Systemy sterowania ruchem w zamkniętej pętli regulacji, oparte na silnikach krokowych

Tradycyjne sterowanie oparte na silnikach krokowych posługuje się układami ze sprzężeniem zwrotnym oraz metodami ?bezczujnikowymi? ? do zapewnienia wydajnego rozwiązania, jakie można zastosować w niektórych aplikacjach sterowania ruchem, spełniając niezbędne wymogi o krytycznym znaczeniu, w tym bezpieczeństwa czy precyzji.

Większość układów sterowania ruchem opartych na silnikach krokowych pracuje w układach otwartej pętli regulacji i dlatego stanowi tanie rozwiązanie. W rzeczywistości system skokowy oferuje jedyną technologię sterowania ruchem, która jest w stanie sterować pozycją bez sprzężenia zwrotnego. Jednakże, jeśli silniki krokowe przenoszą obciążenia przy otwartej pętli, istnieje niebezpieczeństwo utraty synchronizacji pomiędzy krokami zadanymi a wykonanymi.
Sterowanie w zamkniętej pętli ? podzbiór tradycyjnych ruchów krokowych ? oferuje alternatywne, atrakcyjne cenowo rozwiązanie, dla zastosowań wymagających zwiększonej niezawodności, bezpieczeństwa oraz zapewniania jakości produktów. Układ sprzężenia zwrotnego lub też jedna z różnych, niepośrednich metod wyznaczania parametrów ?zamyka pętlę układów krokowych w celu monitorowania ?utraconych kroków?, wykrywania ?utykania? silnika i umożliwienia większego użytecznego wyjściowego momentu obrotowego. Ostatnio sterowanie krokowe w zamkniętej pętli (closed-loop control ? CLC) pomaga wdrażać inteligentne architektury rozproszone w sterowaniu ruchem.
Dostępne metody oraz wynikające z nich korzyści
Istnieje kilka metod, pozwalających uzyskać metodą CLC kontrolę pozycji silnika krokowego, jego prędkości oraz momentu obrotowego. Zwiększając stopień sterowalności, obejmują one: liczenie kroków, wykrywanie siły elektromotorycznej oraz pełne serwosterowanie (patrz: informacje na marginesie ? ?Metody CLC?).
Rahul Kulkarni, menedżer ds. produktów sterowania przemysłowego w firmie National Instruments wymienia kilka argumentów i scenariuszy dotyczących stosowania sterowania krokowego w zamkniętej pętli regulacji:

• Nie ma potrzeby dostrajania. Systemy są łatwe do ustawiania i zazwyczaj nie wymagają konserwacji.
• Pozwalają na skokowe przełączanie (triggering) kamery lub urządzenia do pobierania danych z wykorzystaniem punktów krytycznych (breakpoints) podczas wykonywania sekwencji ruchu.
• Kontrolują przeregulowanie pozycji, co jest niezbędne w niektórych zastosowaniach, np. w nanotechnologii czy produkcji półprzewodników.
• Korygują przesunięcie pozycji (offset) na końcu sekwencji ruchu.

Ostatni scenariusz dotyczy właściwego odmierzenia obciążenia oraz inercji silnika krokowego, co nie zawsze ma miejsce. ? W świecie rzeczywistym, jeśli dana aplikacja nie jest krytyczna, można pozwolić na to, by, dla oszczędności, silnik pracował nieco poniżej wartości znamionowych. ? Tu właśnie może pomóc sterowanie krokowe w zamkniętej pętli (closed-loop stepper control) ? mówi Kulkarni. ? Wszystkie sterowniki ruchu NI ? NI 733x (tylko krokowe) oraz NI 734x, oraz model o wysokiej wydajności NI 735x (krokowy/servo) ? można skonfigurować tak, aby sterowały one krokowo w zamkniętej pętli. W trybie CLC osie krokowe posługują się enkoderami kwadraturowymi lub wejściami analogowymi, dla sprzężenia zwrotnego pozycji oraz prędkości ? wyjaśnia.
Baldor Electric Co. uważa silniki krokowe za proste i niedrogie urządzenia, idealne do pozycjonowania ładunków. ? Oto przyczyny, dla których warto zastosować silniki krokowe: ich obsługa jest uproszczona, (są zazwyczaj używane w otwartej pętli); są łatwe do łączenia poprzez interfejs, ponieważ pracują na cyfrowych wejściach; oraz tańsze, ponieważ zazwyczaj nie mają układu sprzężenia zwrotnego ? wyjaśnia John Mazurkiewicz, menedżer ds. produktów w firmie Baldor.
Jednakże działanie w systemie otwartej pętli niesie ze sobą ryzyko utraty kroku, co może spowodować niewłaściwe pozycjonowanie. Z tego powodu wiele produktów może zostać odrzuconych, zanim ktoś zdąży odkryć błąd. Ponadto, kiedy silnik krokowy jest używany w pobliżu maksymalnego momentu obrotowego, w celu przesuwania cięższych ładunków lub też szybciej przyspiesza, dla udoskonalenia produktywności, istnieje ryzyko ?utykania?. Dodanie sprzężenia zwrotnego eliminuje te tradycyjne ograniczenia silników krokowych. Silniki krokowe z zamkniętą pętlą mogą pracować z tańszymi enkoderami, w porównaniu do tych stosowanych w serwosystemach, co jest również korzyścią. Typowo, aplikacje krokowe mogą posługiwać się enkoderami jednostronnymi (single-ended encoders). ? Niepotrzebne są również sygnały elektronicznej komutacji sprzężenia zwrotnego (electronic commutation feedback signals) ? dodaje Mazurkiewicz.

? Silniki krokowe w układzie CLC są szczególnie przydatne w przypadku lekkich ładunków i bardzo krótkich ruchów ? twierdzi Baldor. ? Typowe aplikacje przemysłowe obejmują urządzenia pozycjonujące X-Y oraz obrotowe urządzenia pozycjonujące w systemach NC, w sterowaniu procesami, drukowaniu i pakowaniu.
Parker Hannifin Corp./Compumotor zaleca mechanizm krokowy z zamkniętą pętlą do zastosowań,które wymagają trwałości zerowej prędkości w korku oraz weryfikacji pozycji. ? Ta potrzeba jest zaspokajana przez silniki krokowe i jest potrzebą podstawową ? mówi John Walewander, menedżer ds. technicznych. ? Zamiast urządzeń sprzężenia zwrotnego silnika firma Parker zainwestowała w metody ?bezczujnikowe? i opracowała opatentowane metody cyfrowe, które realizują zadanie bez potrzeby stosowania urządzeń zewnętrznych.
Techniki te ? aktywne tłumienie oraz ?bezenkoderowe? wykrywanie ?utykania? silnika ? stanowią część rodziny napędów mikrokrokowych firmy Parker ? Gemini. Walewander spodziewa się, że dalszy rozwój skomplikowanych algorytmów sprawi, iż będą one bardziej wydajne tak, że mniejsze i tańsze urządzenia również odniosą z tego pożytek. ? Kiedy parametry będą doskonalone wraz z kolejnymi generacjami urządzeń, wykrywanie ?utykania? silnika oraz techniki antyrezonansowe staną się tak powszechne, jak dzisiaj mikrokrokowanie (microstepping) ? konkluduje Walewander.
Bob Parente, menedżer ds. inżynierii aplikacyjnej w firmie Intelligent Motion Systems Inc. stwierdza: ? Mechanizmy krokowe z zamkniętą pętlą regulacji są używane w krytycznych aplikacjach, wymagających potwierdzenia pozycji.
Jako przykład Parente podaje automatyczny laboratoryjny, chemiczny analizator krwi, w którym różne osie przesuwają testowaną próbkę na pozycję pod właściwy zasobnik z odczynnikami. W tym samym czasie inne silniki krokowe cofają się, ładując dokładną ilość odczynników w odpowiedniej ilości oraz we właściwej sekwencji ? w procesie podobnym do stosowania wielu strzykawek. ? Błędy w pozycjonowaniu osi mogą spowodować utratę danych lub odczytanie nieprawidłowych wyników ? mówi Parente.
Uzasadnienie dodatkowych kosztów
Dodatkowy komponent lub wysiłek podczas projektowania systemu niesie z sobą zazwyczaj pewne korzyści. Są jednak takie przypadki, w których nieznacznie zwiększony koszt przynosi znaczące korzyści.
? Nawet przy zwiększonych kosztach układów ze sprzężeniem zwrotnym silniki krokowe są w dalszym ciągu wydajnym (efektywnym ekonomicznie) rozwiązaniem w porównaniu z innymi technologiami sterowania w systemie zamkniętej pętli ? wyjaśnia Parente. ? Dodatkowy koszt układu sprzężenia zwrotnego jest uzasadniony poprzez gwarancję precyzyjnych wyników. Jeden błąd w bardzoważnej aplikacji może kosztować więcej niż urządzenia stosowane do utworzenia sprzężenia zwrotnego. Enkoder czy przelicznik gwarantuje ?ubezpieczenie?, zapewniające świadomość, że silniki krokowe są nawłaściwych pozycjach.
Według Baldora lepsza precyzja wykonania części oraz jakość są wynikiem zamknięcia pętli regulacji, poprzez zezwolenie na porównanie rzeczywistej, zmierzonej pozycji do pozycji zadanej w maszynie czy też systemie ruchu. ? Jeśli istnieje niezgodność, silnik zostaje przesunięty, by skompensować brakujące kroki ? mówi Mazurkiewicz. ? Koszt i zalety urządzeń ze sprzężeniem zwrotnym oraz systemu zamkniętej pętli regulacji są uzasadniane odpowiednio do aplikacji. Zwiększony koszt zależy od wymaganej wydajności maszyny oraz jej produktywności, precyzji pozycjonowania i pożądanej jakości części.
Wartość materiałów w procesie sterowania również wpływa na bilans kosztów. ? Silniki krokowe są często używane wraz z bardzo kosztownymi materiałami, od produkcji komponentów elektronicznych do próbek DNA ? mówi Parker z Walewander. ? Wyeliminowanie możliwości wystąpienia awarii uzasadnia dodatkowy koszt sprzężenia zwrotnego. Metody ?bezczujnikowe? mogą oferować wiele zalet sprzężenia zwrotnego, opartego na czujnikach dla udoskonalenia sterowania silnikiem krokowym przy niższych kosztach. Podczas gdy nowe generacje cyfrowych silników krokowych ewoluują, coraz mniej będzie się polegać na sprzężeniu zwrotnym, pochodzącym od czujników zewnętrznych, co pozwoli producentom maszyn na dodatkowe oszczędności.
Z perspektywy rynku
Incremotion Associates, firma konsultingowa specjalizująca się w sterowaniu ruchem szacuje, że 8-10% hybrydowych silników krokowych posługuje się sterowaniem kontrolującym pozycję w danym kroku. Dan Jones, prezes firmy Incremotion sugeruje, że obecne zastosowanie innych krokowych układów CLC jest jeszcze niższe: <1% dla metod wstecznej siły elektromotorycznej, a tylko ok. 1% rynku dla pełnego serwosterowania. ? Jednakże szacuje się, że ?pełne serwosterowanie? rozwija się szybciej niż inne strategie ? mówi Jones.
Intelligent Motion Systems podziela ten pogląd, zauważając, że sprzedaż do zastosowań mechanizmu krokowego z zamkniętą pętlą regulacji utrzymuje się na poziomie ok. 10%. Aby pomóc klientowi zdecydować, czy system sterujący w zamkniętej pętli jest konieczny, Parente odpowiada następującym pytaniem: ? Co się dzieje z produktem, jeśli mechanizm krokowy znajduje się na niewłaściwej pozycjią ? Jaki jest koszt utylizacji wadliwych części, które zostały wyprodukowane, zanim usunięto problem? Jeśli ten koszt można tolerować, wtedy wystarczy system otwartej pętli.

^{Parker Hannifin/Compumotor stosuje aktywne tłumienie ? Active Damping (bezczujnikową metodę sterowania w zamkniętej pętli), by pozwolić silnikom krokowym na większe wykorzystanie dostępnego marginesu momentu obrotowego. Systemy konwencjonalne nie mogą bezpiecznie pracować w strefie wstecznego momentu obrotowego}
? Należy pamiętać, że 90% systemów krokowych to systemy otwartej pętli ? dodaje. Kulkarni z firmy National Instruments stwierdza, że wzrost zastosowania silników krokowych w układzie CLC w zastosowaniach półprzewodnikowych i biomedycznych, jaki nastąpił w latach dziewięćdziesiątych, był związany z bardziej wymagającymi aplikacjami sterującymi w środowiskach pomieszczeń sterylnie czystych (cleanroom). W tamtych latach silniki bezszczotkowe, alternatywne rozwiązania typu serwo, były jeszcze zbyt kosztowne. ? Dlatego inżynierowie sięgnęli po konfiguracje silników krokowych, pracujących w zamkniętych pętlach regulacji, mając nadzieję na uzyskanie tego, co najlepsze w obu rozwiązaniach. ? mówi Kulkarni. ? Ceny bezszczotkowych serwonapędów oraz silników od tamtego czasu znacznie spadły. Dzisiaj ceny aplikacji silników krokowych w zamkniętej pętli utrzymują się na stałym poziomie, bądź też obniżają się.
Dla firmy Baldor jest to nowy obszar działania. Jednakże firma prognozuje,że do ok. 20% silników krokowych w wielkościach NEMA 17, 23, i 34 mogłoby być w przyszłych aplikacjach zamkniętych pętli, używanych razem z enkoderami.
Parker Hannifin szacuje, że 10-15% ?precyzyjnych aplikacji krokowych? posługuje się enkoderem. ? Gdyby uwzględnić wszystkie przemysłowe silniki krokowe, procent ten byłby znacznie mniejszy ? twierdzi Walewander. ? Liczba aplikacji posługujących się układami zamkniętych pętli regulacji zmniejsza się, z kolei wzrasta liczba zastosowań układów ?bezczujnikowych?.
Parker uważa, że technologie ?bezczujnikowe? to nadzieja na przyszłość. Wraz z rozwojem tych metod zarówno silniki krokowe wysokobiegunowe (high-pole-count), jak i serwosiliniki niskobiegunowe (low-pole-count) będą stosowane ze sprzężeniem zwrotnym i bez sprzężenia. Walewander podsumowuje: ? ?Bezczujnikowe? silniki będą stosowane w wielu aplikacjach dynamicznych, które obecnie wymagają zastosowania serwomechanizmów, a silniki z czujnikami będą stosowane w aplikacjach pozycjonujących. ce www.baldor.comwww.incremotion.comwww.imshome.com
(Intelligent Motion Systems)www.ni.com/poland
(National Instruments)www.parker.com/compumotor
(Parker Hannifin)
Metody sterowania w zamkniętej pętli dla ruchów krokowych
Incremotion Associates twierdzi, że sterowanie w zamkniętej pętli z zastosowaniem silników krokowych posługuje się różnymi metodami, takimi jak: liczenie kroków czy też weryfikacja kroków, bezczujnikowe wykrywanie emf oraz pełny serwomechanizm ze sprzężeniem zwrotnym pochodzącym od czujników.
Weryfikacja kroków, najprostsze sterowanie pozycją, posługuje się zliczającym enkoderem optycznym (low-count optical encoder) do zliczania liczby wykonanych kroków. Prosty obwód porównuje zlecone kroki do tych rzeczywioecie wykonanych, sprawdzając, czy silnik przesunął się na wymaganą pozycję.
Wsteczne emf, bezczujnikowa metoda detekcji, wykorzystuje sygnały siły elektromotorycznej silnika krokowego do mierzenia i regulowania prędkości. ? Kiedy ?wsteczne napięcie emf? spada poniżej wykrywalnego poziomu, sterowanie ?w zamkniętej pętli? przechodzi na pętlę otwartą do wykonania ostatecznego ruchu pozycjonujacego ? mówi Dan Jones, prezes firmy Incremotion.
Pełny serwomechanizm ? to wykorzystanie enkodera, przelicznika czy tez innych urządzeń w układzie sprzężenia zwrotnego przez cały czas, aby bardziej precyzyjnie regulować pozycję i moment obrotowy silnika krokowego. Dostawcy na całym świecie oferują coraz więcej produktów tego typu.
Parker Hannifin, jako wariant sterowania opartego na detekcji wstecznej emf, oferuje aktywne tłumienie oraz wykrywanie ?utykania? silnika bez zastosowania enkodera. Napęd krokowy monitoruje i mierzy stan na uzwojeniu silnika oraz wykorzystuje informacje o napięciu i prądzie do udoskonalania sterowania silnikiem krokowym.
Aktywne tłumienie wykorzystuje te informacje do tłumienia oscylacji przy sterowaniu prędkości i pozwala na uzyskanie takiego wyjściowego momentu obrotowego, który jest bardziej użyteczny ? zamiast marnowania momentu obrotowego poprzez wibracje mechaniczne (patrz schemat: ?Moment obrotowy?). Bezenkoderowe wykrywanie ?utykania? posługuje się informacjami do wykrywania utraty prędkości synchronicznej, co w systemach sterowania krokowego z otwartą pętla stanowi poważny problem.