Roboty Przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH Kraków

1

Katedra Robotyki i Mechatroniki

Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie

Wojciech Lisowski

8

Technika zastosowania napędów elektrycznych

w manipulatorach robotów

Roboty przemysłowe

Roboty Przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH Kraków

2

Problemy:

kierunki doskonalenia napędów elektrycznych

umożliwiające ich efektywniejsze zastosowanie
w manipulatorach

silniki elektryczne o małej bezwładności
silniki bezkomutatorowe
technika zastosowania silników prądu

przemiennego w manipulatorach

Roboty Przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH Kraków

3

Zalety

Wady

ogólnodostępność sieci

napięcia przemiennego 50/60
Hz

czystość energii
łatwość dystrybucji energii

przy pomocy cienkich,
elastycznych przewodów

modulatory (wzmacniacze

mocy) w całości elektryczne

standardowe konstrukcje

silników elektrycznych są
przystosowane do pracy
z małym momentem siły
i z dużą prędkością obrotową

problemy cieplne podczas

utrzymywania położenia pod
obciążeniem i ruchu z małą
prędkością

Cechy zastosowania energii elektrycznej w manipulatorach robotów
przemysłowych

Roboty Przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH Kraków

4

Doskonalenie efektywności zastosowania napędów elektrycznych w
systemach pozycjonujących w tym również w manipulatorach
robotów w zakresie:

własności i zastosowania nowych materiałów ferromagnetycznych

konstrukcji silników w celu uzyskania lepszych własności

funkcjonalnych i technicznych

- silniki DC komutatorowe z magnesem trwałym
- silniki DC komutatorowe o małej bezwładności wirnika
- silniki DC bezkomutatorowe
- silniki DC momentowe (napędy bezpośrednie)
- silniki AC (krokowe, synchroniczne i asynchroniczne)
- silniki liniowe

budowy sterowników lokalnych i wzmacniaczy mocy

W rezultacie od początku lat 70-tych XX wieku udział zastosowań
napędów elektrycznych w manipulatorach zmienił się z 6-o krotnie

Roboty Przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH Kraków

5

MATERIAŁY FERROMAGNETYCZNE

Zastosowane materiały mają zapewnić:

maksymalny strumień magnetyczny, pozwalający na uzyskanie

dużych momentów napędowych

trwałość charakterystyk magnetycznych silnika i jego stabilność

cieplną

odpowiednie charakterystyki dynamiczne (minimum bezwładności,

ciężaru)

►Ferromagnetyki - Ceramiki ferrytyczne
►AlNiCo - stopy glinu niklu i kobaltu
►SmCo5 kobaltek samaru (ziemie rzadkie)
►NdFeB - stopy neodymu, żelaza i boru

Porównanie wymiarów i masy

Roboty Przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH Kraków

6

Podstawowe własności
materiałów magnetycznych:

Pozostałość magnetyczna:

B dla H=0

- im większa

tym mniejsza

średnica

magnesu (masa, objętość)

Koercja: H dla B=0 - im

większa tym mniejsza
długość magnesu

Energia magnetyczna;

iloczyn BxH - im większa
tym większa moc silnika

Roboty Przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH Kraków

7

SILNIKI

W robotach zastosowano silniki DC komutatorowe o stałym
wzbudzeniu.

Łatwa możliwość zasilania z akumulatorów robotów mobilnych.

Problemy komutacji mechanicznej:

nierównomierność przebiegu momentu obrotowego

w funkcji obrotu wirnika silnika zależna od

liczby

ramek/ segmentów komutatora

powstawanie wysokoczęstotliwościowych zakłóceń

elektrycznych w rezultacie nieustalonych przebiegów
prądu w czasie przełączania

w czasie przełączania powstaje łuk elektryczny

zwiększający się w miarę zużycia szczotek

jedyny sposób funkcjonowania załącz/wyłącz.

Silnik intensywnie nagrzewa się w czasie postoju pod obciążeniem

Roboty Przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH Kraków

8

SILNIKI DC z trwałym magnesem PM

Wprowadzenie PM było skutkiem stosowania silników o stałym
strumieniu wzbudzenia.

Pozwoliło to:

zmniejszyć wymiary i masę silnika
zmniejszyć stałą czasową (mniejsza bezwładność wirnika)
zmniejszyć grzanie się silnika (brak uzwojenia stojana)
zwiększyć sprawność silnika

Maksymalne natężenie prądu
jest ograniczone ze względu na
niebezpieczeństwo trwałej
demagnetyzacji, szczególnie w
wysokich temperaturach i pod
dużym obciążeniem.

Roboty Przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH Kraków

9

(Maxon)

W mechanizmach pozycjonujących należy zminimalizować tętnienie
momentu wyjściowego.

Jeden ze sposobów to ukośne nawinięcie uzwojeń

Roboty Przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH Kraków

10

(Inland)

Silnik liniowy DC PM

Roboty Przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH Kraków

11

SILNIKI DC PM O MAŁEJ BEZWŁADNOŚCI

Wymaganie osiągania dużych przyspieszeń (mocy) przy

minimalizacji bezwładności (szczególnie ruchomych części).

Skonstruowano specjalizowane silniki o małej bezwładności.

Sposób zamknięcia obwodu magnetycznego pozwolił na

zastosowanie aluminiowych obudów, co zmniejsza masę silnika.

-

Silnik o małej średnicy wirnika

-

Silnik kubkowy

-

Silnik dyskowy

Roboty Przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH Kraków

12

Silnik Kubkowy DC PM

Stojan: Kobaltek Samaru.

Wirnik z materiału niemagnetycznego w kształcie kubka, na

którym nawinięto skośnie uzwojenia by uzyskać równomierność
przebiegu momentu napędowego

Do dna kubka zamocowany jest wał silnika.

Obwód magnetyczny jest zamknięty przez nieruchomy rdzeń

wewnątrz kubka (lub na zewnątrz, magnes trwały wewnątrz)

Wirnik silnika ma małą bezwładność i duży moment w spoczynku
(utrzymujący).

Roboty Przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH Kraków

13

Silnik dyskowy DC PM

Stojan: AlNiCo.
Uzwojenie wirnika jest drukowane
na dysku z tworzywa.

Mniejsze magnesy dla porównywalnych momentów.

Duże średnice wirników

Łatwa zabudowa: enkodera, tachometru i przekładni mechanicznej.

Równomierny przebieg momentu siły.

Do wirnika często dodaje się uzwojenia tachometru, co zmniejsza

masę i bezwładność wirnika.

Roboty Przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH Kraków

14

Silnik odwrócony DC PM (bezkomutatorowy, bezszczotkowy)

wirnik – magnes trwały

stojan uzwojony.

Stosuje się niewielką liczbę uzwojeń stojana

Roboty Przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH Kraków

15

Zalety:

- łatwiejsze pozycjonowanie (napędy

bezpośrednie)

- oszczędność energii (tarcie),

-

zwiększenie niezawodności,

zmniejszenie kosztów eksploatacji,

-

wyeliminowanie zakłóceń

elektrycznych, iskrobezpieczeństwo

-

łatwiej chłodzić stojan niż wirnik,

większa powierzchnia chłodzenia

-

większe prędkości ruchu osiągalne

przy porównywalnych momentach

Tendencja do obniżania się kosztów elektroniki w stosunku do
mechaniki wskazuje na obniżanie się kosztów takich silników.

(Clifton)

(Inland)

Roboty Przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH Kraków

16

Komutacja jest elektroniczna
Wykorzystuje się układ kluczujący.
Czujniki wyznaczenia orientacji wirnika

Przebiegi napięć zasilania:
- prostokątne
- trapezowe
- sinusoidalne (AC PM)

Roboty Przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH Kraków

17

Silniki te są budowane specjalnie do zastosowań w manipulatorach,
bezpośrednio w złączach bez przekładni redukcyjnej.
Pozwalają na uzyskanie dużych momentów napędowych przy
małych prędkościach.

Silniki momentowe DC PM

(NSK)

(NSK)

[obr/s]

Obecnie najczęściej silniki te wykonuje się jako bezszczotkowe

.

Istnieją konstrukcje ze stojanem wewnątrz wirnika.

Roboty Przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH Kraków

18

Silniki AC synchroniczne PM

W manipulatorach stosuje się silniki z wirnikami PM.
Konstrukcja promieniowa lub osiowa.

Stosuje się nowoczesne
materiały magnetyczne np.
SmCo

5

umieszczane na

powierzchni wirnika w postaci
cylindra lub dysku, magnesy
mocuje się przy pomocy
żywic.

Silniki mogą być wykonywane
jako silniki momentowe.

Zastosowanie falowników daje
możliwość sterowania
położeniem.

(Ruch Servomotor)

Roboty Przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH Kraków

19

Silniki AC synchroniczne reluktancyjne

Technika konkurencyjna do zastosowania PM

Odpowiednio żłobkowany wirnik z ferromagnetyka, nie wymaga
zastosowania magnesu trwałego, mniejsza bezwładność wirnika

Zasada działania:

Moment magnetyczny ustawia wirnik względem stojana w położeniu
zapewniającym minimalny opór (reluktancję) obwodu magnetycznego.

Silniki te:

nie są bardzo precyzyjne

wymagają elektronicznej komutacji

mogą pracować jak silniki momentowe
są bardzo stabilne cieplnie
nie ma niebezpieczeństwa demagnetyzacji

F=R

Φ

(NSK)

Roboty Przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH Kraków

20

SILNIKI SKOKOWE (KROKOWE)

prosta zasada działania

wirnik silnika krokowego może być ustawiony w pewnej liczbie

położeń na 1 obrocie zależącej od konstrukcji silnika i sposobu
zasilania

ruch wirnika odbywa się jednakowymi krokami z częstotliwością

zgodną z częstotliwością ciągu impulsów generowanych przez
układ kluczujący i dostarczanego w określonej kolejności do
poszczególnych uzwojeń silnika.

mają szerokie zastosowanie w układach pozycjonujących

silniki krokowe pracują zwykle w układzie otwartym sterowania

wykorzystanie w manipulatorach w większości wypadków wymaga

zastosowania zamkniętych układów sterowania.

Roboty Przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH Kraków

21

Silniki krokowe:

dają stosunkowo duże momenty, co przy małej bezwładności wirnika

daje duże przyspieszenie.

zasilanie prostokątnymi przebiegami napięcia, powoduje

nierównomierność prędkości ruchu

położenie w spoczynku musi być utrzymywane dużym momentem

Konstrukcje silników:

z trwałym magnesem PM

reluktancyjne

hybrydowe

Ograniczenia:

- gubienie kroków
- przeskok

Roboty Przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH Kraków

22

+ mały krok
+ mała bezwładność

Zastosowanie wirnika dyskowego
w silniku krokowym PM

Roboty Przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH Kraków

23

Silnik Hybrydowy

Konstrukcja silnika łączy zalety silnika PM i reluktancyjnego

2 tarcze uzębione rozdzielone magnesem trwałym

małe kroki <5

o

duże momenty
duże tłumienie
duży moment

utrzymujący

duża liczba kroków

na sekundę

Roboty Przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH Kraków

24

kroki

półkroki

Wytwarzanie obrotu:

Roboty Przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH Kraków

25

mikrokroki

1 krok = 125 mikrokroków

200 kroków/obrót

25000 kroków/obrót

Wysoka częstotliwość pozwala
ominąć pasma rezonansowe układu
elektromechanicznego

Roboty Przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH Kraków

26

Liniowe silniki krokowe

(LinMot)

Przykłady zastosowania

Roboty Przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH Kraków

27

Zastosowanie zamkniętego układu sterowania dla silnika krokowego
pozwala:

+

uniezależnić pozycjonowanie od gubienia kroków czy przeskoku

+

zwiększyć zakres prędkości dla zadanego momentu

+

zapewnić mniejsze nagrzewanie się silnika

W przypadku robotów przemysłowych zastosowanie zamkniętego
układu sterowania jest niezbędne

Charakterystyki silników skokowych (krokowych):

moment utrzymujący bez zasilania
moment utrzymujący z zasilaniem
zakres pełnej funkcjonalności (start, stop, zawracanie)
zakres ograniczonej funkcjonalności

Roboty Przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH Kraków

28

silniki (klatkowe) nie posiadają zasilania uzwojeń wirnika.

poślizg wirnika względem ruchu pola magnetycznego stojana

umożliwia wytworzenie momentu

wzrost momentu obciążenia zwiększa poślizg.

silniki te stosowane są przede wszystkim w maszynach, w których

wirnik obraca się ze stałą prędkością

prędkość można zmieniać zmieniając częstotliwość napięcia zasilania

Silnik asynchroniczny AC

Roboty Przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH Kraków

29

Zastosowanie silników asynchronicznych AC w układach
pozycjonujących jest możliwe przy wykorzystaniu technik sterowania
wektorowego.

Są one oparte o stabilizację poślizgu pozwalającą na utrzymanie
stałego stosunku natężenia prądu wytwarzającego moment
magnetyczny do natężenia prądu wytwarzającego pole magnetyczne.

Sposób realizacji:

komutacja napięcia zasilania stojana jest oparta na pomiarze

orientacji wirnika (np. Czujniki Hall’a) – sterowanie fazą wektora
natężenia pola magnetycznego (stabilizacja poślizgu)

możliwe jest sterowanie amplitudą wektora natężenia pola

magnetycznego przez zmianę poślizgu

dla ustabilizowanej wartości poślizgu moment magnetyczny jest

proporcjonalny do natężenia prądu w uzwojeniach stojana

Rezultat: moment i strumień magnetyczny niezależny od
częstotliwości napięcia zasilania.

Roboty Przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH Kraków

30

wprowadzenie techniki bezkomutatorowej do silników DC PM

spowodowało unifikację budowy silników:

prądu stałego (zasilanie trapezowe i sinusoidalne)
krokowych (mikrokroki)
synchronicznych prądu przemiennego

budowa silników reluktancyjnych (krokowe, synchroniczne)

dała możliwość zastosowania nowych silników momentowych
o własnościach szczególnie korzystnych dla manipulatorów

udoskonalenie wzmacniaczy mocy i sterowników ruchu pozwoliło

efektywnie wykorzystać silniki asynchroniczne w układach
pozycjonujących

Wyniki doskonalenia napędów elektrycznych dla potrzeb robotów

Roboty Przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH Kraków

31

WZMACNIACZE MOCY:

Silnik Krokowy:

AC prostownik DC przerywacz DC

Silnik komutatorowy prądu stałego:

AC prostownik DC wzmacniacz liniowy DC
AC prostownik DC falownik (PWM) AC

Silnik bezkomutatorowy prądu stałego, Silnik synchroniczny

AC prostownik DC falownik AC

Silnik asynchroniczny

AC prostownik DC falownik wektorowy AC