2011 Pozycjonowanie sekwencyjne w serwonapędach jednoosiowych

Ćwiczenie 4

POZYCJONOWANIE SEKWENCYJNE

W SERWONAPĘDACH JEDNOOSIOWYCH

CEL I ZAKRES ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi zagadnieniami dotyczącymi

serwonapędów i realizacją typowych zadań w jednoosiowych serwonapędach.

wiczenie

obejmuje

badania

przemysłowego

jednoosiowego

serwonapędu

firmy Lenze. Zakres ćwiczenia obejmuje zapoznanie się z zadaniami serwonapędów,

ich parametryzacją oraz zapoznanie się z oprogramowaniem pozwalającym

na dostosowanie serwonapędu do realizacji określonego zadania. W ramach ćwiczenia

studenci

przeprowadzają

parametryzację

profili

ruchu

serwonapędów

oraz samodzielnie realizują zadaną przez prowadzącego sekwencję ruchów.

WPROWADZENIE TEORETYCZNE

Pod pojęciem serwonapędów rozumie się najczęściej wysokiej klasy (o duŜej

dokładności i dynamice) układ automatycznej regulacji połoŜenia. Wśród róŜnych

rodzajów

serwonapędów

(hydraulicznych,

pneumatycznych,

elektrycznych)

w ostatnich latach obserwuje się znaczny wzrost popularności układów elektrycznych.

Wynika to z duŜej dostępności energii elektrycznej, ograniczonego oprzyrządowania

(brak systemów rozprowadzania cieczy lub gazu) oraz łatwością sterowania takim

rodzajem serwonapędu.

2.1.

Serwonapędy elektryczne – informacje podstawowe

Serwonapędy

elektryczne

energoelektronicznie

sterowane

napędy

do zastosowań stawiających wysokie wymagania, co do szybkości odpowiedzi,

zakresu regulacji i dokładności sterowania ruchem (połoŜeniem). Stosowane są w nich

specjalne przekształtniki serwo oraz silniki serwo. Przekształtniki serwo współpracują

Napęd elektryczny

z cyfrowym przetwornikiem kąta obrotu i zapewniają precyzyjne sterowanie napędem.

Odpowiednia budowa silników serwo pozwala na zwiększenie dynamiki napędu.

Strukturę układu sterowania w typowej jednoosiowej aplikacji serwonapędu

przedstawia rys. 4.1.

W układzie sterowania wyróŜnia się trzy poziomy:

•

sterowanie napędem, którego rolą jest regulacja połoŜenia dla jednej osi

układu

napędowego

(oparta

pomiar

czujnika),

sterowanie

przemiennikiem i silnikiem oraz realizacja funkcji zabezpieczeń,

•

sterowanie

ruchem,

czyli

kształtowanie

profili

ruchu

maszyny

(z uwzględnieniem ograniczeń

mechanicznych)

oraz zapewnianie

odpowiedniej trajektorii ruchu dla poszczególnych osi układu napędowego,

•

sterowanie sekwencyjne, związane z realizacją kolejnych zadań w procesie

technologicznym.

Sterowanie

napędem

jest

zawsze

realizowane

sterowniku

mikroprocesorowym

będącym

elementem

przemiennika serwo. Sterowanie ruchem w

większości aplikacji (poza wieloosiowymi

napędami skoordynowanymi, gdzie potrzebna

jest realizacja odpowiedniej trajektorii ruchu w

przestrzeni)

realizowane

jest

razem

sterowaniem

napędem.

większości

przypadku

rozwiązań

wieloosiowych

sterowanie sekwencyjne jest realizowane w

nadrzędnym sterowniku PLC lub komputerze

przemysłowym, który kontroluje realizację

zadań w całym procesie technologicznym.

Przy realizacji stosunkowo prostych sekwencji

ruchu

dla

jednej

osi

moŜliwe

jest

wykorzystanie przemienników serwo, w których sterownik PLC jest integralną częścią

ich mikroprocesorowego układu sterowania. Serwonapęd L-force 9400, badany w

ramach zajęć laboratoryjnych, zapewnia realizację wszystkich poziomów układu

sterowania w sterowniku przemiennika. Niniejsze ćwiczenie pozwala na zapoznanie

się z zagadnieniami sterowania ruchem oraz sterowania sekwencyjnego dla napędu

jednoosiowego. Zagadnienia sterowania napędem pomija się zakładając, Ŝe układ

przemiennik – silnik został prawidłowo dobrany a układ sterowania napędem został

Rys. 4.1 Struktura układu sterowania

w typowej aplikacji sterowania ruchem.

Sterowanie polowo-zorientowane…

dostrojony i umoŜliwia realizację w serwonapędzie zadanych połoŜeń, prędkości i

przyspieszeń.

2.2.

Elementy składowe serwonapędu

Zasadniczymi elementami składowymi serwonapędu są: przemiennik serwo

i silnik serwo. Przemienniki serwo powinny:

•

uwzględniać moŜliwość uzyskiwania duŜych przeciąŜeń w napędzie,

•

zapewniać krótkie czasy realizacji pętli obliczeniowych,

•

zapewniać szybką realizację momentów zadanych przy moŜliwości

wykorzystania róŜnych silników serwo (asynchronicznych, synchronicznych

z magnesami trwałymi), np. dzięki sterowaniu polowo – zorientowanemu,

•

uwzględniać moŜliwość podłączenia róŜnych czujników połoŜenia

oraz zapewniać duŜe dokładności sterowania prędkością i połoŜeniem,

•

zapewniać rozpraszanie (lub zwrotu do sieci zasilającej) energii

przy szybkim wyhamowywania napędów,

•

uwzględniać potrzebę komunikacji z innymi sterownikami poprzez róŜne

standardy komunikacji przemysłowej.

Współczesne przemienniki serwo często zawierają w swej strukturze dodatkowe

sterowniki PLC (pozwalające na realizowanie określonych sekwencji ruchu)

oraz umoŜliwiają zabudowanie układów bezpieczeństwa. MoŜliwości te powodują,

e są one często produkowane jako systemy modułowe (z opcjonalnymi modułami

dopasowanymi do konkretnych potrzeb) oraz zawierają w swej strukturze zestaw

swobodnie programowalnych wejść i wyjść analogowych i cyfrowych.

Typowy jednoosiowy przemienniki serwo wyposaŜony jest w wejściowy

prostownik. Istnieją równieŜ wieloosiowe rozwiązania przemienników, w których

kaŜda z osi wyposaŜona jest w falownik napięcia a wszystkie osie zasilane są

z dodatkowego modułu zasilającego poprzez wspólną szynę napięcia stałego.

To pozwala na wzajemną wymianę energii między falownikami i zmniejszenie

wymiarów rezystorów hamujących. Moduły zasilające mogą być równieŜ wyposaŜone

w moŜliwość zwrotu energii do sieci zasilającej oraz mogą zapewniać

quasi-sinusoidalny prąd wejściowy układu napędowego.

Wśród typowych silników serwo moŜna wyróŜnić silniki synchroniczne

z magnesami trwałymi (PMSM- permanent magnet synchronous motor) oraz silniki

indukcyjne klatkowe. Zastosowania silników indukcyjnych klatkowych dotyczy

głównie większych mocy. Budowę silnika serwo PMSM przedstawiono na rys. 4.2.

Napęd elektryczny

Charakterystyczną cechą silników serwo jest ich podłuŜny kształt, który wynika

z potrzeby osiągania duŜych przyspieszeń (zmniejszenie momentu bezwładności

silnika). Dodatkowo silnik taki powinien zapewniać duŜą przeciąŜalność. W silniku

serwo najczęściej zabudowuje się: czujnik połoŜenia (enkoder lub resolwer) czujniki

temperatury oraz hamulec, z których sygnały wyprowadzone są na złącze sygnałowe.

Hamulec pozwala na utrzymywanie stałego połoŜenia wału po zatrzymaniu silnika.

Wykorzystanie magnesów trwałych oraz odpowiednia budowa silnika pozwalają

na rezygnację w serwonapędach z dodatkowego układu chłodzenia.

Przy omawianiu napędów serwo naleŜy wspomnieć o przekładniach,

stanowiących ich częste uzupełnienie. Przekładnie pozwalają na wymaganą redukcję

prędkości obrotowej oraz równocześnie zapewniają większy moment napędowy.

Z punktu widzenia realizacji określonego przemieszczenia silnik serwo wraz

z przemiennikiem i sterowaniem napędem traktuje się jako element wykonawczy

zapewniający realizację połoŜenia w określonym zakresie, przy załoŜonych

prędkościach i przyspieszeniach.

Aplikacjami, w których znajduje zastosowanie serwonapęd jednoosiowy są:

•

transport pionowy (napędy urządzeń podnoszących),

•

napędy pozycyjne (cykliczne przemieszczanie materiałów),

•

napędy maszyn (narzędzi) do obróbki (wiercenie, frezowanie),

•

przewijarki, nawijarki.

Rys. 4.2 Budowa synchronicznego silnika serwo MCS firmy Lenze [2]

Sterowanie polowo-zorientowane…

WPROWADZENIE W OPROGRAMOWANIE L-FORCE ENGINEER

Stanowisko laboratoryjne wyposaŜone jest w napędy i układy automatyki

przemysłowej firmy Lenze. Do programowania napędów (w tym serwonapędów

L-force

9400)

słuŜy

oprogramowanie

L-force

Engineer.

Pozwala

ono

na programowanie przemienników do realizacji róŜnych zadań i ich parametryzację.

Oprogramowanie umoŜliwia równieŜ monitorowanie stanu pracy przemienników,

obserwację wartości zmiennych w wielu punktach układu sterowania oraz rejestrację

oscyloskopową wybranych zmiennych.

3.1.

Tworzenie projektu

Po uruchomieniu aplikacji L-force Engineer otwiera się okno, umoŜliwiające

utworzenie nowego projektu lub otwarcie istniejącego. Przy tworzeniu nowego

projektu moŜliwa jest samodzielna konfiguracja poszczególnych modułów

przemiennika,

automatyczna

detekcja

modułów

lub

utworzenie

projektu

bez konfiguracji przemiennika. Kolejne okna słuŜą do określenia nazwy oraz katalogu,

w którym projekt będzie zapisany. Okno tworzeniu projektu przedstawia rys. 4.3.

Rys. 4.3 Okno tworzenia nowego projektu w programie L-force Engineer [2]

Przy samodzielnej konfiguracji modułów przemiennika pierwszym krokiem jest

określenie wersji przemiennika, następnie określenie modułów rozszerzeń (rys. 4.4).

Napęd elektryczny

Dla złącza MXI1 naleŜy wybrać

moduł

komunikacji

poprzez

Ethernet

(Extention

module

Ethernet), dla MXI2 moduł

częstotliwościowy

(Extention

module DigitalFrequency). Jako

moduł pamięci naleŜy wybrać

wersję MM330, natomiast jako

moduł bezpieczeństwa - SM0.

Po wyborze automatycznej

detekcji modułów pojawia się

okno słuŜące do określenia portu

komunikacji z przemiennikiem.

MoŜliwa

jest

komunikacja

poprzez adapter diagnostyczny

z jednym przemiennikiem lub

poprzez sieć przemysłową CAN

z wieloma przemiennikami . Automatyczna detekcja gwarantuje szybkie i zawsze

poprawne określenie modułów przemiennika.

Kolejnym krokiem jest wybór aplikacji. Przemienniki zabudowane w stanowisku

laboratoryjnym, pozwalają na realizację następujących aplikacji: praca z regulacją

prędkości (Actuator – Speed), praca z regulacją momentu (Actuator – Torque), praca

jako przekładnia elektroniczna (Electronic gearbox), wał elektryczny z synchronizacją

(Synchronism with mark synchronisation), pozycjonowanie tabelaryczne (Table

positioning) i sekwencyjne (Positioning sequence control). W ramach ćwiczenia

realizuje się pozycjonowanie sekwencyjne. Wybór aplikacji, przy automatycznej

detekcji modułów, następuje przez komendę insert an aplication.

Do aplikacji naleŜy dodać silnik. Dla przemiennika L-force 9400 I naleŜy wybrać

silnik MCS 06F41 o numerze katalogowym 1312, natomiast dla przemiennika

L-force 9400 II silnik MCS 06C60 o numerze 1311. Wybór następuje w oknie

głównym aplikacji, którego przykład pokazano na rys. 4.5. W celu dodania silnika,

klikając prawym klawiszem myszy na ikonę przemiennika (w menu rozwijanym

po lewej stronie, opis 9400 HighLine), naleŜy wybrać komendę insert component,

a następnie dodać odpowiedni silnik do aplikacji.

Rys. 4.4 Okno konfiguracji modułów zainstalowanych

w przemienniku L-force 9400 [2]

Sterowanie polowo-zorientowane…

Aby umoŜliwić komunikację z przemiennikiem częstotliwości naleŜy skorzystać

z klawiszy skrótu widocznych w górnej części okna na rys. 4.5. Poszczególne klawisze

mają przypisane następujące funkcje:

- połączenie się z przemiennikiem

- odłączenie się od przemiennika

- uaktywnienie przemiennika

- wstrzymanie pracy przemiennika

- rozpoczęcie realizacji aplikacji w przemienniku

- zatrzymanie realizacji aplikacji w przemienniku

- załadowanie aplikacji do przemiennika

- załadowanie zbioru parametrów do przemiennika

- odczyt zbioru parametrów z przemiennika

- zapis zbioru parametrów w pamięci nieulotnej przemiennika

- kompilacja aktualnego projektu

W przypadku pojawienia się problemu z modułem częstotliwościowym (błąd

wynikający z braku połączenia między modułami częstotliwościowymi pokazany na

Rys. 4.5 Okno główne aplikacji pozycjonowania sekwencyjnego [2]

Napęd elektryczny

rys. 4.5), naleŜy wyłączyć odpowiednie ostrzeŜenie (w zakładce All parameters, w

części dotyczącej portu MXI2) a następnie skasować błąd (zakładka Diagnostics).

Przemienniki L-Force 9400 są fabrycznie ustawione do pracy z silnikami

wyposaŜonymi w czujnikami połoŜenia w postaci resolwera. Przemiennik

częstotliwości L-force 9400 I współpracuje z silnikiem wyposaŜonym w enkoder

absolutny i w związku z tym niezbędne jest dostosowanie programu przemiennika

do współpracy z tego typu czujnikiem. Sposób konfiguracji programu sterującego

do pracy z enkoderem absolutnym przedstawia rys. 4.6 (wejście w menu poprzez

ikonę silnika z czujnikiem połoŜenia – rys. 4.5).

Rys. 4.6 Konfiguracja czujnika połoŜenia dla enkodera absolutnego [2]

3.2.

Parametryzacja przemiennika, parametryzacja profili ruchu

Podstawowe okno aplikacji pokazano na rys. 4.5. Po lewej stronie znajdują się

elementy sprzętowe, których parametry moŜemy określać. MoŜna tu parametryzować

przemiennik (ikona przemiennika), kontrolę hamulca (Brake control), sterowanie

ręczne prędkością/pozycją (Manual jog), tryby bazowania (Homing) i ograniczenia

(Limiter). PoniŜej znajdują się elementy pozwalające na konfigurację części

mechanicznej układu (np. przekładnie, wejścia od wyłączników krańcowych itp.).

W dolnej części widoczne są przyrządy do monitorowania pracy układu.

Po prawej stronie znajdują się klawisze, które pozwalają na określanie

parametrów związanych z aktualnie realizowaną aplikacją oraz umoŜliwiają podgląd

struktury przepływu sygnałów w aplikacji. Widoczne w górnej części klawisze

Sequence control oraz Profil data record management słuŜą odpowiednio do otwarcia

Sterowanie polowo-zorientowane…

okna do tworzenia sekwencji ruchów oraz do edycji profili. Klawisz z opisem Drive

control: Position control otwiera okno umoŜliwiające strojenie parametrów

związanych ze sterowaniem napędem (np. nastawy regulatorów).

WaŜnym zagadnieniem w aplikacjach serwonapędów są zagadnienia bazowania,

czyli określania pozycji odniesienia, względem której mierzona jest pozycja aktualna.

W większości aplikacji kaŜde przemieszczenie powinno odbywać się względem

określonej pozycji początkowej (przykładem moŜe tu być napęd posuwu

w obrabiarkach numerycznych). MoŜliwy jest wybór wielu trybów bazowania, a ich

parametry ustawia się w oknie pokazanym na rys. 4.7.a. Proces bazowania najczęściej

odbywa

się

przy

dwóch

prędkościach:

prędkości

podstawowej

posuwu

i prędkości dojazdowej. Przy bazowaniu moŜliwe jest wykorzystanie zewnętrznych

ródeł sygnału, najczęściej: sygnałów z wyłączników krańcowych, wskaźnika zera

w enkoderze oraz sygnału z dodatkowego czujnika informującego o zbliŜeniu się

elementu wykonawczego do pozycji bazowej (Home mark).

a) b)

Rys. 4.7 Bazowanie: a) okno wyboru trybu bazowania, b) graficzna reprezentacja przykładowego

bazowania [2]

Przykładowy tryb bazowania przedstawiono na rys. 4.7.b. Ruch elementu

wykonawczego jest zaleŜny od stanu sygnału B (sygnał odniesienia) oraz sygnału C

(z wyłącznika krańcowego). W przypadku, gdy stany z sygnałów B i C są niskie napęd

rozpoczyna ruch w prawo (ścieŜka ruchu 1 i 2). Po pojawieniu się stanu wysokiego

na kanale C napęd zmienia kierunek ruchu (pozycja początkowa nr 1). Po pojawieniu

Napęd elektryczny

się stanu wysokiego na kanale B napęd zwalnia (dla pozycji początkowej nr 1)

lub dodatkowo zmienia kierunek ruchu (dla pozycji początkowej nr 2). Dla pozycji

początkowej nr 3 (stan wysoki na kanale B) od początku ruch odbywa się w lewo.

Pozycja bazowa zostaje przyjęta przy pierwszym impulsie ze wskaźnika zera (kanał

A), po pojawieniu się zbocza opadającego na kanale B.

Kolejnym zagadnieniem w serwonapędach są profile ruchu, które określają jak ma

przebiegać proces przemieszczania się elementu wykonawczego. Parametry profili

ruchu ustawia się w oknie pokazanym na rys. 4.8 (wejście poprzez klawisz Profil data

record management). Określa się w nim parametry połoŜenia, prędkości,

przyspieszania oraz składać profile ruchu. NaleŜy pamiętać, Ŝe parametry te nie

są przyporządkowane do danego profilu, lecz do tablicy zmiennych. Numer tablicy,

odpowiadającej danym parametrom, widoczny jest w polu Variables table index.

Korzystając z odniesienia do danego parametru o określonym numerze w tablicy

moŜliwe jest jego wykorzystanie w wielu profilach, co w pewnych sytuacjach

w znaczący sposób upraszcza procedurę ich parametryzacji.

Rys. 4.8 Parametryzacja profili ruchu [2]

Sterowanie polowo-zorientowane…

3.3.

Programowanie sekwencji ruchów

MoŜliwość

programowania

sekwencji ruchów uzyskuje się

poprzez

naciśnięcie

klawisza

Sequence

control.

Rys.

4.9

przedstawia

widok

okna

dla

sekwencji ruchów . Pokazano na nim

sygnały kontrolujące sekwencję oraz

sygnały wyjściowe informujące o

stanie

pracy

układu.

Klawisz

Program Flow otwiera okno słuŜące

programowania

sekwencji

ruchów, pokazane na rys. 4.10, gdzie

opisano

zastosowanie

poszczególnych

elementów.

Programowanie sekwencji polega

na dokładaniu poszczególnych bloków i określaniu ich parametrów. Wskaźnik Always

follow zapewnia śledzenie aktualnie wykonywanej akcji w sekwencji ruchów.

MoŜliwa jest realizacja sekwencji o długości do 100 kroków.

Rys. 4.10 Okno programowania sekwencji ruchów [2]

Rys. 4.9 Okno monitorowania działania aplikacji

pozycjonowania sekwencyjnego [2]

Napęd elektryczny

Na pracę przemiennika oraz realizację sekwencji ruchów wpływa się poprzez

zadajniki podłączone do wejść przemiennika. Zakładkę (Terminal assigment)

umoŜliwiającą powiązanie sygnałów w układzie sterowania przemiennika z portem

wejść/wyjść przedstawia rys. 4.11. W zakładce tej widoczne są funkcje przypisane

kaŜdemu wyprowadzeniu oraz moŜliwe jest określenie czy stanem aktywnym ma być

stan niski czy wysoki. MoŜliwe jest równieŜ wpływanie na wyjścia cyfrowe podczas

realizacji sekwencji ruchów.

Rys. 4.11 Okno monitorowania i konfiguracji wejść i wyjść przemiennika [2]

STANOWISKO LABORATORYJNE

Stanowisko laboratoryjne do badania serwonapędów budową odpowiada układom

automatyki występującym w przemyśle. Układy automatyki umieszczone są w szafie

sterowniczej, a do programowania elementów automatyki słuŜy komputer PC.

Szafa wyposaŜona jest w przyciski Załącz/Wyłącz, sygnalizację napięcia zasilania,

Sterowanie polowo-zorientowane…

wyłącznik bezpieczeństwa, rozłącznik obwodów głównych oraz odpowiednia

aparatura rozdzielcza i zabezpieczeniowa. Stanowisko wyposaŜone jest w:

•

dwa przemienniki serwo L-force 9400 z silnikami serwo PMSM,

•

przemiennik L-force 8400 z silnikiem indukcyjnym klatkowym,

•

sterownik programowalny Lenze EPL-10200,

•

panel operatorski Lenze EPM-HP510.

W ramach ćwiczenia badane są przemienniki L-force 9400. Do ich

programowania słuŜy program L-force Engineer, a komunikację między komputerem i

przemiennikiem serwo zapewnia adapter diagnostyczny E94AZCUS. Dodatkowo na

wyposaŜeniu znajduje się klawiatura diagnostyczna EZAEBK1001.

Przemienniki serwo L-force 9400 (wersja HighLine) o mocy P

= 0.37 kW,

zasilane są z sieci 3 x 400 V. KaŜdy z przemienników wyposaŜony jest w 2 wejścia

i 2 wyjścia analogowe, 9 wejść i 4 wyjścia cyfrowe, złącze magistrali CAN, wejście

resolwera, wejście enkodera, 2 gniazda modułów rozszerzających, gniazdo modułu

pamięci, gniazdo modułu bezpieczeństwa i złącze diagnostyczne.

Przemiennik serwo L-force 9400 I zasila silnik MCS 06F41-SRSB0-B11N-

ST5S00N-R0SU o numerze katalogowym 1312, wyposaŜonym w enkoder absolutny

Sin-Cos. Przemiennik serwo L-force 9400 II zasila silnik MCS 06C60-RS0B0-B11N-

ST5S00N-R6SU o numerze katalogowym 1311, wyposaŜonym w resolwer 1 - fazowy.

PRZEBIEG ĆWICZENIA

W ramach ćwiczenia studenci zapoznają się z obsługą programu L-force Engineer,

aplikacją

pozycjonowania

sekwencyjnego

parametryzacją

przemiennika.

W pierwszej części testowane jest kilka wybranych przez prowadzącego trybów

bazowania oraz konfigurują interfejs dotyczący wyboru sygnałów przy bazowaniu. W

dalszej części zapoznają się z parametryzacją profili ruchu w serwonapędzie oraz

realizują zadaną przez prowadzącego sekwencję ruchów opartą o czas, zdarzenia i

sterowanie wyjściami cyfrowymi. Poszczególne zrealizowane w ćwiczeniu

zagadnienia są dokumentowane zrzutami ekranu oraz przebiegami z oscyloskopu.

LITERATURA

Kiel E.: Drive solutions, Mechatronics for Production and Logistics,

Springer, Berlin 2008

Dokumentacja techniczno-handlowa i materiały szkoleniowe firmy Lenze