Silniki stosowane w ramionach robotów są jednym z największych wyzwań technologicznych współczesnej branży napędów elektrycznych. Nie mniejszym wyzwaniem jest ich zasilanie i sterowanie w układzie aplikacyjnym.
Jedne z najciekawszych realizowanych w ostatnim czasie projektów konstrukcji i doboru napędów elektrycznych dotyczą silników dedykowanych do przegubów ramion robotów przemysłowych. Głównym ograniczeniem projektowym tego typu maszyn jest to, że muszą być one ostatecznie zamontowane bezpośrednio na obsługiwanym ramieniu, a zatem powinny być jak najmniejsze i najlżejsze. Dlatego też dąży się do uzyskania w nich jak największego momentu obrotowego, przy zachowaniu optymalnych rozmiarów i wagi napędu.
Z wieloletniej już praktyki w tym zakresie wynika, że najlepszymi konstrukcyjnie silnikami do tego typu aplikacji są silniki typu BLDC (ang. Brush Less Direct-Current motor) ? bezszczotkowe, prądu stałego, z magnesami trwałymi. Cechuje je bardzo wysoki wskaźnik gęstości mocy i praktycznie bezobsługowość, za wyjątkiem uszkodzeń mechanicznych np. łożysk. Jeżeli chodzi o kwestie związane z odpowiednim wysterowaniem tego typu silników muszą one pracować przy stosunkowo niskich napięciach stałych, dlatego najlepszym rozwiązaniem wydaje się wykorzystanie do tego celu tradycyjnego mostka trójfazowego MOSFET. Kolejnym istotnym elementem projektowanego napędu jest ustalenie schematu/algorytmu komutacji. Zwykle bazuje się tu na dwóch metodach: sześciokrokowej (trapezoidalnej) i sinusoidalnej (sterowanie wektorowe). W celu monitorowania pozycji wału silnik wyposażany jestw zamontowane bezpośrednio na nim czujniki Halla. Generują one sygnały wejściowe dla układu komutacji sześciokrokowej, a ponieważ przed załączeniem obciążenia silnik zmienia swoją prędkość obrotową, sygnały tych czujników wraz z odpowiednim układem liniowej interpolacji mogą być wykorzystane jako sprzężenie zwrotne z informacją o kącie obrotu wału, niezbędną dla algorytmu sinusoidalnego.
Który ze wspomnianych algorytmów komutacyjnych jest lepszy do aplikacji napędzających ramiona robotów? Technika sześciokrokowa jest prosta i niezawodna, powszechnie stosowana w wielu wymagających aplikacjach napędowych. Metoda sinusoidalna jest bardziej skomplikowana, wymaga wsparcia ze strony nowoczesnych mikrokontrolerów i dokładniejszych wielofazowych czujników prądowych w silniku.
Jak już wcześniej wspomniano, omawiana tu aplikacja silników w ramionach robotów wymaga uzyskania wysokich wartości momentu obrotowego przy stosunkowo małych rozmiarach napędu. Silniki BLCD to napędy liniowe, dlatego przy dobrze zrealizowanym schemacie komutacji możliwe jest uzyskanie momentu bezpośrednio zależnego od wartości dostarczanego do silnika prądu. Trzeba jednak pamiętać, że zawsze w takich aplikacjach pojawiają się pewne ograniczenia. Jeżeli zatem konstruktor chciałby zbudować do silnika sterownik z bardzo dużą wydajnością prądową (sterownik nie musi znajdować się bezpośrednio przy silniku, dlatego jego rozmiar nie musi jest istotnym ograniczeniem), ograniczeniem dla niego będą niektóre z parametrów silnika, oddziałujące na dwa z możliwych sposobów. W niektórych momentach, wraz ze wzrostem prądu silnika, możliwe jest osiągnięcie stanu odmagnesowania magnesów trwałych lub maksymalnej dopuszczalnej temperatury pracy silnika. Stąd tak ważne jest zwrócenie uwagi na elementy konstrukcyjne silnika. Jeżeli ma on dobry, silny magnes trwały i jest dobrze zaprojektowany pod kątem rozpływu i oddziaływań powstających w nim pól magnetycznych, możliwe będzie osiągnięcie maksymalnego prądu (a tym samym momentu) ograniczonego tylko termicznie, bez niepożądanych rozmagnesowań wirnika.
Skoro wiadomo, jak osiągnąć maksymalne osiągi silnika, ograniczone tylko maksymalną temperaturą pracy oraz maksymalnymi wewnętrznymi stratami w miedzi, znów powraca pytanie, jaki algorytm komutacji zastosować? W obu rozważanych już wcześniej przypadkach rezystancja termiczna dla ciepła z uzwojeń stojana do otoczenia będzie stała. Zatem o wyborze algorytmu zadecyduje większy moment obrotowy na wyjściu silnika, przy tym samym poziomie strat mocy.
Ostateczną analizę wraz z obliczeniami matematycznymi można przeprowadzić, korzystając np. z serwisu: http://bit.ly/roOC9S. Uwzględniono tu porównanie algorytmów komutacyjnych sześciokrokowego i sinusoidalnego, wraz ze parametrami pracy silników różnych typów i mocy, optymalizując je dla uzyskania maksymalnego momentu, przy zachowaniu relatywnie niskiej prędkości obrotowej i odpowiedniej temperaturze pracy. W analizie wyliczany jest spodziewany moment jako funkcja strat mocy i przy zachowaniu ich na tym samym poziomie dla obu metod komutacji. Okazuje się, że większy moment powstaje przy algorytmie sinusoidalnym.
- Let W całkowita moc strat rozproszonych na rezystancji (jednostka: W)
- Let R rezystancja między linią i przewodem neutralnym (jednostka: ?)
- Let S prędkość (jednostka: obr./min)
- Let I prąd maksymalny przy metodzie sześciokrokowej (jednostka: A)
- Let V maksymalne napięcie przy hamowaniu silnika (Vemf; jednostka: V)
- Let P średnia moc dostarczana do silnika (zamieniona na energię mechaniczną; jednostka W).
Podsumowanie
Dla silnika bezszczotkowego prądu stałego, współpracującego z układem trójfazowym, z komutacją sinusoidalną i w takim zakresie prędkości, gdzie największe znaczenie mają straty mocy o charakterze rezystancyjnym, przy obciążeniu silnika dobranym tak, by utrzymać stałe rozproszenie energii, moment obrotowy uzyskiwany w maszynie może być o 4,72% większy niż ten wytwarzany w identycznym układzie i warunkach, ale przy komutacji metodą sześciokrokową. Współczynnik ten może być w zasadzie uogólniony na większość obszaru pracy silników typu BLCD, jednak w przypadku metody sinusoidalnej charakterystyka wytwarzanego momentu jest bardziej płaska.
Opracował dr inż. Andrzej Ożadowicz, AGH Kraków
CE
