Uhly pˇrechod˚ ´ u dle obr. 1.2 - TECHNICK ´A UNIVERZITA V LIBERCI

T1 134,1 -85,6 48,50

T2 48,5 99,22 147,72

T3 147,72 -13,62 134,1

2.2.2 Citlivostn´ı anal´yza

Jedn´ım ze sledovaných parametr˚u je pˇresnost mechanismu pˇri dosaˇzen´ı výdrˇze na konci zdvih˚u T1 (viz obr. 1.2). V tˇechto m´ıstech docház´ı k vlastn´ımu pˇredán´ı jehly mezi jeheln´ımi tyˇcemi, tud´ıˇz je nutno dosáhnout poˇzadované polohy s definovanou toleranc´ı ∆x. Jej´ı

hodnota byla na z´akladˇe zkuˇsenost´ı z dosavadn´ıho provozu stanovena na ∆x = 0,2 mm.

Jelikoˇz odmˇeˇrován´ı polohy bude realizováno pouze sn´ımaˇcem natoˇcen´ı úhlu kliky ϕ (hˇr´ıdele motoru) a nikoli pˇr´ımo lineárn´ıho zdvihu x JT, je nutné stanovit dovolenou hod-notu úhlových pˇrekmit˚u ∆ϕ, pˇri které jeˇstˇe bude splnˇena tolerance ∆x. K tomu je tˇreba znát pˇrevod mechanismu µ, který je závislý na absolutn´ım úhlu natoˇcen´ı ϕ. Pˇrevod µ klikového mechanismu¹ z´ıskáme derivac´ı rovnice 2.1 podle ϕ:

µ = dx

Pro dané rozmˇery mechanismu lze pˇrevod interpretovat s´ıt´ı charakteristik na obrázku 2.4, kde je zachycen pr˚ubˇeh funkce 2.4 pro hodnoty ∆ϕ od 0,1 do 1^◦ s krokem 0,1^◦. Z grafu lze odeˇc´ıst, ˇze pro splnˇen´ı poˇzadované pˇresnosti zdvihu 0,2 mm pˇri výdrˇzi v úhlu ϕ = 48,5^◦ ˇcin´ı dovolený pˇrekmit úhlu ∆ϕ ≈ 0,7^◦. Tato hodnota bude jedn´ım z hodnot´ıc´ıch kritéri´ı dosaˇzené kvality ˇr´ızen´ı.

Obr´azek 2.4: Citlivostn´ı anal´yza

1Pro zjednoduˇsen´ı je uvaˇzován ideáln´ı mechanismus, tj. bez vyˇsetˇrován´ı geometrické pˇresnosti

2.3 Dynamick´ a anal´ yza

2.3.1 Urˇcen´ı z´atˇeˇzn´eho momentu

Pro správný výbˇer krokového motoru je nutné nejprve urˇcit momentovou charakteris-tiku zátˇeˇze, coˇz je v tomto pˇr´ıpadˇe jeheln´ı tyˇc ovládaná klikovým mechanismem. Analy-tický výpoˇcet dynamického zátˇeˇzného momentu motoru je vlivem nekonstantn´ıho pˇrevodu pomˇernˇe sloˇzitý. Jelikoˇz byl ale celý klikový mechanismus na pracoviˇsti KTS FS TUL na-vrhován a modelován v prostˇred´ı Pro/ENGINEER, bylo moˇzné provést tento výpoˇcet numericky. Výpoˇcet byl proveden pro rozsah úhlu ϕ odpov´ıdaj´ıc´ı zdvihu T1, viz tabulka 2.1, pˇriˇcemˇz byl pouˇzit budic´ı pr˚ubˇeh úhlového zrychlen´ı, který byl navrˇzen pro variantu s pohony servomotory. Zaˇcátek a konec sinusového pr˚ubˇehu je doplnˇen o taktéˇz sinusové nábˇehy s c´ılem minimalizovat rázy, které by byly generovány skokem ve zrychlen´ı v pˇr´ıpadˇe ˇcistˇe sinusového pr˚ubˇehu.

Jelikoˇz zrychlen´ı nabývá nejvyˇsˇs´ı hodnoty pˇri zdvihu T1, bude momentová charak-teristika sestavena pro tento zdvih. Konkrétn´ı pr˚ubˇehy úhlového zrychlen´ı, rychlosti a

uhlu natoˇcen´ı kliky jsou uvedeny na obrázku 2.6. Jednotka úhlové rychlosti je pro vˇetˇs´ı pˇrehlednost pˇrepoˇc´ıtána na [ot/min]. Popsanému buzen´ı odpov´ıdá dle simulace v pro-gramu Pro/ENGINEER pr˚ubˇeh zátˇeˇzného momentu na obrázku 2.5. Ve spoleˇcném grafu je uveden i pr˚ubˇeh momentu náhradn´ıho setrvaˇcn´ıku, o nˇemˇz bude pojednáno dále.

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025

−1.5

Obr´azek 2.5: Pr˚ubˇehy dynamick´eho momentu

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025

Obrázek 2.6: Pr˚ubˇehy úhlového zrychlen´ı, otáˇcek a úhlu natoˇcen´ı kliky

2.3.2 N´avrh setrvaˇcn´ıku

V prvn´ı fázi zkouˇsek pohon˚u se synchronn´ım servomotorem na KTS FS TUL bylo dy-namické zat´ıˇzen´ı pro jednoduchost simulováno setrvaˇcn´ıkem, který byl navrˇzen tak, aby jeho moment setrvaˇcnosti Js=1,1·10⁻⁴kg·m² odpov´ıdal redukovanému momentu klikového mechanismu na konci zdvihu, nikoli jeho maximáln´ı hodnotˇe dosaˇzené pˇribliˇznˇe uprostˇred zdvihu. Takto volená hodnota dává vypov´ıdaj´ıc´ı výsledky o chován´ı na zaˇcátku a konci zdvihu, i kdyˇz dynamické zat´ıˇzen´ı ve stˇredn´ı ˇcásti bude v˚uˇci reálnému provozu pˇribliˇznˇe

poloviˇcn´ı.

Stejný setrvaˇcn´ık bude pouˇzit i pro zkouˇsky se zvoleným krokovým motorem. Zde by mˇela být situace o nˇeco pˇr´ıznivˇejˇs´ı v tom smyslu, ˇze krokové motory maj´ı ve srovnán´ı se synchronn´ımi servomotory niˇzˇs´ı pomˇer hnac´ıho momentu v˚uˇci vlastn´ımu momentu se-trvaˇcnosti, tud´ıˇz relativn´ı zmˇena celkového momentu setrvaˇcnosti zátˇeˇze a motoru bude niˇzˇs´ı.

2.3.3 Momentov´e charakteristiky

Uvedené pr˚ubˇehy moment˚u vykreslené v závislosti na otáˇckách vytvoˇr´ı momentové cha-rakteristiky zátˇeˇze, které jsou uvedené na obrázku 2.7, opˇet jak pro klikový mechanismus tak i pro navrˇzený náhradn´ı setrvaˇcn´ık.

0 200 400 600 800 1000

−1.5

−1

−0.5 0 0.5 1 1.5

n [ot/min]

M [Nm]

Mklik. mech.

Msetrvacnik

Obrázek 2.7: Momentové charakteristiky zátˇeˇze

2.4 V´ ybˇ er krokov´ eho motoru

Krokové motory jsou v pr˚umyslu nasazovány zejména v dynamicky ménˇe nároˇcných aplikac´ıch, jako jsou pohony pásových dopravn´ık˚u automatizovaných výrobn´ıch linek, lineárn´ıch aktuátor˚u² apod. Významnou pˇrednost´ı krokových motor˚u je jejich schopnost pracovat bez polohové zpˇetné vazby, coˇz ˇsetˇr´ı náklady na odmˇeˇrován´ı polohy i vyhodno-covac´ı ˇr´ıdic´ı systém. Prakticky se pouˇz´ıvaj´ı pouze koncové sp´ınaˇce pro urˇcen´ı referenˇcn´ı a koncové polohy pohánˇeného mechanismu.

Pˇredpokladem pro spolehlivý provoz je dodrˇzen´ı maximáln´ıho zátˇeˇzného momentu motoru, nebot’ pˇri jeho pˇrekroˇcen´ı docház´ı ke ztrátˇe kroku (nebo v´ıce krok˚u), kterou bez zpˇetné vazby nelze jednoduˇse detekovat. Z tohoto d˚uvodu ˇrada výrobc˚u nab´ız´ı varianty motor˚u s vestavˇeným enkodérem polohy, kterým je typicky optoelektronický IRC sn´ımaˇc s rozliˇsen´ım ˇrádovˇe stovek pulz˚u na otáˇcku, jehoˇz výstupn´ı signál se zpravidla zpracovává v ˇr´ıdic´ım PLC. Pomoc´ı této zpˇetné vazby lze detekovat ztrátu kroku bˇehem chodu motoru, pˇr´ıpadnˇe kontrolovat koncovou polohu. Zp˚usob oˇsetˇren´ı pˇr´ıpadných odchylek je ponechán na uˇzivateli, resp. programátorovi PLC.

Posledn´ım vývojovým stupnˇem je zaveden´ı polohové zpˇetné vazby pˇr´ımo do budiˇce krokového motoru, který tak m˚uˇze ztrátu kroku automaticky eliminovat. Takové proveden´ı sice zvyˇsuje cenu budiˇce, umoˇzˇnuje vˇsak pouˇz´ıt krokový motor i pro dynamicky nároˇcnˇejˇs´ı aplikace. Pro úˇcely této práce byl na pracoviˇsti KTS FS TUL vybrán pohon s krokovým motorem právˇe v tomto uspoˇrádán´ı.

Kl´ıˇcovými parametry krokového motoru jsou jeho momentová charakteristika a mo-ment setrvaˇcnosti rotoru, který se spolu s momentem setrvaˇcnosti zátˇeˇze (klikového mechanismu) bude pod´ılet na celkovém dynamickém zátˇeˇzném momentu. Pˇri hledán´ı vhodného typu motoru je nutné pro katalogovou hodnotu momentu setrvaˇcnosti a zvo-lený pr˚ubˇeh zrychlen´ı vypoˇc´ıtat pˇr´ısluˇsný pr˚ubˇeh dynamického momentu a tento pr˚ubˇeh pˇriˇc´ıst k pr˚ubˇehu dynamického momentu samotné zátˇeˇze. Z výsledku se z´ıská celková mo-mentová charakteristika, podle n´ıˇz lze porovnávat pouˇzitelnost vybraného typu motoru.

Praktickým problémem pˇri výbˇeru motoru je fakt, ˇze pomˇer dosahovaného hnac´ıho mo-mentu a momo-mentu setrvaˇcnosti rotoru pro rostouc´ı rozmˇery (a tedy i výkon) motoru sp´ıˇse klesá, tud´ıˇz nelze motor jednoduˇse zvolit jako výraznˇe pˇredimenzovaný. V tom pˇr´ıpadˇe by byl pomˇer momentu setrvaˇcnosti motoru výraznˇe vyˇsˇs´ı, neˇz moment setrvaˇcnosti zátˇeˇze, coˇz by vedlo na vyˇsˇs´ı spotˇrebu energie a tedy i na vyˇsˇs´ı provozn´ı náklady, nehledˇe na vˇetˇs´ı rozmˇery a vyˇsˇs´ı poˇrizovac´ı cenu výkonnˇejˇs´ıho motoru a budiˇce.

2S pˇrevodem rotaˇcn´ıho pohybu na posuvn´y pomoc´ı ˇsroubu a matice

2.5 Popis pouˇ zit´ eho pohonu

Zvolená sestava krokového motoru ASM69ACE a jemu pˇr´ısluˇsného budiˇce ASD16D-C z ˇrady αstep je výrobkem fy. Oriental Motor U.S.A. Úplný popis je dostupný v dokumen-taci výrobce [3] a manuálu [4]. Podstatnou vlastnost´ı ˇrady pohon˚u αstep je implementace polohové zpˇetné vazby, jak byla popsána výˇse.

2.5.1 Budiˇc ASD16D-C

Z´akladn´ı vlastnosti:

• polohov´a zpˇetn´a vazba

• mikrokrokov´an´ı (lze nastavit 500, 1000, 5000, 10 000 mikrokrok˚u na ot´aˇcku)

• ˇr´ızen´ı pulzn´ım sign´alem

• rychlostn´ı filtr

• nastaviteln´y proud vinut´ım

• nap´ajen´ı 230V/50Hz

Budiˇc sdruˇzuje funkce výkonového ˇclenu, proudové ochrany proti pˇret´ıˇzen´ı motoru a pˇredevˇs´ım ˇr´ızen´ı pomoc´ı vnˇejˇs´ıch signál˚u z nadˇrazené ˇr´ıdic´ı jednotky. Pro kaˇzdý ˇr´ıdic´ı puls, resp. poˇzadovaný krok, je generována budic´ı sekvence vinut´ı motoru. Kromˇe ˇr´ıd´ıc´ıch vstup˚u je budiˇc vybaven ˇradou pomocných vstup˚u a výstup˚u, které poskytuj´ı informace napˇr. o ukonˇcen´ı pohybu, pˇret´ıˇzen´ı apod. Vˇsechny vstupy a výstupy jsou galvanicky oddˇeleny pomoc´ı optoˇclen˚u, výstupy jsou v proveden´ı diferenciáln´ıho budiˇce linky nebo tranzistorového sp´ınaˇce s otevˇreným kolektorem. Napájen´ı galvanicky oddˇelené ˇcásti je extern´ı, lze volit mezi 5 a 24 V.

Cinnost polohové zpˇetné vazby se principiálnˇe v´ˇ yraznˇe liˇs´ı od funkce klasické kaskádn´ı regulace známé u servopohon˚u. Zpˇetná vazba je aktivována aˇz tehdy, pokud polohová odchylka dosáhne velikosti jednoho mechanického kroku (1,8^◦), nezávisle na nastaven´ı rozliˇsen´ı mikrokrokován´ı. Potom je moment motoru udrˇzován ˇr´ıdic´ı elektronikou budiˇce na maximáln´ı hodnotˇe tak, aby se po odeznˇen´ı zátˇeˇze, která polohovou odchylku zp˚usobila, rotor ustálil v poˇzadované poloze, ˇc´ımˇz je zabránˇeno ztrátˇe kroku. Maximáln´ı velikost polo-hové odchylky pˇritom nen´ı nijak omezena. Je ovˇsem omezena doba trván´ı chodu v uzavˇrené smyˇcce a to na 5 s. Pokud bˇehem této doby nedojde k vyrovnán´ı polohové odchylky pod 1,8^◦, budiˇc motor zastav´ı a prostˇrednictv´ım signálu ALARM oznám´ı chybu. Z uvedeného vyplývá, ˇze tato zpˇetná vazba má sp´ıˇse kontroln´ı charakter, i kdyˇz dokáˇze zabránit ztrátˇe kroku pˇri krátkodobém pˇret´ıˇzen´ı.

V ˇcásti 2.2.2 bylo ukázáno, ˇze v aplikaci pohonu jeheln´ı tyˇce je tˇreba ˇr´ıdit polohu s maximáln´ı odchylkou 0,7^◦, tud´ıˇz v oblasti, kde se popsaná zpˇetná vazba neuplatn´ı.

K systému je tak nutno pˇristupovat, jako by pracoval v otevˇrené smyˇcce. Z toho vycház´ı navrˇzená metoda ˇr´ızen´ı popsaná v ˇcásti 4.2.

Dalˇs´ı podstatnou vlastnost´ı pouˇzitého budiˇce je schopnost mikrokrokován´ı s rozliˇsen´ım aˇz 10 000 krok˚u/ot, tzn. kaˇzdý z 200 mechanických krok˚u motoru je interpolován aˇz na 50 mikrokrok˚u. Pˇrechodová odezva krokového motoru pˇri vykonán´ı kroku vykazuje výrazné rezonanˇcn´ı pˇrekmity, coˇz je obecná vlastnost vˇsech krokových motor˚u, která je dána jejich konstrukc´ı a zp˚usobem buzen´ı. Rezonance se projevuje zejména pˇri n´ızkých otáˇckách, kdy mezi sousedn´ımi kroky probˇehne nˇekolik period kmit˚u. U krokových motor˚u se definuj´ı tzv. rezonanˇcn´ı otáˇcky³, nad kterými tento jev jiˇz nenastává. V uvaˇzované aplikaci je vˇsak vyˇzadován spojitý pr˚ubˇeh rychlosti jiˇz od nuly, tud´ıˇz se pˇri rozbˇehu a brzdˇen´ı rezonanˇcn´ım otáˇckám vyhnout nelze.

Pˇri experimentech s navrˇzeným setrvaˇcn´ıkem bylo zjiˇstˇeno, ˇze amplituda pˇrekmit˚u ˇrádovˇe dosahuje velikosti kroku. U pouˇzitého motoru s rozliˇsen´ım 200 krok˚u/ot (1,8^◦/krok) by tak bez mikrokrokován´ı samotné pˇrekmity zp˚usobené jeho chodem pˇresahovaly dovo-lenou toleranci 0,7^◦. To by vadilo právˇe na konci zdvihu, kde je vyˇzadována aperiodická odezva. Proto bylo vyuˇzito mikrokrokován´ı s nejvyˇsˇs´ım rozliˇsen´ım 10 000 krok˚u/ot, kdy velikost kroku ˇcin´ı pouze 0,036^◦. To umoˇzn´ı nahl´ıˇzet na motor jako na spojitý v poloze, i kdyˇz t´ım vzrostou nároky na navrhovanou ˇr´ıdic´ı jednotku, zejména na maximáln´ı frek-venci ˇr´ıd´ıc´ıch pulz˚u. Sn´ıˇzen´ım velikosti kroku se dále výraznˇe sniˇzuj´ı hluk a vibrace, coˇz je i d˚uvod, proˇc renomovan´ı výrobci nab´ızej´ı ˇspiˇckové pohony s pˇetifázovými krokovými motory a budiˇci s rozliˇsen´ım aˇz 50 000 krok˚u na otáˇcku.

Informace z indukˇcnostn´ıho polohového sn´ımaˇce integrovaného v motoru je pˇr´ıstupná prostˇrednictv´ım kvadraturn´ıho signálu (emulace výstupu IRC sn´ımaˇce), jehoˇz rozliˇsen´ı je shodné s nastaveným rozliˇsen´ım budiˇce. Výrobce uvád´ı, ˇze tento signál m˚uˇze být zpoˇzdˇen aˇz o 1 ms v˚uˇci aktuáln´ı poloze, coˇz bylo ovˇeˇreno mˇeˇren´ım. Nav´ıc bylo zjiˇstˇeno, ˇze pˇri kódován´ı smˇeru pohybu docház´ı k neoˇcekávaným chybám, které zˇrejmˇe generuje inter-polátor v budiˇci. Pravdˇepodobnˇe jsou zp˚usobeny poˇzadovaným pr˚ubˇehem polohy, který nut´ı motor pracovat v reˇzimu, na který nen´ı navrˇzen, protoˇze reverzace smˇeru otáˇcen´ı motoru mus´ı mezi zdvihy T2 a T3 probˇehnout v podstatˇe za chodu⁴. Z tohoto d˚uvodu bylo mˇeˇren´ı polohy realizováno extern´ım IRC sn´ımaˇcem, popsaným v ˇcásti 3.1.3.

Budiˇc dále disponuje funkc´ı rychlostn´ıho filtru (VFIL), který je doporuˇcován pro

” za-oblen´ı“ hran pr˚ubˇeh˚u rychlosti, jeˇz jsou zpravidla zadávány jako rampové úseky. Para-metrem filtru je ˇcasová konstanta, kterou lze nastavit v 16-ti kroc´ıch (0–82 ms). V dané aplikaci mˇela ˇcinnost tohoto filtru sp´ıˇse negativn´ı vliv a nejlepˇs´ıch výsledk˚u bylo dosaˇzeno po jeho úplném vypnut´ı.

3Pouze pro samotný motor bez zátˇeˇze, jelikoˇz provozn´ı rezonanˇcn´ı frekvence závis´ı také na momentu setrvaˇcnosti zátˇeˇze.

4V manuálu [4] nen´ı ˇcas potˇrebný pro zmˇenu smˇeru otáˇcen´ı pˇresnˇe specifikován, výrobce se omezil pouze na formulaci:

”Ne kratˇs´ı, neˇz je nezbytnˇe nutn´e“

Posledn´ım nastavitelným parametrem budiˇce je proudové omezen´ı (CURRENT), které lze pouˇz´ıt pro sn´ıˇzen´ı tepelného zat´ıˇzen´ı motoru. V dané aplikaci byla nastavena maximáln´ı hodnota proudu pro dosaˇzen´ı co nejvyˇsˇs´ıho momentu.

2.5.2 Krokov´y motor ASM69ACE

Z´akladn´ı vlastnosti:

• konstrukce: hybridn´ı, dvouf´azov´y

• statick´y vazebn´ı moment: 2 Nm

• moment setrvaˇcnosti rotoru: J^m=0,802·10⁻⁴ kg·m²

• rozliˇsen´ı: 200 krok˚u na ot´aˇcku (krok = 1,8^◦)

• vestavˇen´y indukˇcnostn´ı sn´ımaˇc natoˇcen´ı

• bipol´arn´ı vinut´ı (buzen´ı dvojic´ı H m˚ustk˚u)

Podrobné elektrické parametry motoru (odpor a indukˇcnost fáze, doporuˇcený proud) výrobce neuvád´ı, jelikoˇz je motor s budiˇcem dodáván jako celek. Nejpodstatnˇejˇs´ı parame-try motoru pro návrh pohonu jsou vlastn´ı moment setrvaˇcnosti Jm a provozn´ı momentová charakteristika uvedená na obrázku 2.8. Pro srovnán´ı je uvedena spolu s momentovými charakteristikami klikového mechanismu a náhradn´ıho setrvaˇcn´ıku z obrázku 2.5, které jsou zde jiˇz uvaˇzovány vˇcetnˇe dynamického momentu rotoru. Momentová charakteristika motoru závis´ı na zp˚usobu jeho buzen´ı, výrobce ji uvád´ı pˇri pouˇzit´ı dodaného budiˇce a rozliˇsen´ı 1000 krok˚u na otáˇcku, pˇriˇcemˇz ale neuvád´ı vliv jiného rozliˇsen´ı na jej´ı tvar. Dále neuvád´ı ani charakteristiku rozbˇehovou, coˇz vzhledem k poˇzadovanému pr˚ubˇehu rychlosti nevad´ı, protoˇze motor je z nulové rychlosti rozb´ıhán spojitˇe.

Jelikoˇz je pr˚ubˇeh momentu klikového mechanismu nesymetrický v˚uˇci ose otáˇcek, je momentová charakteristika motoru zobrazena v 1. i 4. kvadrantu. Je vidˇet, ˇze je vyuˇz´ıván rozsah otáˇcek, kde moment motoru jeˇstˇe výraznˇe neklesá, pˇresto je pro zvolený pr˚ubˇeh zrychlen´ı (viz. obr. 2.6) maximáln´ı moment pˇrekroˇcen. Z tohoto d˚uvodu zˇrejmˇe nebude moˇzné dosáhnout poˇzadované rychlosti stroje 250 cykl˚u za minutu.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

−2.5

−2

−1.5

−1

−0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5

n [ot/min]

M [Nm]

M_motor

Mklik. mech. + M

rotor

Msetrvacnik + M

rotor

Obr´azek 2.8: Momentov´a charakteristika motoru

Kapitola 3

R´ıdic´ı jednotka pohonu ˇ

3.1 N´ avrh HW

Jak jiˇz bylo zm´ınˇeno v úvodu práce, je návrh vlastn´ı ˇr´ıdic´ı jednotky vynucen t´ım, ˇze stan-dardn´ı ˇr´ıdic´ı jednotky, urˇcené pro ovládán´ı krokových motor˚u v úlohách pr˚umyslové auto-matizace, umoˇzˇnuj´ı generován´ı pouze pr˚ubˇeh˚u s konstantn´ım zrychlen´ım. To je pro reali-zaci poˇzadované zdvihové funkce nedostaˇcuj´ıc´ı. Navrhovaná ˇr´ıdic´ı jednotka mus´ı zajiˇst’ovat následuj´ıc´ı funkce:

• Generov´an´ı ˇr´ıdic´ıch pulz˚u pro pr˚ubˇehy s obecn´ym zrychlen´ım

• Synchronizace dvou identick´ych pohon˚u

• Zmˇena rychlosti v nˇekolika kroc´ıch

• Odmˇeˇrov´an´ı referenˇcn´ı polohy pohon˚u

3.1.1 Volba HW prostˇredk˚u

Návrh HW ˇr´ıdic´ı jednotky vycház´ı z toho, ˇze tato bude slouˇzit pouze pro experimentáln´ı ovˇeˇren´ı pouˇzitelnosti krokových motor˚u v dané aplikaci. Neklade si za c´ıl konstrukci ˇr´ıdic´ı elektroniky ve formˇe pouˇzitelné pro pˇr´ıpadnou sériovou výrobu, naopak je orientován sp´ıˇse na vyuˇzit´ı dostupných vývojových prostˇredk˚u.

Pro realizaci HW pˇripadá v úvahu jednoˇcipový mikrokontrolér (MCU) nebo hradlové pole (FPGA), pˇriˇcemˇz kaˇzdá z tˇechto variant má jisté výhody a nevýhody. Výhodou MCU jsou jednoduˇsˇs´ı vývojové prostˇredky, nedosahuje vˇsak výkonu FPGA, které má schopnost nezávislého paraleln´ıho chodu v´ıce ˇcást´ı obvodu. To umoˇzˇnuje v jediném ˇcipu implemento-vat funkce, které jediný MCU nen´ı schopen zvládnout. FPGA je tedy vhodné pro sériovou výrobu, je vˇsak nároˇcnˇejˇs´ı na zvládnut´ı návrhových systém˚u. HW ˇr´ıdic´ı jednotky bude právˇe kv˚uli jednoduchosti návrhu postaven na bázi MCU, pˇriˇcemˇz pro hromadnou výrobu by bylo vhodnˇejˇs´ı navrˇzené algoritmy implementovat v hradlovém poli.

Primárn´ı funkc´ıˇr´ıdic´ı jednotky je periodické generován´ı sekvence pulz˚u, která odpov´ıdá poˇzadované zdvihové funkci. Frekvence pulz˚u f [Hz] pˇritom odpov´ıdá rychlosti otáˇcen´ı motoru n [ot/min] podle vztahu:

f = N · n

60 , (3.1)

kde N [pls/ot] je nastavené rozliˇsen´ı krokového motoru, resp. jeho budiˇce. Z graf˚u na obrázku 2.6 je patrné, ˇze pro poˇzadovaný pr˚ubˇeh zdvihové funkce dosahuje rychlost otáˇcen´ı nejvýˇse 1000 ot/min. Mikrokrokován´ı je nastaveno na nejvyˇsˇs´ı rozliˇsen´ı pouˇzitého budiˇce, tj. N = 10 000 pls/ot. Dosazen´ım do vztahu 3.1 dojdeme k maximáln´ı frekvenci pulz˚u, kterou mus´ı být ˇr´ıdic´ı jednotka schopna generovat: f_max = 167 kHz, tj. nejkratˇs´ı perioda ˇcin´ı Tmin = 6 µs. Bˇehem této doby mus´ı m´ıt procesor dostatek ˇcasu na vykonán´ı rutiny pro generován´ı jednoho pulzu.

Zvoleným typem procesoru je PIC18F4685 fy. Microchip. Jeho maximáln´ı taktovac´ı frekvence je 40 MHz, pˇriˇcemˇz vykonán´ı jedné instrukce trvá 4 periody hodinového signálu.

Doba vykonán´ı jedné instrukce tak ˇcin´ı 100 ns, tud´ıˇz lze mezi nejbliˇzˇs´ımi dvˇema pulzy vykonat cca 60 instrukc´ı. To se pˇri psan´ı obsluˇzného programu ukázalo být jako dostateˇcné i s nezbytnou rezervou.

3.1.2 Blokov´e sch´ema

Obrázek 3.1: Blokové schéma ˇr´ıdic´ı jednotky

Blokové schéma ˇr´ıdic´ı jednotky je na obrázku 3.1. Kaˇzdý z dvojice motor˚u (MOTOR A, MOTOR B) je napájen vlastn´ım budiˇcem (Budiˇc A, Budiˇc B), který je ˇr´ızen pˇr´ısluˇsným MCU (SLAVE MCU A, SLAVE MCU B). Úkolem tˇechto MCU je generován´ı sekvenc´ı ˇr´ıdic´ıch pulz˚u pro vykonán´ı poˇzadovaných zdvihových funkc´ı obou pohon˚u. V pamˇeti MCU je uloˇzen program pro generován´ı pulz˚u i potˇrebná data. Program je u obou MCU stejný, data se liˇs´ı podle naprogramovaných pr˚ubˇeh˚u.

Cinnost SLAVE MCU je synchronizována nadˇrazen´ˇ ym MASTER MCU, který zajiˇst’uje ovládán´ı ˇr´ıdic´ı jednotky jako celku. ˇR´ıdic´ı jednotka se tedy skládá celkem ze tˇr´ı MCU a dalˇs´ıch podp˚urných obvod˚u, z nichˇz nejvýznamnˇejˇs´ı jsou dekodéry polohy (DECODER A, DECODER B), které zpracovávaj´ı signály z dvojice sn´ımaˇc˚u (IRC A, IRC B) a poskytuj´ı informaci o úhlu natoˇcen´ı motoru.

3.1.3 Odmˇeˇrov´an´ı polohy

Pˇrestoˇze navrˇzené ˇr´ızen´ı pohon˚u pracuje v otevˇrené smyˇcce, je pro zaruˇcen´ı spolehlivé funkce stroje nutné ovˇeˇrit skuteˇcnou polohu JT ve stanoveném m´ıstˇe kaˇzdé periody pra-covn´ıho cyklu. Pokud by byla poloha JT mimo vymezené pásmo, znamená to chybu (napˇr.

zaseknut´ı) a nesm´ı b´yt spuˇstˇen dalˇs´ı pracovn´ı cyklus.

Jelikoˇz se z d˚uvodu nedostatku ˇcasu nepodaˇrilo uspokojivˇe vyˇreˇsit odmˇeˇrován´ı s vyuˇzit´ım informace o poloze ze sn´ımaˇce integrovaného v krokovém motoru, je poloha kaˇzdé JT mˇeˇrena pomoc´ı nezávislého sn´ımaˇce. Pro úˇcely výzkumu to nen´ı na závadu, pro nasazen´ı v sériové výrobˇe by se ovˇsem tento problém musel odstranit. Pˇredevˇs´ım kv˚uli cenˇe

In document TECHNICK ´A UNIVERZITA V LIBERCI (Page 23-41)