Ruch maszyn sterowany w pętli sprzężenia zwrotnego

Dzięki zastosowaniu pętli sprzężenia zwrotnego w sterowaniu serwomechanizmami możliwe jest uzyskanie wzrostu wydajności układu, pod warunkiem zachowania należytej uwagi przy jego projektowaniu i instalacji. Pętla zamknięta w układzie sterującym usprawnia monitoring maszyn, pozwala na dokładniejsze pomiary parametrów pracy i lepszą kontrolę całego procesu ? nawet w przypadku występowania zakłóceń wywołanych siłami zewnętrznymi. W pierwszej kolejności należy rozważyć zakup kompletnego systemu od jednego z dostawców. Rozbudowę i modyfikację systemu na własną rękę powinno się stosować tylko w przypadku, gdy dostępne produkty nie spełniają wymogów użytkownika.
Zrozumienie problemów i podstawowych technik projektowania układów z pętlą sprzężenia zwrotnego dla silników pozwala ograniczyć ilość tych problemów. Dotyczy to zwłaszcza zakupu już wcześniej skonfigurowanych systemów.
Najważniejszą zaletą zastosowania pętli sprzężenia zwrotnego jest samoregulacja, wpływająca na poprawę takich parametrów pracy, jak: pozycjonowanie, prędkość i/lub kontrola przekazywanego momentu obrotowego w zautomatyzowanym urządzeniu. Innymi słowy, sprzężenie zwrotne zapewnia wgląd w parametry procesu, zwiększa dokładność odczytów i usprawnia kontrolę ? nawet gdy zewnętrzne zakłócenia wpływają na pożądane ustawienia.
Odejmowanie aktualnego stanu (zmiennych procesowych) od założonych wartości teoretycznych i wykorzystanie powstałej różnicy do zmiany nastaw regulacyjnych procesu za pomocą pętli sprzężenia zwrotnego pozwala na redukcję błędu, umożliwiając maszynie adaptację do zmiennych warunków pracy.
Zastosowanie otwartych pętli sterowania silnikami krokowymi to oszczędność pieniędzy i pracy przy projektowaniu, jednak systemy takie cechuje niski stopień powtarzalności operacji sterowania i mniejsza dokładność w stosunku do systemów sterowania z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego.
Informacja zwrotna o położeniu lub sterowanie z pętlą zamkniętą mogą być realizowane na wiele sposobów, ale wszystkie spełniają tę samą funkcję. Wyjście ze sterownika serwomechanizmu (fot. 1) steruje silnikiem, który realizuje zaplanowany ruch, obrót. Cyfrowy enkoder (fot. 2) lub analogowe urządzenie pomiarowe dostarcza informacji o aktualnej pozycji do sterownika.
Sterownik porównuje żądaną pozycję z wynikiem aktualnego pomiaru zwrotnego z silnika i oblicza błąd położenia. Następnie sterownik dopasowuje sygnał sterujący, zmniejszając błąd położenia, zatem zamyka pętlę informacji. Jest to odmienne rozwiązanie od systemów bez pętli zwrotnej, gdzie położenie lub kąt obrotu mechanizmu nie jest mierzony, co uniemożliwia jego korektę.
Implementacja właściwych połączeń
Systemy sterujące ruchem maszyn są jednymi z bardziej skomplikowanych elementów automatyki, przy czym istnieje zwykle kilka różnych sposobów na uzyskanie tego samego rezultatu. Gdyjuż zapadnie decyzja dotycząca projektu i realizacji nowej aplikacji systemu napędowego, następuje moment wyboru systemu spośród systemów nieskonfigurowanych lub wstępnie skonfigurowanych i przetestowanych już przez dostawcę. Mimo że niektóre bardziej skomplikowane rozwiązania wymagają zastosowania podzespołów od różnych producentów, większość z nich może być zaimplementowana przy użyciu podzespołów od jednego dostawcy.
Tworząc od podstaw system sterujący, konstruktor musi wybrać i określić rodzaj wszystkich serwomechanizmów, rodzaj sterownika oraz innych niezbędnych podzespołów pętli sprzężenia zwrotnego. Takie działanie pozwala zapewnić optymalne osiągi, ale również spowodować powstanie szeregu problemów związanych z różnorodnością monitorowanych sygnałów zwrotnych i niedokładnym sterowaniem.
Dla użytkownika/inwestora dużym finansowym obciążeniem jest koszt zaprojektowania układu. Ci, którzy mają to za sobą, wiedzą, że połączenie sterownika od dostawcy A i serwomechanizmu od dostawcy B za pomocą specjalnych przewodów przyłączeniowych o odpowiedniej konstrukcji może być długą i trudną drogą. Dostawcy podzespołów muszą współpracować w celu stworzenia działającego systemu, a to sprzyja powstawaniu problemów. Już samo zrozumienie tego, gdzie zainstalować urządzenie sterujące ? przy silniku, przekładni czy elemencie ruchomym ? może być problematyczne. Podłączenie enkodera do silnika i jego modułu sterującego za pomocą nieprawidłowego przewodu może również być przyczyną niesprawności układu. Jeśli wystąpi choć jeden błąd w połączeniu, włączenie zasilania i uruchomienie napędu może skutkować wygenerowaniem przez silnik niebezpiecznego przyspieszenia obciążającego napęd. Jeśli silnik wraz ze sprzęgłem spoczywa na blacie testowym, silnik może dosłownie odskoczyć i obracać się z wysoką prędkością, powodując awarię lub zerwanie sprzęgła.
<—newpage—>Serwomechanizm obrotowy, enkoder absolutny
Kolejnym przykładem regulowanego napędu jest serwosilnik z czujnikiem Halla pochodzący od jednego dostawcy, połączony ze sterownikiem napędu od innego dostawcy i enkoderem od jeszcze innego. Taki układ może być problematyczny z powodu utrudnionej integracji podzespołów. Po potencjalnie trudnym procesie doboru łączy zasilających należy zwrócić dodatkowo uwagę na złącza obsługujące czujniki Halla zaimplementowane w silniku.
Czujnik Halla może być połączony na trzy sposoby, ale sygnał zwrotny z niego musi zostać podłączony prawidłowo, by zapewnić właściwą częstotliwość i zgodność fazową. Układ musi zostać tak skonfigurowany, by korzystając z sygnałów pętli zwrotnej, zapewnić poprawny odczyt prędkości obrotowej przez sterownik.
Sygnał zwrotny z enkodera musi zostać wyskalowany. Oznacza to zmianę napięcia do wartości odpowiadających jednostkom inżynierskim. Ze wstępnie skonfigurowanym układem można rozpocząć proces implementacji. Zależnie od zastosowań, pomiar właściwych wartości skali i ustalenie rzeczywistych wartości współczynnika skali mogą opóźnić ukończenie projektu.
Zastosowanie enkodera absolutnego jako elementu pętli zwrotnej w układzie, gdzie informacja o pozycji układu zachowana jest nawet w przypadku utraty zasilania, wymaga zwrócenia uwagi na rozdzielczość enkodera, rodzaj sygnału wyjściowego, typ tego sygnału oraz napięcie. Ważne parametry to również liczba impulsów na obrót (rozdzielczość enkodera) często wynosząca 1024 lub więcej, jak również napięcie zasilania wynoszące 5, 12 lub 24 V prądu stałego. Kwestie związane z implementacją i dopasowaniem różnego typu sygnałów mogą zostać wyeliminowane przez zakup wstępnie skonfigurowanego systemu od określonego dostawcy, ale pozostałe problemy są wspólne zarówno dla systemów skonfigurowanych, jak i tworzonych od podstaw.
Właściwa konstrukcja układu
Częstym problemem w implementacji układu sterowania z pętlą sprzężenia zwrotnego są braki impulsów w sygnale zwrotnym lub szum powodujący zakłócenia w przekazywaniu sygnału. Jeśli pomiary enkodera są niedokładne, ich przyczyną często są uślizgi na sprzęgle serwomechanizmu, przekładni lub nieprawidłowe zamocowanie silnika. Problemy te są często mylone z problemami powodowanymi zakłóceniami w sygnale.
Poszukiwania przyczyn pojawiających się okresowo problemów, takich jak brak impulsów lub zakłócenia sygnału, mogą być czasochłonnym zajęciem. Podczas gdy szum można zredukować za pomocą odpowiednich przewodów, właściwe podejście wymaga oddzielania sygnałów zwrotnych od sygnałów zakłócających. W ten sposób, jeśli pojawiają się błędy sygnałowe, można skupić swoją uwagę na awarii okablowania, zamiast szukać źródła zakłóceń.
Innych błędów można uniknąć przez odpowiedni montaż elementów. Instalacja enkodera z niewłaściwie wyosiowanym sprzęgłem lub zbyt dużym naprężeniem w pasku napędowym może spowodować szybkie zużycie łożysk.
Zalety wstępnie skonfigurowanego systemu
Wiele systemów dostarczanych przez określonych producentów, dostępnych na rynku komercyjnym, zawiera silniki połączone z napędami, przewody zasilające oraz okablowanie enkodera o różnych długościach. Jest to wygodne rozwiązanie, niewymagające jakichkolwiek przeróbek i bardzo upraszczające połączenie enkodera z silnikiem, ponieważ zostało wykonane przez dostawcę sprzętu i ma jego gwarancje. Dla wielu zastosowań, w tym linii pakujących produkty spożywcze (fot. 3), nie ma potrzeby szukania innych opcji.
W układach z serwosilnikiem i sterownikiem pochodzącymi od jednego dostawcy wszystkie parametry są ustawione na najczęściej używane wartości, umożliwiając szybką implementację w każdych warunkach. Oczywiście wartości te mogą być łatwo zmienione, co pozwala na dopasowanie systemu do różnych warunków pracy.
Użycie zintegrowanego systemu upraszcza również okablowanie. Zaprojektowanie 20-pinowego złącza pomiędzy serwosilnikiem a kontrolerem nie jest łatwym zadaniem. Wykorzystanie fabrycznych i testowanych przewodów zapewnia łatwe połączenie silnika, hamulca oraz enkodera, bez potrzeby projektowania i testowania połączeń.
Najczęściej spotykane problemy z systemami tworzonymi indywidualnie:

  • niewłaściwe połączenie silnika z urządzeniem sterującym,
  • błędy w okablowaniu,
  • niepożądany wybieg silnika przy rozruchu układu,
  • niewłaściwy poziom napięć zewnętrznego enkodera,
  • pomiar wykonywany w złym miejscu,
  • niewłaściwy montaż enkodera,
  • niewłaściwa rozdzielczość/dokładność urządzenia pomiarowego.

Stosowanie zintegrowanych produktów pomaga uniknąć wielu wymienionych powyżej problemów, pojawiających się przy projektowaniu, wdrażaniu i testowaniu układu. Dlatego rozwiązania te powinny być brane pod uwagę w pierwszej kolejności. Samodzielne rozszerzenia systemu warto rozważać tylko w przypadku braku dostępnych rozwiązań, odpowiadających wymogom danej aplikacji lub samego użytkownika.
Autor: Dave Perkon to niezależny konsultant w sprawach automatyki maszyn, specjalista w dziedzinie tworzenia własnych systemów automatyki, inżynierii systemowej, zarządzania projektami, sprzedaży, kontroli procesu i programowania.
Tekst pochodzi z nr 4/2015 magazynu "Control Engineering Polska". Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.