniej, z większą dynamiką i prędkością. Charakterystyki serwonapędów bardzo często pozwalają na zastosowanie silników mniejszych, niż w przypadku napędów falownikowych i krokowych. Konstruktorzy nie zawsze zdają sobie z tego sprawę, dlatego często sugerujemy im konsultacje z nami przy doborze napędów lub wykorzystanie wspomagającego ten proces oprogramowania firmy Baldor.

 
dr inż. Sławomir Bydoń, MULTIPROJEKT,
przedstawiciel firmy Baldor w Polsce,
sbydon@multiprojekt.com.pl 


 Punkt widzenia dostawcy

Dobierając serwonapęd należy zastanowić się nad stopniem skomplikowania funkcjonalności, jaką ma on realizować. Generalnie, większą funkcjonalność osiąga się stosując do serwonapędu sterownik CNC, ale jeżeli nie jest konieczna zaawansowana funkcjonalność, można wykorzystać sterownik PLC, np. serii Beta-is, produkcji firmy GE Fanuc Automation, który jest rozwiązaniem tańszym niż CNC. Wykorzystanie sterownika PLC do kontroli pracy serwonapędu niesie z sobą niekiedy ograniczenia w postaci braku interpolacji kołowej czy braku możliwości przeładowania na ruchu programu sterującego osią; jednakże okazuje się, że w prostszych maszynach ta funkcjonalność niejednokrotnie po prostu nie jest potrzebna. Zupełnie wystarczające jest skorzystanie z takich narzędzi, jak niezależna praca lub praca nadążna osi (w sprzężeniu follower), realizacja złożonego profilu ruchu wg tzw. krzywki elektronicznej (profili CAM), możliwość uruchomienia, oprócz programu w PLC, również dodatkowego, szybkiego programu logicznego, realizowanego w samym module pozycjonującym, korzystającym z szybkich wejść i wyjść. Dodatkowym zyskiem płynącym z zastosowania serwonapędu wbudowanego w sterownik PLC firmy GE Fanuc Automation jest uzyskanie dwóch funkcjonalności z jednego produktu: sterowanie procesami PLC, a więc obsługa sygnałów dwustanowych, analogowych, regulacja PID itp., a także sterowanie pracą osi serwonapędu, przy czym zarówno jedna, jaki i druga funkcjonalność ma cechę skalowalności, czyli takiego doboru ilości wejść / wyjść czy też osi, jaka jest potrzebna pod kątem konkretnej maszyny.

Brak podatności na zakłócenia elektromagnetyczne

Niezwykle ważnym czynnikiem, który wpływa na jakość, a więc przede wszystkim dokładność i szybkość pozycjonowania osi, jest niewrażliwość serwonapędu na zakłócenia. Praktycznie większość maszyn pracuje w środowisku mocno narażonym na przeróżne zakłócenia i konieczna jest ochrona serwonapędu przed ich wpływem na pracę maszyny. Ważniejsze sposoby ograniczania wpływu zakłóceń, oprócz stosowania filtrów, to:

1. Rozdzielenie jednostki sterującej (głównych procesorów sygnałowych) od części silnoprądowej, czyli przetwornicy częstotliwości, będącej źródłem sporych zakłóceń. Uzyskuje się to przez umieszczenie ich w osobnych obudowach i fizyczne oddalenie od siebie.

2. Stosowanie cyfrowego, a nie analogowego łącza komunikacyjnego pomiędzy jednostką sterującą a wykonawczą częścią silnoprądową.

3. Wykorzystanie kabli światłowodowych, zamiast miedzianych, do realizacji łącza pomiędzy jednostką sterującą a przetwornicą częstotliwości, co daje jego 100% niewrażliwość na zakłócenia elektromagnetyczne, przy czym system sterowania serwonapędami można w ten sposób przy okazji rozproszyć na sporym obszarze (np. na linii produkcyjnej o długości 400 m, przypadku rozwiązań firmy GE Fanuc Automation).

Przydatną praktyczną cechą serwonapędów, mających rozdzieloną część sterującą od przetwornicy częstotliwości, jest brak konieczności programowania i konfigurowania osobno części sterującej i osobno przetwornicy częstotliwości. W momencie załączenia zasilania dane konfiguracyjne powinny być automatycznie przesyłane z jednostki sterującej do przetwornicy częstotliwości i tak dzieje się chociażby w przypadku serwonapędów firmy GE Fanuc Automation.

Grzegorz Faracik
specjalista ds. systemów sterowania w firmie ASTOR