Określ typ, dokładność, stabilność wskazywanej prędkości, moc strat, pasmo przenoszenia, a także inne cechy enkodera.
Serwonapędy są powszechnie wykorzystywane przez wiele gałęzi przemysłu, takich jak przemysł drzewny, spożywczy, automatycznego pakowania itd., a także w robotyce oraz w bardzo wielu autonomicznych maszynach. Wybór enkodera do konkretnego systemu napędowego zależy przede wszystkim od wymaganej dokładności oraz od typu informacji, którą chcemy uzyskać ? pozycja i/lub prędkość.
Zanim zostanie podjęta decyzja o wyborze enkodera, inżynier powinien określić jego najważniejsze cechy, które mają największy wpływ na późniejsze działanie systemu napędowego:
- dokładność pozycjonowania,
- stabilność wskazywanej prędkości,
- generowany hałas,
- straty mocy,
- pasmo przenoszenia, które określa dynamikę napędu.
Dokładność pozycjonowania
Dokładność pozycjonowania zależy wyłącznie od wymagań konkretnej aplikacji. Na przykład resolvery ? większość z nich generuje jeden okres sygnału na każdy obrót. Rozdzielczość pozycji jest przez to bardzo ograniczona, zwykle do poziomu około ?500? (sekund kątowych), co w połączeniu z interpolatorem w napędzie pozwala rozróżnić 16 384 pozycje na obrót.
Z drugiej strony specjalne indukcyjne systemy stosowane w wielu enkoderach, generując 32 okresy sygnału na każdy obrót, oferują znacznie większą rozdzielczość na poziomie ?280?. Dzięki temu możliwe jest rozróżnienie 131 072 pozycji na każdy obrót.
Enkodery optyczne mają jeszcze większą rozdzielczość, która dodatkowo zwiększana jest przez wewnętrzne elektroniczne układy interpolujące. Osiągane rozdzielczości sięgają 25 bitów, co daje 33 554 432 pozycje na każdy obrót, tj. około ?20?.
Stabilność prędkości
Aby zapewnić płynną pracę napędu, enkoder musi przesyłać wymaganą ilość informacji o pozycji. To jednak nie wszystko ? inżynier musi zwrócić uwagę na jakość tych informacji. Zwiększanie rozdzielczości enkodera odbywa się na drodze interpolacji wielu składowych sygnałów. Błędy pomiaru, nadmierne zakłócenia i inne czynniki mogą niekorzystnie wpłynąć na wyniki pomiarów poszczególnych składowych i tym samym na wynik interpolacji. Z tego powodu wyjściowy sygnał nieustannie ?pływa?. W wysokiej klasy enkoderach błędy interpolacji nie przekraczają poziomu 12%. (zobacz rysunki 1 i 2).
Błędy interpolacji niekorzystnie wpływają na dokładność pozycjonowania, ale przede wszystkim zakłócają pomiar prędkości. Małym prędkościom obrotowym towarzyszy niska częstotliwość błędów interpolacji, które interpretowane są jako zakłócenie. Regulator prędkości próbuje więc kompensować widziane przez niego odchyłki prędkości, wypracowując odpowiednią [wciąż zmieniającą kierunek ? przyp. tłum.] wartość prądu silnika. Minimalnym drganiom wału silnika towarzyszy charakterystyczny hałas. Wraz ze zwiększaniem się prędkości rośnie częstotliwość błędów interpolacji. Ze względu na ograniczone pasmo przenoszenia silnika nie widać drgań wału, ale w sygnałach regulatorów zakłócenia są ciągle obecne i dają o sobie znać przy dużych wzmocnieniach poszczególnych akcji regulatora.
Większa dokładność enkoderów i odporność pomiaru na zakłócenia to także zmniejszone zakłócenia prądu silnika, a więc mniejsza moc strat i mniejsze wydzielanie ciepła. Zobacz na rysunek 3 ? przedstawia on przebiegi prądu silnika w funkcji użytego enkodera: resolvera, enkodera indukcyjnego i enkodera optycznego.
Pasmo przenoszenia
Pasmo przenoszenia (sygnału sterującego i sygnału mocy) może być ograniczone sztywnością i związaną z tym pierwszą harmoniczną połączenia enkodera z wałem silnika. Typowe pasmo zawiera się w granicach 552000 Hz. Jeśli napęd albo aplikacja powodują długotrwałe wstrząsy, enkoder nie będzie w stanie osiągać swoich parametrów, a może wręcz ulec uszkodzeniu.
Częstotliwości drgań własnych zależą mocno od mechanizmu sprzęgającego enkoder z wałem silnika. Pożądane jest, aby pierwsza częstotliwość drgań własnych była możliwie najwyższa.
Kluczowe znaczenie dla prawidłowej pracy enkodera ma wzajemne położenie łożysk silnika i enkodera. Im położenie jest bardziej współ-
osiowe, tym lepiej. Umożliwia to specjalna konstrukcja mechaniczna przedstawiona na rysunku 4. Czterokrotne zwiększenie momentu trzymającego między wałem silnika a enkoderem zapewnia konstrukcja z rysunku 5. Zwiększono tym samym trwałość łożysk i usztywniono konstrukcję, znacznie zwiększając pasmo przenoszenia enkodera, a tym samym dopuszczalny zakres przyspieszeń.
Wiele czynników wpływa na wybór odpowiedniego enkodera silnika serwonapędu. Chociaż dokładność pozycjonowania to rzecz zwykle najważniejsza, warto wiedzieć, jak inne cechy, takie jak stabilność, hałas, tracona moc i pasmo przenoszenia, wpłyną na aplikację. Uwzględnienie tych czynników w fazie projektowej aplikacji napędowej pomoże uniknąć wielu późniejszych problemów.
Tom Wyatt jest menedżerem w Heidenhain w Ameryce Północnej. www.heidenhain.us
Artykuł pod redakcją mgr. inż. Łukasza Urbańskiego, doktoranta w Katedrze Automatyki Przemysłowej i Robotyki Wydziału Elektrycznego Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie.
CE