TECHNICK ´A UNIVERZITA V LIBERCI

TECHNICK ´ A UNIVERZITA V LIBERCI

Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborov´ ych studi´ı

DIPLOMOV ´ A PR ´ ACE

2010 Bc. Petr V´ aˇ sa

TECHNICK ´ A UNIVERZITA V LIBERCI

Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborov´ ych studi´ı

Syst´em ˇr´ızen´ı pohonu jeheln´ıch tyˇc´ı

DIPLOMOV ´ A PR ´ ACE

2010 Bc. Petr V´ aˇ sa

TECHNICK ´ A UNIVERZITA V LIBERCI

Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborov´ ych studi´ı

Syst´ em ˇ r´ızen´ı pohonu jeheln´ıch tyˇ c´ı Needle bar drive control system

Bc. Petr V´ aˇ sa

Studijn´ı program: N2612 – Elektrotechnika a informatika

Studijn´ı obor: 3902T005 – Automatick´e ˇr´ızen´ı a inˇzen´yrsk´a informatika Pracoviˇstˇe : Ustav mechatroniky a technick´e informatiky´

Fakulta Mechatroniky, informatiky a mezioborov´ych studi´ı

Technick´a univerzita v Liberci Studentsk´a 2, 461 17 LIBEREC 1 Vedouc´ı: doc. Ing. Pavel Rydlo, CSc.

Konzultant: prof. Ing. Jaroslav Beran, CSc.

Rozsah diplomov´e pr´ace Rozsah pˇr´ıloh diplomov´e pr´ace

Poˇcet stran: 62 Poˇcet obr´azk˚u: 30 Poˇcet tabulek: 7

Poˇcet stran: 14 Poˇcet obr´azk˚u: 22

Prohl´ aˇ sen´ı

Byl jsem sezn´amen s t´ım, ˇze na mou diplomovou pr´aci se plnˇe vztahuje z´akon ˇc. 121/2000 o pr´avu autorsk´em, zejm´ena § 60 (ˇskoln´ı d´ılo).

Beru na vˇedom´ı, ˇze TUL m´a pr´avo na uzavˇren´ı licenˇcn´ı smlouvy o uˇzit´ı m´e diplomov´e pr´ace a prohlaˇsuji, ˇze s o u h l a s ´ı m s pˇr´ıpadn´ym uˇzit´ım m´e diplomov´e pr´ace (prodej, zap˚ujˇcen´ı apod.).

Jsem si vˇedom toho, ˇze uˇz´ıt sv´e diplomov´e pr´ace ˇci poskytnout licenci k jej´ımu vyuˇzit´ı mohu jen se souhlasem TUL, kter´a m´a pr´avo ode mne poˇzadovat pˇrimˇeˇren´y pˇr´ıspˇevek na ´uhradu n´aklad˚u, vynaloˇzen´ych univerzitou na vytvoˇren´ı d´ıla (aˇz do jejich skuteˇcn´e v´yˇse).

Diplomovou pr´aci jsem vypracoval samostatnˇe s pouˇzit´ım uveden´e literatury a na z´akladˇe konzultac´ı s vedouc´ım diplomov´e pr´ace a konzultantem.

V Liberci 15. 5. 2010 . . . .

Abstrakt

Syst´em ˇr´ızen´ı pohonu jeheln´ıch tyˇc´ı Petr V´aˇsa

Pˇredmˇetem t´eto pr´ace je ovˇeˇren´ı pouˇzitelnosti krokov´eho motoru v dynamicky n´aroˇcn´e aplikaci. Pˇredpokl´adanou oblast´ı pouˇzit´ı je textiln´ı pr˚umysl, kde cena pohonu hraje v´yznamnou roli. Krokov´y motor je proto zkoum´an jako cenov´a alternativa draˇzˇs´ıho syn- chronn´ıho servomotoru v aplikaci pohonu jeheln´ı tyˇce pr˚umyslov´eho ˇsic´ıho stroje. Dy- namick´e chov´an´ı poh´anˇen´eho mechanismu je aproximov´ano line´arn´ım modelem, kter´y je z´ısk´an experiment´aln´ı identifikac´ı. S vyuˇzit´ım tohoto modelu je provedena optimalizace zdvihov´e funkce mechanismu s c´ılem minimalizovat neˇz´adouc´ı pˇrekmity jeheln´ı tyˇce. Me- toda pouˇzit´a pˇri optimalizaci je zaloˇzena na dopˇredn´em ˇr´ızen´ı bez zpˇetn´e vazby.

Pro praktick´e ovˇeˇren´ı metody ˇr´ızen´ı je navrˇzena experiment´aln´ı ˇr´ıdic´ı jednotka, kter´a umoˇzˇnuje synchronizovan´e ˇr´ızen´ı dvou pohon˚u. Jej´ım hlavn´ım pˇr´ınosem je schopnost gene- rovat pr˚ubˇehy s obecn´ym pr˚ubˇehem zrychlen´ı. D´ale je navrˇzen zp˚usob nalezen´ı referenˇcn´ı polohy tyˇce, kter´y nevyˇzaduje speci´aln´ı sn´ımaˇc polohy. Navrˇzen´a metoda ˇr´ızen´ı je prak- ticky ovˇeˇrena s jedn´ım vybran´ym typem krokov´eho motoru na funkˇcn´ım modelu stroje.

V´ysledn´e parametry pohonu s krokov´ym motorem sice nedosahuj´ı kvalit servomotoru, pˇri niˇzˇs´ıch n´aroc´ıch na rychlost stroje se pˇresto m˚uˇze jednat o cenovˇe zaj´ımavou variantu.

Kl´ıˇcov´a slova

Krokov´y motor, identifikace, optimalizace, ˇr´ızen´ı, synchronizace.

Abstract

Needle bar drive control system Petr V´aˇsa

The aim of this work is applicability verification of a step motor in applications with a high dynamic load. The target area of usage is a textile industry, where the price of a drive is significant. The step motor is therefore designed as a low-cost alternative to a synchronous servodrive in application of needle bar drive on an industrial sewing machine. Dynamic behaviour of driven mechanism is approximated with a linear model, whose parameters are obtained by an experimental identification. The model is used to optimise the exciting function of the driven mechanism with the aim of minimize undesirable overshoots of the needle bar. The optimisation method is based on an inverse filter for the forward control without a feedback loop.

For a practical verification of the control method it is designed an experimental control unit, which is capable of the synchronized control of two drives. Main contribution of this control unit is its ability to generate speed profiles with general acceleration curve. Also it is designed and verified a method for a needle bar reference position search without a need of a special position sensor. The designed control method is verified on a sewing machine function model with one selected type of a step motor. Obtained technical parameters of the step motor drive do not achieve qualities of a synchronous servodrive, but it may be an interesting price variant in case of low-speed machine demands.

Keywords

Step motor, identification, optimization, control, synchronization.

Obsah

Seznam pouˇzit´ych symbol˚u 10

Seznam pouˇzit´ych zkratek 11

Seznam obr´azk˚u 12

Seznam tabulek 13

Uvod´ 14

1 Anal´yza souˇcasn´eho stavu 15

1.1 Princip funkce . . . 15

1.2 Pracovn´ı cyklus . . . 16

1.3 Souˇcasn´e uspoˇr´ad´an´ı mechanismu . . . 17

2 N´ahrada pohonu mechatronick´ym uzlem 19 2.1 Varianty generov´an´ı line´arn´ıho pohybu . . . 19

2.2 Kinematika klikov´eho mechanismu . . . 21

2.2.1 Kinematick´e sch´ema . . . 21

2.2.2 Citlivostn´ı anal´yza . . . 22

2.3 Dynamick´a anal´yza . . . 24

2.3.1 Urˇcen´ı z´atˇeˇzn´eho momentu . . . 24

2.3.2 N´avrh setrvaˇcn´ıku . . . 25

2.3.3 Momentov´e charakteristiky . . . 26

2.4 V´ybˇer krokov´eho motoru . . . 27

2.5 Popis pouˇzit´eho pohonu . . . 28

2.5.1 Budiˇc ASD16D-C . . . 28

2.5.2 Krokov´y motor ASM69ACE . . . 30

3 R´ıdic´ı jednotka pohonuˇ 32 3.1 N´avrh HW . . . 32

3.1.1 Volba HW prostˇredk˚u . . . 32

3.1.2 Blokov´e sch´ema . . . 33

3.1.3 Odmˇeˇrov´an´ı polohy . . . 34

3.1.4 Popis zapojen´ı . . . 36

3.2 N´avrh FW . . . 39

3.2.1 Pˇr´ıkazy pro zad´an´ı pr˚ubˇeh˚u . . . 40

3.2.2 Algoritmus generov´an´ı pr˚ubˇeh˚u . . . 41

3.2.3 Synchronizace pohon˚u . . . 43

3.2.4 Odmˇeˇrov´an´ı referenˇcn´ı polohy . . . 43

4 N´avrh metody ˇr´ızen´ı 45 4.1 Poˇzadavky a omezen´ı . . . 45

4.2 Metoda ˇr´ızen´ı a identifikace . . . 46

4.2.1 Dopˇredn´e ˇr´ızen´ı bez zpˇetn´e vazby . . . 46

4.2.2 Struktura modelu . . . 47

4.2.3 Identifikace . . . 47

4.2.4 N´avrh kompenzaˇcn´ıho filtru . . . 48

4.3 V´ypoˇcty budic´ıch pr˚ubˇeh˚u . . . 49

4.3.1 Optimalizace . . . 49

4.3.2 Generov´an´ı tabulek pro MCU . . . 54

5 V´ysledky v re´aln´em provozu 56 5.1 Model se setrvaˇcn´ıkem . . . 56

5.1.1 Zkuˇsebn´ı pˇr´ıpravek . . . 56

5.1.2 Dosaˇzen´e v´ysledky . . . 57

5.2 Model ˇsic´ıho stroje . . . 58

5.2.1 Popis funkˇcn´ıho modelu . . . 58

5.2.2 Dosaˇzen´e v´ysledky . . . 59

5.3 Cenov´e porovn´an´ı variant . . . 61

Z´avˇer 62

Literatura 64

Seznam pˇr´ıloh diplomov´e pr´ace 67

Seznam pouˇ zit´ ych symbol˚ u

e [m] excentricita klikov´eho mechanismu e(t) [^◦] pr˚ubˇeh polohov´e odchylky

f [Hz] frekvence

fs [Hz] vzorkovac´ı frekvence

FF IL(s) obrazov´y pˇrenos kompenzaˇcn´ıho filtru F_KM(s) obrazov´y pˇrenos modelu soustavy Jm [kg·m²] moment setrvaˇcnosti rotoru motoru J_s [kg·m²] moment setrvaˇcnosti setrvaˇcn´ıku k [^◦/^◦] statick´e zes´ılen´ı

l [m] d´elka ojnice

M [Nm] moment

n [ot/min] ot´aˇcky kliky

N [pls/ot] rozliˇsen´ı mikrokrokov´an´ı budiˇce motoru

r [m] d´elka ramene kliky

T [s] n´asobn´a ˇcasov´a konstanta u(t) [^◦] budic´ı pr˚ubˇeh

v [m/s] rychlost jeheln´ı tyˇce w(t) [^◦] pr˚ubˇeh ˇz´adan´e polohy

wOP T(t) [^◦] pr˚ubˇeh optimalizovan´e ˇz´adan´e polohy x [m] absolutn´ı zdvih jeheln´ı tyˇce

∆x [m] relativn´ı zdvih jeheln´ı tyˇce y(t) [^◦] mˇeˇren´y pr˚ubˇeh re´aln´e polohy yM(t) [^◦] simulovan´y pr˚ubˇeh polohy ǫ [rad/s²] uhlov´e zrychlen´ı kliky´

ϕ [^◦] absolutn´ı ´uhel natoˇcen´ı kliky

∆ϕ [^◦] relativn´ı ´uhel natoˇcen´ı kliky µ [m/^◦] pˇrevod klikov´eho mechanismu τ [s] ˇcasov´a konstanta p´olu filtru ω [rad/s] uhlov´a rychlost kliky´ ξ [^◦] pomˇern´e tlumen´ı

Seznam pouˇ zit´ ych zkratek

CAD poˇc´ıtaˇcov´y n´avrh

CCW counterclokwise - ot´aˇcen´ı proti smˇeru hodinov´ych ruˇciˇcek CW clockwise - ot´aˇcen´ı ve smˇeru hodinov´ych ruˇciˇcek

FPGA programovateln´e hradlov´e pole

FW firmware

HW hardware

IRC inkrement´aln´ı rotaˇcn´ı sn´ımaˇc JT jeheln´ı tyˇc

MCU mikrokontrol´er

SW software

Seznam obr´ azk˚ u

1.1 Princip ˇsit´ı s plovouc´ı jehlou . . . 15

1.2 Pracovn´ı cyklus mechanismu . . . 16

1.3 Model st´avaj´ıc´ıho mechanismu, pˇrevzato z [1] . . . 18

2.1 Model klikov´eho mechanismu, pˇrevzato z [2] . . . 20

2.2 Kinematick´e sch´ema klikov´eho mechanismu . . . 21

2.3 Z´avislost zdvihu JT na natoˇcen´ı kliky . . . 22

2.4 Citlivostn´ı anal´yza . . . 23

2.5 Pr˚ubˇehy dynamick´eho momentu . . . 24

2.6 Pr˚ubˇehy ´uhlov´eho zrychlen´ı, ot´aˇcek a ´uhlu natoˇcen´ı kliky . . . 25

2.7 Momentov´e charakteristiky z´atˇeˇze . . . 26

2.8 Momentov´a charakteristika motoru . . . 31

3.1 Blokov´e sch´ema ˇr´ıdic´ı jednotky . . . 33

3.2 Fyzick´e proveden´ı ˇr´ıdic´ı jednotky . . . 39

3.3 Rozdˇelen´ı pamˇeti programu . . . 41

3.4 Obsluha pˇreruˇsen´ı ˇcasovaˇce . . . 42

4.1 Odezva pohonu bez ˇr´ızen´ı (zat´ıˇzeno setrvaˇcn´ıkem) . . . 46

4.2 Blokov´e sch´ema dopˇredn´eho ˇr´ızen´ı . . . 47

4.3 Princip parametrick´e identifikace . . . 48

4.4 Frekvenˇcn´ı pˇrenosy identifikovan´ych model˚u . . . 49

4.5 Vliv filtru ve frekvenˇcn´ı oblasti (ide´aln´ı pˇr´ıpad, rychlost 8) . . . 50

4.6 Postup optimalizace budic´ıho pr˚ubˇehu . . . 50

4.7 Optimalizace ´useku T1 . . . 52

4.8 Optimalizace ´usek˚u T2 a T3 . . . 53

4.9 Algoritmus generov´an´ı v´ystupn´ıch soubor˚u . . . 55

5.1 Model a fotografie zkuˇsebn´ıho pˇr´ıpravku . . . 56

5.2 Namˇeˇren´a odezva na modelu se setrvaˇcn´ıkem (rychlost 8) . . . 57

5.3 CAD model ˇsic´ıho stroje, pˇrevzato z [2] . . . 59

5.4 Mˇeˇric´ı pracoviˇstˇe . . . 59

Seznam tabulek

1.1 Pracovn´ı cyklus . . . 17

2.1 Uhly pˇrechod˚´ u dle obr. 1.2 . . . 22

3.1 K´odov´an´ı pˇr´ıkaz˚u pro zad´an´ı pr˚ubˇeh˚u . . . 40

4.1 V´ysledky identifikace pro r˚uzn´e rychlosti . . . 48

5.1 Amplitudy pˇrekmit˚u na modelu se setrvaˇcn´ıkem . . . 58

5.2 Amplitudy pˇrekmit˚u na modelu ˇsic´ıho stroje . . . 60

5.3 Stanoven´ı pomˇeru cena/v´ykon . . . 61

Uvod ´

U mnoha technick´ych probl´em˚u b´yv´a pouze ot´azkou ˇcasu, kdy se podaˇr´ı nal´ezt pouˇziteln´e ˇreˇsen´ı. Pro nasazen´ı v praxi je vˇsak podstatn´a i jeho cena, kter´a nemus´ı vˇzdy odpov´ıdat pˇr´ınosu. To se t´yk´a i oboru ˇr´ızen´ych pohon˚u, kter´ym se ˇc´asteˇcnˇe zab´yv´a tato diplo- mov´a pr´ace. Elektronicky ˇr´ızen´e pohony umoˇzˇnuj´ı dalˇs´ı rozvoj stroj˚u t´ım, ˇze pro gene- rov´an´ı poˇzadovan´ych zdvihov´ych funkc´ı jejich mechanism˚u nen´ı nutn´e pouˇz´ıvat mecha- nick´e pˇrevody (vaˇcky), ale ˇradu pr˚ubˇeh˚u lze pomoc´ı ˇr´ızen´eho pohonu vytvoˇrit pˇr´ımo, coˇz je princip syst´em˚u oznaˇcovan´ych term´ınem elektronick´a vaˇcka. N´ahradou klasick´ych po- hon˚u mechatronick´ymi uzly s ˇr´ızen´ymi pohony lze v´yznamnˇe zlepˇsit technick´e parametry stroj˚u, ovˇsem tot´eˇz nemus´ı platit o pomˇeru cena/v´ykon. Proto se vˇzdy hled´a kompromis mezi uˇzitn´ymi vlastnostmi a cenou, pˇriˇcemˇz nezˇr´ıdka pˇri rozhodov´an´ı v´ıtˇez´ı pr´avˇe cena.

Popsan´y pˇr´ıstup byl i podnˇetem pro vznik t´eto pr´ace, kter´a se zab´yv´a moˇznost´ı vyuˇzit´ı krokov´eho motoru jako cenov´e alternativy synchronn´ıho servomotoru v aplikaci inovace pohonu mechanismu jeheln´ıch tyˇc´ı pr˚umyslov´eho ˇsic´ıho stroje. Servomotory maj´ı vˇsechny pˇredpoklady pro ´uspˇeˇsn´e pouˇzit´ı v t´eto aplikaci, kromˇe ceny. Ta je pomˇernˇe vysok´a a pro pouˇzit´ı v textiln´ım pr˚umyslu je v´yraznˇe limituj´ıc´ım faktorem. Ceny ˇspiˇckov´ych krokov´ych motor˚u jsou ˇr´adovˇe o polovinu niˇzˇs´ı, neˇz ceny servomotor˚u s odpov´ıdaj´ıc´ım ˇr´ızen´ım a tud´ıˇz m´a smysl se touto variantou pohonu zab´yvat, i kdyˇz nelze oˇcek´avat dosaˇzen´ı kvalitativnˇe stejnˇe dobr´ych v´ysledk˚u, jako se servomotory.

Protoˇze se jedn´a o dynamicky pomˇernˇe n´aroˇcnou aplikaci, pro kterou nen´ı pouˇzit´ı krokov´eho motoru typick´e, je hlavn´ım c´ılem pr´ace ovˇeˇren´ı jeho pouˇzitelnosti a nalezen´ı provozn´ıch limit˚u, aby nakonec mohl b´yt stanoven rozhoduj´ıc´ı pomˇer cena/v´ykon. Jelikoˇz krokov´e motory nal´ezaj´ı v pr˚umyslu uplatnˇen´ı sp´ıˇse v m´enˇe n´aroˇcn´ych mechanismech, jako jsou manipul´atory, p´asov´e dopravn´ıky apod., omezuj´ı se schopnosti na trhu dostupn´ych ˇr´ıdic´ıch jednotek na generov´an´ı pr˚ubˇeh˚u s konstantn´ım zrychlen´ım, coˇz neumoˇzˇnuje defi- novat obecnou zdvihovou z´avislost. Tˇeˇziˇstˇem pr´ace tak bude n´avrh vlastn´ı experiment´aln´ı ˇr´ıdic´ı jednotky, kter´a bude schopna poˇzadovan´e zdvihov´e z´avislosti realizovat, vhodn´e me- tody ˇr´ızen´ı a nezbytn´eho programov´eho vybaven´ı.

Kapitola 1

Anal´ yza souˇ casn´ eho stavu

1.1 Princip funkce

Poh´anˇen´ym mechanismem je dvojice jeheln´ıch tyˇc´ı (d´ale jen JT) pr˚umyslov´eho ˇsic´ıho stroje, pracuj´ıc´ıho na principu plovouc´ı jehly. Tento zp˚usob ˇsit´ı je charakteristick´y t´ım, ˇze jehla, t´ahnouc´ı nit, nen´ı pevnˇe spojena s jednou pohyblivou ˇc´ast´ı stroje, jako u klasick´ych ˇsic´ıch stroj˚u, n´ybrˇz prostupuje cel´a ˇsit´ym materi´alem a po jeho posunut´ı o d´elku stehu opˇet cel´a prostupuje zpˇet. Tento postup odpov´ıd´a ruˇcn´ımu ˇsit´ı klasickou jehlou a pouˇz´ıv´a se zejm´ena na tvorbu ozdobn´ych steh˚u. Podrobnˇejˇs´ı popis je uveden v diplomov´e pr´aci [1], kter´a se zab´yv´a anal´yzou a optimalizac´ı p˚uvodn´ıho mechanismu pohonu JT.

Obr´azek 1.1: Princip ˇsit´ı s plovouc´ı jehlou

Principielnˇe je metoda plovouc´ı jehly zachycena na obr´azku 1.1. Konstrukˇcnˇe je pr˚uchod cel´e jehly (1) ˇsit´ym materi´alem (2) ˇreˇsen tak, ˇze jehla je symetrick´a, oˇcko pro nit je uprostˇred a za voln´e konce je pˇred´av´ana mezi dvojic´ı pohybliv´ych JT (3, 4), kter´e v sobˇe nesou kleˇstinov´y mechanismus, jeˇz zajiˇst’uje vlastn´ı uchopov´an´ı jehly a je ovl´ad´an

t´ahlem, kter´e vystupuje ze zadn´ıho konce JT. Zobrazen´a situace zn´azorˇnuje pˇred´an´ı jehly od horn´ı tyˇce spodn´ı tyˇci, pˇriˇcemˇz pˇri opaˇcn´em pˇred´an´ı je situace analogick´a. K vlastn´ımu pˇred´an´ı jehly doch´az´ı ve stˇredn´ı poloze, kdy obˇe tyˇce na okamˇzik stoj´ı.

1.2 Pracovn´ı cyklus

Na obr´azku 1.2 je zachycena jedna perioda pracovn´ıho cyklu obou jeheln´ıch tyˇc´ı, bˇehem n´ıˇz dojde ke dvˇema pˇred´an´ım jehly. Horn´ı tyˇc a s n´ı souvisej´ıc´ı veliˇciny budou d´ale oznaˇcov´any p´ısmenem A, spodn´ı tyˇc bude m´ıt oznaˇcen´ı B. Perioda je zobrazena pro celkovou d´elku 240 ms, kter´a odpov´ıd´a rychlosti 250 cykl˚u/min, coˇz je poˇzadovan´a pracovn´ı rychlost inovovan´eho stroje¹. Zdvihov´e funkce pro pˇrechody mezi v´ydrˇzemi nejsou pˇredeps´any, podstatn´y je pouze ˇcas dosaˇzen´ı v´ydrˇz´ı a to pokud moˇzno bez neˇz´adouc´ıch pˇrekmit˚u.

V obr´azku 1.2 jsou pˇrechody sestaveny jako ˇc´asti funkce sinus.

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22 0.24

−100

−80

−60

−40

−20 0 20 40 60 80 100

t [s]

Relativni zdvih JT [%]

Horni JT Spodni JT

T2 P2B T1 P3B

P1B

P1A T1 P2A T2 P3A

T3

TG

T3

TG

Obr´azek 1.2: Pracovn´ı cyklus mechanismu

1V souˇcasn´em uspoˇr´ad´an´ı je ˇsic´ı stroj provozov´an na maxim´aln´ı rychlost 180 cykl˚u/min, inovovan´a varianta se servomotory dosahuje rychlosti aˇz 300 cykl˚u/min

Cyklus kaˇzd´e JT je sloˇzen z ˇsesti ´usek˚u, zdvih˚u T1, T2, T3 a prodlev P1, P2, P3.

Pˇrechody jsou pro obˇe JT stejnˇe dlouh´e, liˇs´ı se pouze jejich poˇrad´ı, zat´ımco prodlevy se pochopitelnˇe svou d´elkou liˇs´ı. D˚uleˇzit´ym parametrem je ˇcas pro pˇred´an´ı jehly TG, kter´y by mˇel b´yt co nejkratˇs´ı. Pˇrekmit mezi zdvihy T2 a T3 slouˇz´ı k navolnˇen´ı pˇr´ıze, aby mohla b´yt vytvoˇrena kliˇcka na jehlou protaˇzen´e ˇc´asti niti. Za tuto kliˇcku je posl´eze nit zachycena dalˇs´ım mechanismem stroje a je protaˇzena na stranu jehly v cel´e d´elce. Podrobnˇeji je pracovn´ı cyklus shrnut v tabulce 1.1.

Tabulka 1.1: Pracovn´ı cyklus

jeheln´ı tyˇc A (horn´ı) jeheln´ı tyˇc B (spodn´ı) krok usek´ ˇcas [ms] akce usek´ ˇcas [ms] akce

1 P1A 25 posun l´atky

P1B 52 ˇcek´an´ı na jehlu

2 T1 25 jehla dol˚u

pˇred´an´ı jehly A → B 3

P2A 122 ˇcek´an´ı na jehlu

T2 30 ˇsit´ı

4 T3 11 povolen´ı nitˇe

5 P2B 52 posun l´atky

6 T1 25 jehla nahoru

pˇred´an´ı jehly B → A

7 T2 30 ˇsit´ı

P3B 70 ˇcek´an´ı na jehlu

8 T3 11 povolen´ı nitˇe

9 P3A 27 posun l´atky

1.3 Souˇ casn´ e uspoˇ r´ ad´ an´ı mechanismu

St´avaj´ıc´ı pohon JT je ˇreˇsen centr´aln´ım asynchronn´ım elektromotorem, jehoˇz ot´aˇcky lze ˇr´ıdit frekvenˇcn´ım mˇeniˇcem. Tento motor poh´an´ı radi´aln´ı vaˇcku, kter´a ovl´ad´a souˇcasnˇe obˇe JT. Profil vaˇcky urˇcuje zdvihov´e z´avislosti a mechanicky zajiˇst’uje vz´ajemnou synchronizaci JT.

V´yhodou vaˇckov´eho mechanismu je jeho jednoduchost a robustnost, coˇz je d´ano t´ım, ˇze tento princip je pouˇz´ıv´an jiˇz od doby, kdy byla metoda ˇsit´ı s plovouc´ı jehlou patentov´ana (30. l´eta). Podstatn´e je, ˇze ´udrˇzba a seˇr´ızen´ı nevyˇzaduje pˇr´ıliˇs kvalifikovanou obsluhu, jelikoˇz kl´ıˇcov´e mechanick´e souˇc´asti vyˇzaduj´ı kv˚uli opotˇreben´ı pomˇernˇe ˇcastou v´ymˇenu.

M´ırn´y n´ar˚ust v˚ul´ı vlivem opotˇreben´ı nem´a sice z´asadn´ı vliv na pˇresnost stroje, v´yraznˇe se t´ım vˇsak zvyˇsuje jeho hluˇcnost. Nutnost dodrˇzov´an´ı hygienick´ych limit˚u na pracoviˇsti po- tom vede na sniˇzov´an´ı rychlosti stroje, coˇz m´a samozˇrejmˇe neˇz´adouc´ı vliv na produktivitu v´yroby.

Na obr´azku 1.3 je uveden model vaˇckov´eho mechanismu pohonu JT. Z nˇeho je zˇrejm´e, ˇze pˇrestoˇze je tˇreba pohybovat pouze jehlou, kter´a sama v´aˇz´ı nˇekolik gram˚u, samotn´e hnac´ı mechanismy jsou v˚uˇci jehle mnohon´asobnˇe rozmˇernˇejˇs´ı a tˇeˇzˇs´ı, coˇz je jednou z pˇrek´aˇzek pro zv´yˇsov´an´ı v´ykonu stroje. Pro provoz na vyˇsˇs´ıch rychlostech by souˇc´asti mechanismu

musely b´yt dimenzov´any na vˇetˇs´ı dynamick´a zat´ıˇzen´ı, ˇc´ımˇz by jejich hmotnosti a momenty setrvaˇcnosti jeˇstˇe v´ıce narostly a t´ım by se ne´umˇernˇe zv´yˇsily n´aroky na v´ykon pohonu.

Hmotnosti pˇrevod˚u by bylo moˇzn´e redukovat sniˇzen´ım vzd´alenosti mezi pohonem a jeheln´ı tyˇc´ı, tato vzd´alenost je vˇsak d´ana potˇrebnou d´elkou ramene ˇsic´ıho stroje. Pro ˇsic´ı stroje s pevnou jehlou pˇripad´a v ´uvahu um´ıstˇen´ı pohonu pˇr´ımo do ramene, coˇz je u stroj˚u s plovouc´ı jehlou podm´ınˇeno schopnost´ı pˇresn´e synchronizace dvojice pohon˚u. Ta se objevila aˇz s pˇr´ıchodem elektronicky ˇr´ızen´ych servopohon˚u a vzhledem k jejich cenˇe byla pro nasazen´ı v textiln´ım pr˚umyslu dlouhou dobu nezaj´ımav´a.

Obr´azek 1.3: Model st´avaj´ıc´ıho mechanismu, pˇrevzato z [1]

Kapitola 2

N´ ahrada pohonu mechatronick´ ym uzlem

2.1 Varianty generov´ an´ı line´ arn´ıho pohybu

Jak jiˇz bylo naznaˇceno, nem´a souˇcasn´a konstrukce pohonu potenci´al pro dalˇs´ı zvyˇsov´an´ı v´ykonu stroje pˇri zachov´an´ı pˇr´ıpustn´e hluˇcnosti, tud´ıˇz bylo nutn´e celou konstrukci pˇrepracovat s vyuˇzit´ım modern´ıch prostˇredk˚u elektrick´ych pohon˚u. Existuj´ı v podstatˇe dva zp˚usoby, jak´ymi lze generovat vratn´y line´arn´ı pohyb JT:

1. Line´arn´ı motor, kter´y nevyˇzaduje dalˇs´ı pˇrevody, ale m´a nev´yhodn´y pomˇer vlastn´ı hmotnosti v˚uˇci hmotnosti poh´anˇen´e JT, tud´ıˇz by jeho provoz byl energeticky zbyteˇcnˇe n´aroˇcn´y. Vysok´a cena tak´e nen´ı pˇr´ızniv´a.

2. Rotaˇcn´ı motor s mechanick´ym pˇrevodem na line´arn´ı pohyb, coˇz je sice v podstatˇe tot´eˇz, jako je st´avaj´ıc´ı ˇreˇsen´ı s vaˇckou, zde by se ovˇsem jednalo o dvojici ˇr´ızen´ych pohon˚u se servomotorem nebo krokov´ym motorem pro kaˇzdou JT zvl´aˇst’.

To umoˇzn´ı um´ıstit pohon do bezprostˇredn´ı bl´ızkosti JT, ˇc´ımˇz se v´yraznˇe redukuje hmota pˇrevod˚u. Cena je d´ana pˇredevˇs´ım zvolenou variantou motoru.

Pˇri volbˇe nov´e konstrukce byla d´ana pˇrednost druh´e variantˇe, kter´a d´av´a vˇetˇs´ı prostor k experimentov´an´ı s r˚uzn´ymi druhy a typy rotaˇcn´ıch motor˚u, jelikoˇz pˇri pˇr´ıpadn´e v´ymˇenˇe staˇc´ı upravit mont´aˇzn´ı pˇr´ırubu, zbytek konstrukce nen´ı tˇreba mˇenit. To umoˇzn´ı vyr´abˇet v´ıce variant ˇsic´ıho stroje podle toho, zda bude preferov´an v´ykon nebo cena, pˇriˇcemˇz je- din´ym rozd´ılem bude osazen´y pohon a jeho ˇr´ızen´ı.

Pˇrevod rotaˇcn´ıho pohybu na vratn´y line´arn´ı pohyb lze opˇet zajistit nˇekolika zp˚usoby.

Pokud pomineme vaˇckov´y mechanismus, kter´y je snaha odstranit, nab´ız´ı se dvˇe pouˇziteln´e varianty:

1. Klikov´y mechanismus, kdy ke kˇriˇz´aku, um´ıstˇen´emu excentricky v˚uˇci ose kliky, je pˇripevnˇena JT. Potˇrebn´y zdvih je generov´an pouze poot´aˇcen´ım kliky v˚uˇci poloze,

v n´ıˇz je klika kolm´a k rovinˇe pohybu kˇriˇz´aku, resp. ose jeheln´ı tyˇce. Nev´yhodou tohoto ˇreˇsen´ı je nekonstantn´ı pˇrevod, kter´y m˚uˇze zp˚usobit urˇcit´e obt´ıˇze pˇri ˇr´ızen´ı pohonu, i kdyˇz v ´uvrat´ıch vlivem promˇenn´eho pˇrevodu doch´az´ı k redukci momentu setrvaˇcnosti z´atˇeˇze, coˇz je jev pˇr´ızniv´y. V´yhodami je naopak tuhost pˇrevodu a mal´y z´astavn´y prostor.

2. ˇRem´ınkov´y pˇrevod, kdy ˇrem´ınek, napnut´y mezi dvojic´ı ˇremeniˇcek, z nichˇz jedna je hnan´a, un´aˇs´ı JT. V´yhodou je konstantn´ı pˇrevod, coˇz usnadˇnuje ˇr´ızen´ı pohonu, protoˇze nedoch´az´ı ke kol´ıs´an´ı redukovan´eho momentu setrvaˇcnosti z´atˇeˇze, a tak´e niˇzˇs´ı tuhost ˇrem´ınku, kter´a m´a pˇr´ızniv´y ´uˇcinek na potlaˇcov´an´ı r´az˚u a t´ım na sn´ıˇzen´ı hluˇcnosti. Na druhou stranu m˚uˇze poddajnost ˇrem´ınku zp˚usobovat kmity v ´uvrat´ıch a t´ım zhorˇsovat pˇresnost. Praktick´ym omezen´ım pouˇzitelnosti t´eto varianty je fakt, ˇze ˇrem´ınkov´y pˇrevod zauj´ım´a vˇetˇs´ı z´astavn´y prostor a nehod´ı se do zaveden´e konstrukce ˇsic´ıho stroje.

Na pracoviˇsti KTS FS TUL byla v r´amci v´yzkumu [2] ovˇeˇrena funkce obou variant pˇrevodu, pˇriˇcemˇz ze strany zadavatele byla d´ana pˇrednost pˇrevodu klikov´ym mechanis- mem a to zejm´ena z d˚uvodu ´uspory z´astavn´eho prostoru v˚uˇci ˇrem´ınkov´emu pˇrevodu.

Model navrˇzen´eho klikov´eho mechanismu je uveden na obr´azku 2.1.

Obr´azek 2.1: Model klikov´eho mechanismu, pˇrevzato z [2]

2.2 Kinematika klikov´ eho mechanismu

2.2.1 Kinematick´e sch´ema

N´avrh rozmˇer˚u souˇc´ast´ı klikov´eho mechanismu nen´ı pˇredmˇetem t´eto pr´ace. Byl proveden jiˇz dˇr´ıve na pracoviˇsti KTS FS TUL v r´amci zak´azkov´eho v´yzkumu, coˇz je d˚uvod, proˇc zde nemohou b´yt uvedeny konkr´etn´ı rozmˇery souˇc´ast´ı. Ty vych´az´ı ze souˇcasn´eho stavu inovace mechanismu, kdy je za stˇeˇzejn´ı pohon zvolen synchronn´ı servomotor. Klikov´y me- chanismus je nyn´ı optimalizov´an pro co nejlepˇs´ı pˇrizp˚usoben´ı z´atˇeˇze momentov´ym cha- rakteristik´am zvolen´eho typu synchronn´ıho servomotoru, nelze tedy oˇcek´avat, ˇze v´ysledky dosaˇzen´e s krokov´ym motorem budou optim´aln´ı. Pˇresto by mˇely poskytnout z´akladn´ı in- formaci o pouˇzitelnosti krokov´eho motoru, pˇriˇcemˇz dalˇs´ıho pˇr´ıpadn´eho zlepˇsen´ı by bylo moˇzn´e dos´ahnout optimalizac´ı klikov´eho mechanismu na m´ıru pouˇzit´emu typu motoru.

Kinematick´e sch´ema je na obr´azku 2.2.

Obr´azek 2.2: Kinematick´e sch´ema klikov´eho mechanismu V´yznam oznaˇcen´ych veliˇcin je n´asleduj´ıc´ı:

• x – line´arn´ı zdvih kˇriˇz´aku (jeheln´ı tyˇce)

• ϕ – ´uhel natoˇcen´ı kliky

• e – excentricita klikov´eho mechanismu

• l – d´elka ojnice

• r – d´elka kliky

Pro pˇr´ımou kinematiku, tj. z´avislost zdvihu kˇriˇz´aku x na natoˇcen´ı kliky ϕ plat´ı vztah:

x = r cos(ϕ) + l cos

 arcsin

e − r sin(ϕ) l



, (2.1)

Inverzn´ı kinematiku, tj. z´avislost ´uhlu natoˇcen´ı ϕ na zdvihu x, popisuje vztah:

ϕ = arctan

e x



+ arccos e²+ x²+ r²+ l² 2r√

x²+ e²

!

. (2.2)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 30

40 50 60 70 80 90

φ [°]

x [mm]

Obr´azek 2.3: Z´avislost zdvihu JT na natoˇcen´ı kliky

Z´avislost zdvihu JT na ´uhlu natoˇcen´ı kliky je pro konkr´etn´ı rozmˇery mechanismu a interval

´uhlu ϕ = h0, 180^◦i vypoˇc´ıt´ana na obr´azku 2.3.

S vyuˇzit´ım rovnice 2.2 a zn´am´ych rozmˇer˚u souˇc´ast´ı stroje lze vypoˇc´ıtat ´uhlov´a natoˇcen´ı ϕ potˇrebn´a k realizaci poˇzadovan´ych zdvih˚u JT. V tabulce 2.1 jsou uvedeny konkr´etn´ı vypoˇcten´e hodnoty pro oznaˇcen´ı pˇrechod˚u z obr´azku 1.2. ´Uhel ϕ₀ oznaˇcuje poˇc´ateˇcn´ı polohu kliky, ´uhel ϕ₁ koncovou polohu a ´uhel ∆ϕ jejich rozd´ıl. ´Uhly jsou mˇeˇreny od roviny rovnobˇeˇzn´e s JT smˇerem ke klice, tj. proti smˇeru hodinov´ych ruˇciˇcek na obr´azku 2.2. Jelikoˇz je stroj navrˇzen symetricky v˚uˇci ose leˇz´ıc´ı v rovinˇe ˇsit´eho materi´alu, jsou tyto hodnoty shodn´e pro pohony obou JT.

Tabulka 2.1: ´Uhly pˇrechod˚u dle obr. 1.2 pˇrechod ϕ0 [^◦] ∆ϕ [^◦] ϕ1 [^◦]

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 sledovan´ych parametr˚u je pˇresnost mechanismu pˇri dosaˇzen´ı v´ydrˇze na konci zdvih˚u T1 (viz obr. 1.2). V tˇechto m´ıstech doch´az´ı k vlastn´ımu pˇred´an´ı jehly mezi jeheln´ımi tyˇcemi, tud´ıˇz je nutno dos´ahnout poˇzadovan´e 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 odmˇeˇrov´an´ı polohy bude realizov´ano pouze sn´ımaˇcem natoˇcen´ı ´uhlu kliky ϕ (hˇr´ıdele motoru) a nikoli pˇr´ımo line´arn´ıho zdvihu x JT, je nutn´e stanovit dovolenou hod- notu ´uhlov´ych pˇrekmit˚u ∆ϕ, pˇri kter´e jeˇstˇe bude splnˇena tolerance ∆x. K tomu je tˇreba zn´at pˇrevod mechanismu µ, kter´y je z´avisl´y na absolutn´ım ´uhlu natoˇcen´ı ϕ. Pˇrevod µ klikov´eho mechanismu¹ z´ısk´ame derivac´ı rovnice 2.1 podle ϕ:

µ = dx

dϕ = −r sinϕ + (e − r sinϕ) r cosϕ l^q1 −(e−r sinϕ))²

l²

(2.3)

V´ysledn´y vztah m´a tvar:

∆x = µ ∆ϕ. (2.4)

Pro dan´e rozmˇery mechanismu lze pˇrevod interpretovat s´ıt´ı charakteristik na obr´azku 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 poˇzadovan´e pˇresnosti zdvihu 0,2 mm pˇri v´ydrˇzi v ´uhlu ϕ = 48,5^◦ ˇcin´ı dovolen´y pˇrekmit ´uhlu ∆ϕ ≈ 0,7^◦. Tato hodnota bude jedn´ım z hodnot´ıc´ıch krit´eri´ı dosaˇzen´e kvality ˇr´ızen´ı.

0 45 90 135 180

−0.5

−0.4

−0.3

−0.2

−0.1 0 0.1 0.2

φ [°]

∆x [mm] @ ∆φ = 0.1 − 1°

∆φ=0.1°

∆φ=1°

Obr´azek 2.4: Citlivostn´ı anal´yza

1Pro zjednoduˇsen´ı je uvaˇzov´an ide´aln´ı mechanismus, tj. bez vyˇsetˇrov´an´ı geometrick´e pˇresnosti

2.3 Dynamick´ a anal´ yza

2.3.1 Urˇcen´ı z´atˇeˇzn´eho momentu

Pro spr´avn´y v´ybˇer krokov´eho motoru je nutn´e nejprve urˇcit momentovou charakteris- tiku z´atˇeˇze, coˇz je v tomto pˇr´ıpadˇe jeheln´ı tyˇc ovl´adan´a klikov´ym mechanismem. Analy- tick´y v´ypoˇcet dynamick´eho z´atˇeˇzn´eho momentu motoru je vlivem nekonstantn´ıho pˇrevodu pomˇernˇe sloˇzit´y. Jelikoˇz byl ale cel´y klikov´y mechanismus na pracoviˇsti KTS FS TUL na- vrhov´an a modelov´an v prostˇred´ı Pro/ENGINEER, bylo moˇzn´e prov´est tento v´ypoˇcet numericky. V´ypoˇcet byl proveden pro rozsah ´uhlu ϕ odpov´ıdaj´ıc´ı zdvihu T1, viz tabulka 2.1, pˇriˇcemˇz byl pouˇzit budic´ı pr˚ubˇeh ´uhlov´eho zrychlen´ı, kter´y byl navrˇzen pro variantu s pohony servomotory. Zaˇc´atek a konec sinusov´eho pr˚ubˇehu je doplnˇen o takt´eˇz sinusov´e n´abˇehy s c´ılem minimalizovat r´azy, kter´e by byly generov´any skokem ve zrychlen´ı v pˇr´ıpadˇe ˇcistˇe sinusov´eho pr˚ubˇehu.

Jelikoˇz zrychlen´ı nab´yv´a nejvyˇsˇs´ı hodnoty pˇri zdvihu T1, bude momentov´a charak- teristika sestavena pro tento zdvih. Konkr´etn´ı pr˚ubˇehy ´uhlov´eho zrychlen´ı, rychlosti a

´

uhlu natoˇcen´ı kliky jsou uvedeny na obr´azku 2.6. Jednotka ´uhlov´e rychlosti je pro vˇetˇs´ı pˇrehlednost pˇrepoˇc´ıt´ana na [ot/min]. Popsan´emu buzen´ı odpov´ıd´a dle simulace v pro- gramu Pro/ENGINEER pr˚ubˇeh z´atˇeˇzn´eho momentu na obr´azku 2.5. Ve spoleˇcn´em grafu je uveden i pr˚ubˇeh momentu n´ahradn´ıho setrvaˇcn´ıku, o nˇemˇz bude pojedn´ano d´ale.

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025

−1.5

−1

−0.5 0 0.5 1 1.5

t [s]

M [Nm]

Mklik. mech.

Msetrvacnik

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

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025

−2

−1 0 1 2x 10⁴

t [s]

ε [rad/s]

Uhlove zrychleni kliky

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025

0 200 400 600 800 1000

t [s]

n [ot/min]

Uhlova rychlost kliky

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025

40 60 80 100 120 140

t [s]

Φ [°]

Uhel kliky

Obr´azek 2.6: Pr˚ubˇehy ´uhlov´eho zrychlen´ı, ot´aˇcek a ´uhlu natoˇcen´ı kliky

2.3.2 N´avrh setrvaˇcn´ıku

V prvn´ı f´azi zkouˇsek pohon˚u se synchronn´ım servomotorem na KTS FS TUL bylo dy- namick´e zat´ıˇzen´ı pro jednoduchost simulov´ano setrvaˇcn´ıkem, kter´y byl navrˇzen tak, aby jeho moment setrvaˇcnosti Js=1,1·10⁻⁴kg·m² odpov´ıdal redukovan´emu momentu klikov´eho mechanismu na konci zdvihu, nikoli jeho maxim´aln´ı hodnotˇe dosaˇzen´e pˇribliˇznˇe uprostˇred zdvihu. Takto volen´a hodnota d´av´a vypov´ıdaj´ıc´ı v´ysledky o chov´an´ı na zaˇc´atku a konci zdvihu, i kdyˇz dynamick´e zat´ıˇzen´ı ve stˇredn´ı ˇc´asti bude v˚uˇci re´aln´emu provozu pˇribliˇznˇe

poloviˇcn´ı.

Stejn´y setrvaˇcn´ık bude pouˇzit i pro zkouˇsky se zvolen´ym krokov´ym motorem. Zde by mˇela b´yt situace o nˇeco pˇr´ıznivˇejˇs´ı v tom smyslu, ˇze krokov´e motory maj´ı ve srovn´an´ı se synchronn´ımi servomotory niˇzˇs´ı pomˇer hnac´ıho momentu v˚uˇci vlastn´ımu momentu se- trvaˇcnosti, tud´ıˇz relativn´ı zmˇena celkov´eho momentu setrvaˇcnosti z´atˇeˇze a motoru bude niˇzˇs´ı.

2.3.3 Momentov´e charakteristiky

Uveden´e pr˚ubˇehy moment˚u vykreslen´e v z´avislosti na ot´aˇck´ach vytvoˇr´ı momentov´e cha- rakteristiky z´atˇeˇze, kter´e jsou uveden´e na obr´azku 2.7, opˇet jak pro klikov´y mechanismus tak i pro navrˇzen´y n´ahradn´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

Obr´azek 2.7: Momentov´e charakteristiky z´atˇeˇze

2.4 V´ ybˇ er krokov´ eho motoru

Krokov´e motory jsou v pr˚umyslu nasazov´any zejm´ena v dynamicky m´enˇe n´aroˇcn´ych aplikac´ıch, jako jsou pohony p´asov´ych dopravn´ık˚u automatizovan´ych v´yrobn´ıch linek, line´arn´ıch aktu´ator˚u² apod. V´yznamnou pˇrednost´ı krokov´ych motor˚u je jejich schopnost pracovat bez polohov´e zpˇetn´e vazby, coˇz ˇsetˇr´ı n´aklady na odmˇeˇrov´an´ı polohy i vyhodno- covac´ı ˇr´ıdic´ı syst´em. Prakticky se pouˇz´ıvaj´ı pouze koncov´e sp´ınaˇce pro urˇcen´ı referenˇcn´ı a koncov´e polohy poh´anˇen´eho mechanismu.

Pˇredpokladem pro spolehliv´y provoz je dodrˇzen´ı maxim´aln´ıho z´atˇeˇzn´eho momentu motoru, nebot’ pˇri jeho pˇrekroˇcen´ı doch´az´ı ke ztr´atˇe kroku (nebo v´ıce krok˚u), kterou bez zpˇetn´e vazby nelze jednoduˇse detekovat. Z tohoto d˚uvodu ˇrada v´yrobc˚u nab´ız´ı varianty motor˚u s vestavˇen´ym enkod´erem polohy, kter´ym je typicky optoelektronick´y IRC sn´ımaˇc s rozliˇsen´ım ˇr´adovˇe stovek pulz˚u na ot´aˇcku, jehoˇz v´ystupn´ı sign´al se zpravidla zpracov´av´a v ˇr´ıdic´ım PLC. Pomoc´ı t´eto zpˇetn´e vazby lze detekovat ztr´atu kroku bˇehem chodu motoru, pˇr´ıpadnˇe kontrolovat koncovou polohu. Zp˚usob oˇsetˇren´ı pˇr´ıpadn´ych odchylek je ponech´an na uˇzivateli, resp. program´atorovi PLC.

Posledn´ım v´yvojov´ym stupnˇem je zaveden´ı polohov´e zpˇetn´e vazby pˇr´ımo do budiˇce krokov´eho motoru, kter´y tak m˚uˇze ztr´atu kroku automaticky eliminovat. Takov´e proveden´ı sice zvyˇsuje cenu budiˇce, umoˇzˇnuje vˇsak pouˇz´ıt krokov´y motor i pro dynamicky n´aroˇcnˇejˇs´ı aplikace. Pro ´uˇcely t´eto pr´ace byl na pracoviˇsti KTS FS TUL vybr´an pohon s krokov´ym motorem pr´avˇe v tomto uspoˇr´ad´an´ı.

Kl´ıˇcov´ymi parametry krokov´eho motoru jsou jeho momentov´a charakteristika a mo- ment setrvaˇcnosti rotoru, kter´y se spolu s momentem setrvaˇcnosti z´atˇeˇze (klikov´eho mechanismu) bude pod´ılet na celkov´em dynamick´em z´atˇeˇzn´em momentu. Pˇri hled´an´ı vhodn´eho typu motoru je nutn´e pro katalogovou hodnotu momentu setrvaˇcnosti a zvo- len´y pr˚ubˇeh zrychlen´ı vypoˇc´ıtat pˇr´ısluˇsn´y pr˚ubˇeh dynamick´eho momentu a tento pr˚ubˇeh pˇriˇc´ıst k pr˚ubˇehu dynamick´eho momentu samotn´e z´atˇeˇze. Z v´ysledku se z´ısk´a celkov´a mo- mentov´a charakteristika, podle n´ıˇz lze porovn´avat pouˇzitelnost vybran´eho typu motoru.

Praktick´ym probl´emem pˇri v´ybˇeru motoru je fakt, ˇze pomˇer dosahovan´eho hnac´ıho mo- mentu a momentu setrvaˇcnosti rotoru pro rostouc´ı rozmˇery (a tedy i v´ykon) motoru sp´ıˇse kles´a, tud´ıˇz nelze motor jednoduˇse zvolit jako v´yraznˇe pˇredimenzovan´y. V tom pˇr´ıpadˇe by byl pomˇer momentu setrvaˇcnosti motoru v´yraznˇe vyˇsˇs´ı, neˇz moment setrvaˇcnosti z´atˇeˇze, coˇz by vedlo na vyˇsˇs´ı spotˇrebu energie a tedy i na vyˇsˇs´ı provozn´ı n´aklady, nehledˇe na vˇetˇs´ı rozmˇery a vyˇsˇs´ı poˇrizovac´ı cenu v´ykonnˇejˇs´ıho motoru a budiˇce.

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

2.5 Popis pouˇ zit´ eho pohonu

Zvolen´a sestava krokov´eho motoru ASM69ACE a jemu pˇr´ısluˇsn´eho budiˇce ASD16D-C z ˇrady αstep je v´yrobkem fy. Oriental Motor U.S.A. ´Upln´y popis je dostupn´y v dokumen- taci v´yrobce [3] a manu´alu [4]. Podstatnou vlastnost´ı ˇrady pohon˚u αstep je implementace polohov´e zpˇetn´e vazby, jak byla pops´ana v´yˇse.

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 v´ykonov´eho ˇclenu, proudov´e ochrany proti pˇret´ıˇzen´ı motoru a pˇredevˇs´ım ˇr´ızen´ı pomoc´ı vnˇejˇs´ıch sign´al˚u z nadˇrazen´e ˇr´ıdic´ı jednotky. Pro kaˇzd´y ˇr´ıdic´ı puls, resp. poˇzadovan´y krok, je generov´ana budic´ı sekvence vinut´ı motoru. Kromˇe ˇr´ıd´ıc´ıch vstup˚u je budiˇc vybaven ˇradou pomocn´ych vstup˚u a v´ystup˚u, kter´e poskytuj´ı informace napˇr. o ukonˇcen´ı pohybu, pˇret´ıˇzen´ı apod. Vˇsechny vstupy a v´ystupy jsou galvanicky oddˇeleny pomoc´ı optoˇclen˚u, v´ystupy jsou v proveden´ı diferenci´aln´ıho budiˇce linky nebo tranzistorov´eho sp´ınaˇce s otevˇren´ym kolektorem. Nap´ajen´ı galvanicky oddˇelen´e ˇc´asti je extern´ı, lze volit mezi 5 a 24 V.

Cinnost polohov´e zpˇetn´e vazby se principi´alnˇe v´ˇ yraznˇe liˇs´ı od funkce klasick´e kask´adn´ı regulace zn´am´e u servopohon˚u. Zpˇetn´a vazba je aktivov´ana aˇz tehdy, pokud polohov´a odchylka dos´ahne velikosti jednoho mechanick´eho kroku (1,8^◦), nez´avisle na nastaven´ı rozliˇsen´ı mikrokrokov´an´ı. Potom je moment motoru udrˇzov´an ˇr´ıdic´ı elektronikou budiˇce na maxim´aln´ı hodnotˇe tak, aby se po odeznˇen´ı z´atˇeˇze, kter´a polohovou odchylku zp˚usobila, rotor ust´alil v poˇzadovan´e poloze, ˇc´ımˇz je zabr´anˇeno ztr´atˇe kroku. Maxim´aln´ı velikost polo- hov´e odchylky pˇritom nen´ı nijak omezena. Je ovˇsem omezena doba trv´an´ı chodu v uzavˇren´e smyˇcce a to na 5 s. Pokud bˇehem t´eto doby nedojde k vyrovn´an´ı polohov´e odchylky pod 1,8^◦, budiˇc motor zastav´ı a prostˇrednictv´ım sign´alu ALARM ozn´am´ı chybu. Z uveden´eho vypl´yv´a, ˇze tato zpˇetn´a vazba m´a sp´ıˇse kontroln´ı charakter, i kdyˇz dok´aˇze zabr´anit ztr´atˇe kroku pˇri kr´atkodob´em pˇret´ıˇzen´ı.

V ˇc´asti 2.2.2 bylo uk´az´ano, ˇze v aplikaci pohonu jeheln´ı tyˇce je tˇreba ˇr´ıdit polohu s maxim´aln´ı odchylkou 0,7^◦, tud´ıˇz v oblasti, kde se popsan´a zpˇetn´a vazba neuplatn´ı.

K syst´emu je tak nutno pˇristupovat, jako by pracoval v otevˇren´e smyˇcce. Z toho vych´az´ı navrˇzen´a metoda ˇr´ızen´ı popsan´a v ˇc´asti 4.2.

Dalˇs´ı podstatnou vlastnost´ı pouˇzit´eho budiˇce je schopnost mikrokrokov´an´ı s rozliˇsen´ım aˇz 10 000 krok˚u/ot, tzn. kaˇzd´y z 200 mechanick´ych krok˚u motoru je interpolov´an aˇz na 50 mikrokrok˚u. Pˇrechodov´a odezva krokov´eho motoru pˇri vykon´an´ı kroku vykazuje v´yrazn´e rezonanˇcn´ı pˇrekmity, coˇz je obecn´a vlastnost vˇsech krokov´ych motor˚u, kter´a je d´ana jejich konstrukc´ı a zp˚usobem buzen´ı. Rezonance se projevuje zejm´ena pˇri n´ızk´ych ot´aˇck´ach, kdy mezi sousedn´ımi kroky probˇehne nˇekolik period kmit˚u. U krokov´ych motor˚u se definuj´ı tzv. rezonanˇcn´ı ot´aˇcky³, nad kter´ymi tento jev jiˇz nenast´av´a. V uvaˇzovan´e aplikaci je vˇsak vyˇzadov´an spojit´y pr˚ubˇeh rychlosti jiˇz od nuly, tud´ıˇz se pˇri rozbˇehu a brzdˇen´ı rezonanˇcn´ım ot´aˇck´am vyhnout nelze.

Pˇri experimentech s navrˇzen´ym setrvaˇcn´ıkem bylo zjiˇstˇeno, ˇze amplituda pˇrekmit˚u ˇr´adovˇe dosahuje velikosti kroku. U pouˇzit´eho motoru s rozliˇsen´ım 200 krok˚u/ot (1,8^◦/krok) by tak bez mikrokrokov´an´ı samotn´e pˇrekmity zp˚usoben´e jeho chodem pˇresahovaly dovo- lenou toleranci 0,7^◦. To by vadilo pr´avˇe na konci zdvihu, kde je vyˇzadov´ana aperiodick´a odezva. Proto bylo vyuˇzito mikrokrokov´an´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 spojit´y v poloze, i kdyˇz t´ım vzrostou n´aroky na navrhovanou ˇr´ıdic´ı jednotku, zejm´ena na maxim´aln´ı frek- venci ˇr´ıd´ıc´ıch pulz˚u. Sn´ıˇzen´ım velikosti kroku se d´ale v´yraznˇe sniˇzuj´ı hluk a vibrace, coˇz je i d˚uvod, proˇc renomovan´ı v´yrobci nab´ızej´ı ˇspiˇckov´e pohony s pˇetif´azov´ymi krokov´ymi motory a budiˇci s rozliˇsen´ım aˇz 50 000 krok˚u na ot´aˇcku.

Informace z indukˇcnostn´ıho polohov´eho sn´ımaˇce integrovan´eho v motoru je pˇr´ıstupn´a prostˇrednictv´ım kvadraturn´ıho sign´alu (emulace v´ystupu IRC sn´ımaˇce), jehoˇz rozliˇsen´ı je shodn´e s nastaven´ym rozliˇsen´ım budiˇce. V´yrobce uv´ad´ı, ˇze tento sign´al m˚uˇze b´yt zpoˇzdˇen aˇz o 1 ms v˚uˇci aktu´aln´ı poloze, coˇz bylo ovˇeˇreno mˇeˇren´ım. Nav´ıc bylo zjiˇstˇeno, ˇze pˇri k´odov´an´ı smˇeru pohybu doch´az´ı k neoˇcek´avan´ym chyb´am, kter´e zˇrejmˇe generuje inter- pol´ator v budiˇci. Pravdˇepodobnˇe jsou zp˚usobeny poˇzadovan´ym pr˚ubˇehem polohy, kter´y nut´ı motor pracovat v reˇzimu, na kter´y nen´ı navrˇzen, protoˇze reverzace smˇeru ot´aˇcen´ı motoru mus´ı mezi zdvihy T2 a T3 probˇehnout v podstatˇe za chodu⁴. Z tohoto d˚uvodu bylo mˇeˇren´ı polohy realizov´ano extern´ım IRC sn´ımaˇcem, popsan´ym v ˇc´asti 3.1.3.

Budiˇc d´ale disponuje funkc´ı rychlostn´ıho filtru (VFIL), kter´y je doporuˇcov´an pro

”za- oblen´ı“ hran pr˚ubˇeh˚u rychlosti, jeˇz jsou zpravidla zad´av´any jako rampov´e ´useky. Para- metrem filtru je ˇcasov´a konstanta, kterou lze nastavit v 16-ti kroc´ıch (0–82 ms). V dan´e aplikaci mˇela ˇcinnost tohoto filtru sp´ıˇse negativn´ı vliv a nejlepˇs´ıch v´ysledk˚u bylo dosaˇzeno po jeho ´upln´em vypnut´ı.

3Pouze pro samotn´y motor bez z´atˇeˇze, jelikoˇz provozn´ı rezonanˇcn´ı frekvence z´avis´ı tak´e na momentu setrvaˇcnosti z´atˇeˇze.

4V manu´alu [4] nen´ı ˇcas potˇrebn´y pro zmˇenu smˇeru ot´aˇcen´ı pˇresnˇe specifikov´an, v´yrobce se omezil pouze na formulaci:

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

Posledn´ım nastaviteln´ym parametrem budiˇce je proudov´e omezen´ı (CURRENT), kter´e lze pouˇz´ıt pro sn´ıˇzen´ı tepeln´eho zat´ıˇzen´ı motoru. V dan´e aplikaci byla nastavena maxim´aln´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)

Podrobn´e elektrick´e parametry motoru (odpor a indukˇcnost f´aze, doporuˇcen´y proud) v´yrobce neuv´ad´ı, jelikoˇz je motor s budiˇcem dod´av´an jako celek. Nejpodstatnˇejˇs´ı parame- try motoru pro n´avrh pohonu jsou vlastn´ı moment setrvaˇcnosti Jm a provozn´ı momentov´a charakteristika uveden´a na obr´azku 2.8. Pro srovn´an´ı je uvedena spolu s momentov´ymi charakteristikami klikov´eho mechanismu a n´ahradn´ıho setrvaˇcn´ıku z obr´azku 2.5, kter´e jsou zde jiˇz uvaˇzov´any vˇcetnˇe dynamick´eho momentu rotoru. Momentov´a charakteristika motoru z´avis´ı na zp˚usobu jeho buzen´ı, v´yrobce ji uv´ad´ı pˇri pouˇzit´ı dodan´eho budiˇce a rozliˇsen´ı 1000 krok˚u na ot´aˇcku, pˇriˇcemˇz ale neuv´ad´ı vliv jin´eho rozliˇsen´ı na jej´ı tvar. D´ale neuv´ad´ı ani charakteristiku rozbˇehovou, coˇz vzhledem k poˇzadovan´emu pr˚ubˇehu rychlosti nevad´ı, protoˇze motor je z nulov´e rychlosti rozb´ıh´an spojitˇe.

Jelikoˇz je pr˚ubˇeh momentu klikov´eho mechanismu nesymetrick´y v˚uˇci ose ot´aˇcek, je momentov´a charakteristika motoru zobrazena v 1. i 4. kvadrantu. Je vidˇet, ˇze je vyuˇz´ıv´an rozsah ot´aˇcek, kde moment motoru jeˇstˇe v´yraznˇe nekles´a, pˇresto je pro zvolen´y pr˚ubˇeh zrychlen´ı (viz. obr. 2.6) maxim´aln´ı moment pˇrekroˇcen. Z tohoto d˚uvodu zˇrejmˇe nebude moˇzn´e dos´ahnout poˇzadovan´e 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 ´uvodu pr´ace, je n´avrh vlastn´ı ˇr´ıdic´ı jednotky vynucen t´ım, ˇze stan- dardn´ı ˇr´ıdic´ı jednotky, urˇcen´e pro ovl´ad´an´ı krokov´ych motor˚u v ´uloh´ach pr˚umyslov´e auto- matizace, umoˇzˇnuj´ı generov´an´ı pouze pr˚ubˇeh˚u s konstantn´ım zrychlen´ım. To je pro reali- zaci poˇzadovan´e zdvihov´e funkce nedostaˇcuj´ıc´ı. Navrhovan´a ˇr´ıdic´ı jednotka mus´ı zajiˇst’ovat n´asleduj´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

N´avrh HW ˇr´ıdic´ı jednotky vych´az´ı z toho, ˇze tato bude slouˇzit pouze pro experiment´aln´ı ovˇeˇren´ı pouˇzitelnosti krokov´ych motor˚u v dan´e aplikaci. Neklade si za c´ıl konstrukci ˇr´ıdic´ı elektroniky ve formˇe pouˇziteln´e pro pˇr´ıpadnou s´eriovou v´yrobu, naopak je orientov´an sp´ıˇse na vyuˇzit´ı dostupn´ych v´yvojov´ych prostˇredk˚u.

Pro realizaci HW pˇripad´a v ´uvahu jednoˇcipov´y mikrokontrol´er (MCU) nebo hradlov´e pole (FPGA), pˇriˇcemˇz kaˇzd´a z tˇechto variant m´a jist´e v´yhody a nev´yhody. V´yhodou MCU jsou jednoduˇsˇs´ı v´yvojov´e prostˇredky, nedosahuje vˇsak v´ykonu FPGA, kter´e m´a schopnost nez´avisl´eho paraleln´ıho chodu v´ıce ˇc´ast´ı obvodu. To umoˇzˇnuje v jedin´em ˇcipu implemento- vat funkce, kter´e jedin´y MCU nen´ı schopen zvl´adnout. FPGA je tedy vhodn´e pro s´eriovou v´yrobu, je vˇsak n´aroˇcnˇejˇs´ı na zvl´adnut´ı n´avrhov´ych syst´em˚u. HW ˇr´ıdic´ı jednotky bude pr´avˇe kv˚uli jednoduchosti n´avrhu postaven na b´azi MCU, pˇriˇcemˇz pro hromadnou v´yrobu by bylo vhodnˇejˇs´ı navrˇzen´e algoritmy implementovat v hradlov´em poli.

Prim´arn´ı funkc´ıˇr´ıdic´ı jednotky je periodick´e generov´an´ı sekvence pulz˚u, kter´a odpov´ıd´a poˇzadovan´e zdvihov´e funkci. Frekvence pulz˚u f [Hz] pˇritom odpov´ıd´a rychlosti ot´aˇcen´ı motoru n [ot/min] podle vztahu:

f = N · n

60 , (3.1)

kde N [pls/ot] je nastaven´e rozliˇsen´ı krokov´eho motoru, resp. jeho budiˇce. Z graf˚u na obr´azku 2.6 je patrn´e, ˇze pro poˇzadovan´y pr˚ubˇeh zdvihov´e funkce dosahuje rychlost ot´aˇcen´ı nejv´yˇse 1000 ot/min. Mikrokrokov´an´ı je nastaveno na nejvyˇsˇs´ı rozliˇsen´ı pouˇzit´eho budiˇce, tj. N = 10 000 pls/ot. Dosazen´ım do vztahu 3.1 dojdeme k maxim´aln´ı frekvenci pulz˚u, kterou mus´ı b´yt ˇr´ıdic´ı jednotka schopna generovat: f_max = 167 kHz, tj. nejkratˇs´ı perioda ˇcin´ı Tmin = 6 µs. Bˇehem t´eto doby mus´ı m´ıt procesor dostatek ˇcasu na vykon´an´ı rutiny pro generov´an´ı jednoho pulzu.

Zvolen´ym typem procesoru je PIC18F4685 fy. Microchip. Jeho maxim´aln´ı taktovac´ı frekvence je 40 MHz, pˇriˇcemˇz vykon´an´ı jedn´e instrukce trv´a 4 periody hodinov´eho sign´alu.

Doba vykon´an´ı jedn´e instrukce tak ˇcin´ı 100 ns, tud´ıˇz lze mezi nejbliˇzˇs´ımi dvˇema pulzy vykonat cca 60 instrukc´ı. To se pˇri psan´ı obsluˇzn´eho programu uk´azalo b´yt jako dostateˇcn´e i s nezbytnou rezervou.

3.1.2 Blokov´e sch´ema

Obr´azek 3.1: Blokov´e sch´ema ˇr´ıdic´ı jednotky

Blokov´e sch´ema ˇr´ıdic´ı jednotky je na obr´azku 3.1. Kaˇzd´y z dvojice motor˚u (MOTOR A, MOTOR B) je nap´ajen vlastn´ım budiˇcem (Budiˇc A, Budiˇc B), kter´y je ˇr´ızen pˇr´ısluˇsn´ym MCU (SLAVE MCU A, SLAVE MCU B). ´Ukolem tˇechto MCU je generov´an´ı sekvenc´ı ˇr´ıdic´ıch pulz˚u pro vykon´an´ı poˇzadovan´ych zdvihov´ych funkc´ı obou pohon˚u. V pamˇeti MCU je uloˇzen program pro generov´an´ı pulz˚u i potˇrebn´a data. Program je u obou MCU stejn´y, data se liˇs´ı podle naprogramovan´ych pr˚ubˇeh˚u.

Cinnost SLAVE MCU je synchronizov´ana nadˇrazen´ˇ ym MASTER MCU, kter´y zajiˇst’uje ovl´ad´an´ı ˇr´ıdic´ı jednotky jako celku. ˇR´ıdic´ı jednotka se tedy skl´ad´a celkem ze tˇr´ı MCU a dalˇs´ıch podp˚urn´ych obvod˚u, z nichˇz nejv´yznamnˇejˇs´ı jsou dekod´ery polohy (DECODER A, DECODER B), kter´e zpracov´avaj´ı sign´aly z dvojice sn´ımaˇc˚u (IRC A, IRC B) a poskytuj´ı informaci o ´uhlu natoˇcen´ı motoru.

3.1.3 Odmˇeˇrov´an´ı polohy

Pˇrestoˇze navrˇzen´e ˇr´ızen´ı pohon˚u pracuje v otevˇren´e smyˇcce, je pro zaruˇcen´ı spolehliv´e funkce stroje nutn´e ovˇeˇrit skuteˇcnou polohu JT ve stanoven´em m´ıstˇe kaˇzd´e periody pra- covn´ıho cyklu. Pokud by byla poloha JT mimo vymezen´e p´asmo, znamen´a 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 odmˇeˇrov´an´ı s vyuˇzit´ım informace o poloze ze sn´ımaˇce integrovan´eho v krokov´em motoru, je poloha kaˇzd´e JT mˇeˇrena pomoc´ı nez´avisl´eho sn´ımaˇce. Pro ´uˇcely v´yzkumu to nen´ı na z´avadu, pro nasazen´ı v s´eriov´e v´yrobˇe by se ovˇsem tento probl´em musel odstranit. Pˇredevˇs´ım kv˚uli cenˇe sn´ımaˇce, ale i z d˚uvodu problematick´eho um´ıstˇen´ı na stroji. I proto nen´ı sn´ım´an pˇr´ımo zdvih jeheln´ı tyˇce pomoc´ı line´arn´ıho sn´ımaˇce polohy, ale pouze natoˇcen´ı hˇr´ıdele motoru prostˇrednictv´ım IRC sn´ımaˇce.

Sn´ımaˇc polohy

Pouˇzit´ym typem sn´ımaˇce je LARM IRC305/5000KBD. Jedn´a se o sn´ımaˇc v pr˚umyslov´em proveden´ı, urˇcen´y prim´arnˇe pro pˇresn´e odmˇeˇrov´an´ı na CNC stroj´ıch. ´Upln´y popis je uveden v [5], z´akladn´ı vlastnosti sn´ımaˇce jsou:

• Rozliˇsen´ı 5000 pls/ot (0,072^◦)

• Maxim´aln´ı ot´aˇcky 10 000 n/min, ´uhlov´e zrychlen´ı 40 000 rad/s²

• Moment setrvaˇcnosti rotuj´ıc´ıch ˇc´ast´ı 20 g·cm²

• Nap´ajen´ı 5V/100mA, diferenci´aln´ı logick´e v´ystupy – RS422/485

Sn´ımaˇc je k hˇr´ıdeli motoru pˇripojen pˇres vlnovcovou homokinetickou spojku, kter´a vy- rovn´av´a nesouosost hˇr´ıdel˚u.

Zpracov´an´ı sign´alu

Sign´aly z kaˇzd´eho IRC sn´ımaˇce jsou zpracov´av´any speci´aln´ım ˇc´ıslicov´ym obvodem HCTL2032 fy. Avago Technologies (dˇr´ıve Agilent), jehoˇz popis je uveden v [6]. Obvod integruje n´asleduj´ıc´ı funkce:

• Filtr logick´ych sign´al˚u - kombinace Schmittov´ych KO a ˇc´ıslicov´eho filtru

• Dekod´er smˇeru – na principu stavov´eho automatu, lze volit rozliˇsen´ı 1×, 2×, 4×

• Obousmˇern´y 32 bitov´y ˇc´ıtaˇc pulz˚u

• V´ystupn´ı 32 bitov´y latch a multiplexer pro ˇcten´ı dat po 8 bitov´e paraleln´ı sbˇernici Obvod prov´ad´ı synchronn´ı vzorkov´an´ı vstupn´ıch sign´al˚u frekvenc´ı 20 MHz, kter´a je odvozena od z´akladn´ı frekvence oscil´atoru ˇr´ıdic´ı jednotky 40 MHz. Vzorkovan´e hodnoty vstupuj´ı do ˇc´ıslicov´eho filtru, kter´y mˇen´ı v´ystupn´ı ´uroveˇn aˇz po tˇrech po sobˇe jdouc´ıch shodn´ych vstupn´ıch hodnot´ach. T´ım se odstran´ı pˇr´ıpadn´y ˇsum, zp˚usoben´y napˇr. zasta- ven´ım IRC sn´ımaˇce na rozmez´ı pulzu.

Filtrovan´e sign´aly jsou dek´odov´any pomoc´ı synchronn´ıho stavov´eho automatu s nasta- viteln´ym rozliˇsen´ım. Jelikoˇz je rozliˇsen´ı budiˇce motoru nastaveno na 10 000 krok˚u/ot a fyzick´e rozliˇsen´ı pouˇzit´eho IRC sn´ımaˇce je pouze 5 000 pls/ot, je rozliˇsen´ı dekod´er˚u DE- CODER A, DECODER B nastaveno na dvojn´asobn´e, tzn. ˇze je generov´an puls pro ˇc´ıtaˇc polohy pˇri n´abˇeˇzn´e i sestupn´e hranˇe sign´alu A. Tak se z´ısk´a jednotn´e rozliˇsen´ı 10 000 pls/ot, coˇz zjednoduˇs´ı vyhodnocov´an´ı polohov´e odchylky v MCU.

I kdyˇz je obvod HCTL2032 navrˇzen pro odmˇeˇrov´an´ı polohy ve dvou os´ach a tud´ıˇz by mohl jedin´y kus zpracov´avat sign´aly obou IRC sn´ımaˇc˚u, je pouˇzita dvojice tˇechto obvod˚u pro kaˇzd´y pohon zvl´aˇst’. D˚uvodem je v´ystupn´ı sbˇernice, kter´a je spoleˇcn´a obˇema os´am.

Pokud by nastal poˇzadavek na ˇcten´ı dat od obou SLAVE MCU souˇcasnˇe, musela by b´yt stanovena priorita a oba pohony by tak pˇrestaly b´yt zcela nez´avisl´e. S dvojic´ı obvod˚u toto nem˚uˇze nastat, naopak existuje moˇznost vyuˇz´ıt u kaˇzd´eho obvodu druhou osu pro nez´avisl´e sledov´an´ı polohy druh´eho pohonu, pˇr´ıpadnˇe polohy jin´eho mechanismu stroje, ˇc´ımˇz by se v jin´ych aplikac´ıch daly rozˇs´ıˇrit zp˚usoby vz´ajemn´e synchronizace pohon˚u.

Mˇeˇric´ı ´ustˇredna

Z´aznam skuteˇcn´ych pr˚ubˇeh˚u natoˇcen´ı motor˚u je proveden mˇeˇric´ı ´ustˇrednou HBM MGCPlus, vybavenou kartami ML60B, kter´e jsou urˇcen´e pro zpracov´an´ı sign´al˚u ze sn´ımaˇc˚u rotaˇcn´ıch veliˇcin, tj. ot´aˇcek a krout´ıc´ıho momentu. Podporovan´ym typem je mimo jin´e i IRC sn´ımaˇc.

Pˇri mˇeˇren´ı je pouˇzita maxim´aln´ı moˇzn´a vzorkovac´ı frekvence fs=19 200 Hz, rozliˇsen´ı

´

uhlu natoˇcen´ı je zv´yˇseno ze z´akladn´ıho rozliˇsen´ı sn´ımaˇce (5 000 pls/ot) na 20 000 pls/ot

nastaven´ım mˇeˇric´ı karty do reˇzimu dek´odov´an´ı smˇeru pˇri obou hran´ach sign´al˚u IRC ˇcidla.

Natoˇcen´ı je tedy mˇeˇreno s rozliˇsen´ım 0,018^◦, coˇz je polovina velikosti kroku motoru.

Ustˇredna se k poˇc´ıtaˇci pˇripojuje pˇres standardn´ı rozhran´ı USB. Obsluˇzn´´ y software HBM Setup Assistent slouˇz´ı k nastaven´ı kan´al˚u, rozsah˚u mˇeˇric´ıch karet a z´aznamu dat.

V reˇzimu osciloskopu lze v t´emˇeˇr re´aln´em ˇcase sledovat pr˚ubˇehy mˇeˇren´ych veliˇcin. Zazna- men´avan´a data lze pro dalˇs´ı zpracov´an´ı exportovat do ASCII souboru.

3.1.4 Popis zapojen´ı

Sch´ema zapojen´ı elektroniky ˇr´ıdic´ı jednotky je uvedeno v pˇr´ıloze D¹ Zapojen´ı odpov´ıd´a blokov´emu sch´ematu na obr´azku 3.1. Funkce nejd˚uleˇzitˇejˇs´ıch blok˚u byly pops´any v´yˇse, zde bude uveden popis dalˇs´ıch pomocn´ych obvod˚u a sign´al˚u pouˇzit´ych ke komunikaci blok˚u.

Rozhran´ı SLAVE MCU – budiˇc

Pro ovl´ad´an´ı budiˇce krokov´eho motoru se pouˇz´ıvaj´ı tˇri logick´e sign´aly:

• PLS – n´abˇeˇzn´a hrana znamen´a poˇzadavek na vykon´an´ı kroku, ˇs´ıˇrka pulzu mus´ı b´yt vˇetˇs´ı neˇz 1 µs. Pulzy generovan´e MCU maj´ı konstantn´ı ˇs´ıˇrku 1,4 µs, mˇen´ı se pouze jejich rozestupy.

• DIR – urˇcuje smˇer vykonan´eho kroku, log. 1 = CW, log. 0 = CCW. Tento sign´al mus´ı b´yt stabiln´ı v dobˇe n´abˇeˇzn´e hrany sign´alu PLS.

• C.OFF – vypnut´ı nap´ajen´ı vinut´ı motoru, umoˇzˇnuje ruˇcnˇe otoˇcit motorem bez nut- nosti celkov´eho vypnut´ı. Tento sign´al slouˇz´ı pouze pro seˇrizov´an´ı a je vyveden na tlaˇc´ıtko.

Rozhran´ı IRC sn´ımaˇc – dekod´er

V´ystupy IRC sn´ımaˇce jsou v proveden´ı diferenci´aln´ıho budiˇce linky, napˇet’ov´e ´urovnˇe od- pov´ıdaj´ı fyzick´e vrstvˇe rozhran´ı RS422/485. Pro pˇrevod do ´urovn´ı TTL/CMOS slouˇz´ı obvod IC10. V´ystupy sn´ımaˇce jsou standardn´ı pravo´uhl´e sign´aly f´azovˇe posunut´e o 90^◦. Smˇer ot´aˇcen´ı je k´odov´an n´asledovnˇe:

• CW – sign´al A pˇredb´ıh´a pˇred B

• CCW – sign´al A je zpoˇzdˇen v˚uˇci B

1Sch´ema je rozdˇeleno na dva listy. Prvn´ı zobrazuje obvody MASTER MCU, druh´y SLAVE MCU.

Protoˇze jsou ˇc´asti A i B SLAVE MCU elektricky shodn´e, je uvedeno pouze sch´ema ˇc´asti A. Sch´ema v elektronick´e podobˇe je na pˇriloˇzen´em CD.

Rozhran´ı dekod´er – MCU

Mezi dekod´erem (IC11) a SLAVE MCU (IC12) prob´ıh´a komunikace v obou smˇerech. De- kod´ery bohuˇzel nemaj´ı implementov´ano ˇz´adn´e ze standardn´ıch s´eriov´ych rozhran´ı (I²C, SPI), tud´ıˇz komunikace prob´ıh´a celkem po dvan´acti sign´alech, osmi datov´ych a ˇctyˇr ˇr´ıdic´ıch:

• D0–D7 – 8 bitov´a datov´a sbˇernice, pˇr´ıstup k dat˚um je asynchronn´ı

• SEL1, SEL2 – sign´aly pro v´ybˇer byte, kter´y se bude ˇc´ıst

• OE – aktivace tˇr´ıstavov´eho v´ystupu datov´e sbˇernice

• RST – nulov´an´ı ˇc´ıtaˇce polohy

Poloha je mˇeˇrena absolutnˇe od doby proveden´ı resetu ˇc´ıtaˇce. ˇC´ıtaˇc m´a ˇs´ıˇrku 32 bit˚u, tj.

pˇres 4·10⁹ pulz˚u. Poˇzadovan´e natoˇcen´ı motoru se pohybuje v r´amci ˇctvrtiny jedn´e ot´aˇcky pˇri rozliˇsen´ı 10 000 pls/ot, tud´ıˇz vyuˇzit´y rozsah ˇc´ıtaˇce je cca 2500 (pˇribliˇznˇe 12 bit˚u).

Pohyb je nav´ıc vratn´y, takˇze nen´ı tˇreba ˇreˇsit pˇreteˇcen´ı ˇc´ıtaˇce.

Rozhran´ı MASTER MCU – SLAVE MCU

Pro komunikaci mezi procesory jsou definov´any tyto sign´aly:

• RUN/HALT – sign´al generovan´y MASTER MCU, je spoleˇcn´ym vstupem obou SLAVE MCU. N´abˇeˇzn´a hrana spust´ı vykon´av´an´ı sekvence, sestupn´a zp˚usob´ı okamˇzit´e pozastaven´ı i bˇehem chodu pohonu. Tato vlastnost nen´ı v bˇeˇzn´em pro- vozu vyuˇz´ıv´ana, slouˇz´ı pro budouc´ı implementaci okamˇzit´eho TOTAL STOPu cel´eho stroje.

• SPEED 0–2 – 3-bitov´a informace v prost´em bin´arn´ım v´ahov´em k´odu o poˇzadovan´e rychlosti. Umoˇzˇnuje uloˇzit do pamˇeti kaˇzd´eho SLAVE MCU aˇz na 8 nez´avisl´ych pr˚ubˇeh˚u, mezi nimiˇz lze za chodu pˇrep´ınat. V uvaˇzovan´e aplikaci slouˇz´ı pro zmˇenu rychlosti v osmi kroc´ıch.

• READY A, READY B – v´ystupn´ı sign´aly SLAVE MCU oznamuj´ı stav, kdy SLAVE MCU ˇcek´a na nov´e spuˇstˇen´ı. To je po proveden´ı inicializace po zapnut´ı, nebo po

´

uspˇeˇsn´em dokonˇcen´ı pˇredchoz´ı spuˇstˇen´e sekvence pulz˚u.

Oscil´ator

Kromˇe popsan´ych blok˚u obsahuje zapojen´ı jeˇstˇe centr´aln´ı krystalov´y oscil´ator, kter´y ge- neruje jednotn´y hodinov´y sign´al pro vˇsechny tˇri procesory. D˚uvodem je nutnost pˇresnˇe dodrˇzet shodn´e ˇcasov´an´ı u obou SLAVE MCU. Ty sice maj´ı integrov´any vlastn´ı ob- vody krystalov´eho oscil´atoru, nelze je vˇsak nakonfigurovat tak, aby jeden z MCU pracoval

souˇcasnˇe jako zdroj hodinov´eho sign´alu pro zbyl´e dva. Maxim´aln´ı frekvence obvodu krys- talov´eho oscil´atoru MCU je omezena na 10 MHz, pˇriˇcemˇz pro dosaˇzen´ı pln´eho v´ykonu MCU ji lze vnitˇrnˇe vyn´asobit obvodem f´azov´eho z´avˇesu s pevnˇe dan´ym pomˇerem 4× na 40 MHz. Tato frekvence vˇsak jiˇz nen´ı pˇr´ıstupn´a na ˇz´adn´em v´yvodu a nelze ji tedy zav´est jako extern´ı hodinov´y sign´al do zbyl´ych MCU. Dekod´ery HCTL2032 pracuj´ı s maxim´aln´ı frekvenc´ı hodinov´eho sign´alu 33 MHz, tud´ıˇz je pro nˇe odvozeno niˇzˇs´ı taktov´an´ı 20 MHz vydˇelen´ım z´akladn´ı frekvence oscil´atoru obvodem IC2.

Ovl´ad´an´ı

Ovl´ad´an´ı cel´e ˇr´ıdic´ı jednotky je pro jednoduchost ˇreˇseno pouze nˇekolika tlaˇc´ıtky, in- dikaˇcn´ımi LED a sedmisegmentov´ym displejem pro zobrazen´ı nastaven´e rychlosti. Funkce tlaˇc´ıtek jsou:

• START/STOP – spust´ı nebo zastav´ı pohony

• RESET – provede RESET vˇsech MCU, po kter´em pohony provedou odmˇeˇren´ı sv´ych referenˇcn´ıch poloh a najet´ı do startovn´ıch poloh pracovn´ıho cyklu.

• SPEED UP, SPEED DOWN – volba rychlosti pohon˚u, kterou lze mˇenit v osmi kroc´ıch. ˇC´ıslo rychlosti je zobrazeno na displeji.

Programovac´ı rozhran´ı

K programov´an´ı obsahu pamˇet´ı vˇsech MCU je pouˇzit tzv.

”in circuit debugger“ ICD 3 fy. Microchip, viz [8]. Toto zaˇr´ızen´ı zprostˇredkov´av´a spojen´ı programovan´eho MCU s v´yvojov´ym prostˇred´ım v PC pˇres rozhran´ı USB. Slouˇz´ı jednak k programov´an´ı MCU, pˇredevˇs´ım vˇsak k odlad’ov´an´ı programu pˇr´ımo v c´ılov´e aplikaci bez nutnosti simulace.

V tomto m´odu je ˇcten obsah vnitˇrn´ıch registr˚u a odes´ıl´an do v´yvojov´eho prostˇred´ı Micro- chip MPLAB v PC, kde lze pˇri krokov´an´ı programu sledovat ˇcinnost MCU. Komunikace prob´ıh´a s´eriovˇe po dvou vyhrazen´ych v´yvodech (PGD – data, PGM – hodiny).

Konstrukce

Jelikoˇz bˇehem v´yvoje bylo nutn´e prov´adˇet v zapojen´ı pomˇernˇe ˇcast´e zmˇeny, byla ˇr´ıdic´ı jednotka realizov´ana na nep´ajiv´em kontaktn´ım poli. Vzhledem k tomu, ˇze se jedn´a pouze o ˇc´ıslicov´e obvody, to pˇri dodrˇzen´ı spr´avn´eho blokov´an´ı nap´ajec´ıch v´yvod˚u integrovan´ych obvod˚u nen´ı na z´avadu. Nap´ajen´ı zajiˇst’uje laboratorn´ı zdroj, potˇrebn´e vstupn´ı a v´ystupn´ı sign´aly jsou vydeny na konektory pˇriˇsroubovan´e k nep´ajiv´emu poli, viz obr´azek 3.2.

Obr´azek 3.2: Fyzick´e proveden´ı ˇr´ıdic´ı jednotky

3.2 N´ avrh FW

Jako firmware (FW) je obecnˇe oznaˇcov´an software, kter´y je ned´ılnou souˇc´ast´ı elektro- nick´eho zaˇr´ızen´ı a je v´az´an na konkr´etn´ı HW, v tomto pˇr´ıpadˇe na typ MCU. ˇR´ıdic´ı jednotka obsahuje celkem trojici FW:

1. FW MASTER MCU - Zabezpeˇcuje dohled nad celkov´ym chodem ˇr´ıdic´ı jednotky, pln´ı pouze jednoduchou funkci.

2. FW SLAVE MCU (2×) - Zajiˇst’uje vlastn´ı vykon´av´an´ı pohybu kaˇzd´eho pohonu na z´akladˇe povel˚u od MASTER MCU.

Firmware vˇsech MCU je naps´an v jazyku symbolick´ych instrukc´ı MPASM fy. Microchip [9]. D˚uvodem je nutnost pˇresn´eho ˇcasov´an´ı ˇc´ast´ı programu, kter´e mus´ı m´ıt i pˇri r˚uzn´em vˇetven´ı konstantn´ı poˇcet instrukˇcn´ıch cykl˚u. To u k´odu generovan´eho napˇr. pˇrekladaˇcem z jazyka C nelze obecnˇe zajisit a nav´ıc lze ruˇcnˇe psan´y k´od optimalizovat dle potˇreb.

Zdrojov´e k´ody jsou na pˇriloˇzen´em CD. Firmware obou SLAVE MCU vykon´av´a tyto funkce:

• Generov´an´ı ˇr´ıdic´ıch pulz˚u (PLS) dle poˇzadovan´eho pr˚ubˇehu a smˇeru (DIR)

• Generov´an´ı delˇs´ıch ˇcasov´ych prodlev

• Zmˇena rychlosti prov´adˇen´ı cel´e sekvence

• Kontrola polohy kliky ve stanoven´em bodˇe pracovn´ıho cyklu

• Nalezen´ı referenˇcn´ı polohy kliky a najet´ı do v´ychoz´ı polohy pro spuˇstˇen´ı pohonu

3.2.1 Pˇr´ıkazy pro zad´an´ı pr˚ubˇeh˚u

Jelikoˇz instrukˇcn´ı sada MCU obsahuje speci´aln´ı instrukce pro pr´aci s tabulkami uloˇzen´ymi v pamˇeti programu, jsou poˇzadovan´e zdvihov´e funkce do MCU zad´av´any pr´avˇe t´ımto zp˚usobem. Specialitou je tabulkov´y ukazatel, pomoc´ı kter´eho lze nepˇr´ımo pˇristupovat na kteroukoli adresu v cel´e pamˇeti programu bez nutnosti jej´ıho str´ankov´an´ı. ˇS´ıˇrka slova programov´e pamˇeti je 16 bit˚u, lze tedy do jednoho slova uloˇzit obsah cel´eho ˇcasovaˇce.

Jelikoˇz je MCU jinak 8 bitov´y, je nutno ˇc´ıst z pamˇeti postupnˇe niˇzˇs´ı a vyˇsˇs´ı byte.

Pamˇet’ programu vyhrazen´a pro tabulky je rozdˇelena na osm blok˚u promˇenn´e d´elky, do kter´ych lze uloˇzit nez´avisl´e sekvence. V´ybˇer generovan´e sekvence prov´ad´ı MASTER MCU. Toto je vyuˇzito pro zmˇenu rychlosti pohon˚u, kterou nen´ı moˇzn´e vzhledem k po- vaze navrˇzen´e metody ˇr´ızen´ı prov´adˇet napˇr. pouhou zmˇenou frekvence hodinov´eho sign´alu MCU, ale je nutn´e m´ıt pro kaˇzdou rychlost jin´y pr˚ubˇeh budic´ı funkce.

Pro ´uˇcely ˇr´ızen´ı krokov´eho motoru jsou definov´any ˇctyˇri vlastn´ı pˇr´ıkazy, kter´e program dok´aˇze rozliˇsit a vykonat, viz. tabulka 3.1. Nejvyˇsˇs´ı dva bity ˇcten´eho slova urˇcuj´ı operaci, zb´yvaj´ıc´ıch 14 bit˚u je hodnota ˇcasovaˇce. Pˇr´ıkazy jsou vykon´av´any v poˇrad´ı, v jak´em jsou zaps´any v pamˇeti. Rozvrˇzen´ı pamˇeti programu SLAVE MCU a zp˚usob uloˇzen´ı pˇr´ıkaz˚u je na obr´azku 3.3. Zobrazen´a sekvence odpov´ıd´a pohonu horn´ı JT (A), dle obr´azku 1.2.

Tabulka 3.1: K´odov´an´ı pˇr´ıkaz˚u pro zad´an´ı pr˚ubˇeh˚u

pˇr´ıkaz bit 15 bit 14 funkce

puls CCW 0 0 krok proti smˇeru hod. ruˇciˇcek puls CW 0 1 krok ve smˇeru hod. ruˇciˇcek

pauza 1 0 ˇcek´an´ı bez generov´an´ı pulz˚u konec 1 1 zastaven´ı ˇcten´ı pˇr´ıkaz˚u

Generov´an´ı pˇresn´ych ˇcasov´ych interval˚u je zaloˇzeno na pˇreruˇsen´ı od ˇcasovaˇce MCU a to jak pro kr´atk´e intervaly mezi jednotliv´ymi pulzy, tak pro delˇs´ı ˇcasov´e prodlevy. ˇCasovaˇc m´a ˇs´ıˇrku 16 bit˚u a pˇreddˇeliˇcku s dˇelic´ım pomˇerem v rozsahu 1:1 aˇz 1:256. Vstupn´ım sign´alem je frekvence oscil´atoru dˇelen´a ˇctyˇrmi, tj. 10 MHz.

Rozsah ˇcasov´ych interval˚u, kter´e lze generovat, je zdola omezen d´elkou obsluhy pˇreruˇsen´ı, kter´a se mus´ı pˇri kaˇzd´em kroku vykonat. Obsluha trv´a 40 instrukˇcn´ıch cykl˚u, tud´ıˇz minim´aln´ı odstup pulz˚u, resp. jejich n´abˇeˇzn´ych hran, je 4 µs. Lze tak generovat frekvenci aˇz 250 kHz, coˇz je z´aroveˇn nejvyˇsˇs´ı frekvence, kterou dok´aˇze zpracovat budiˇc krokov´eho motoru². Rozliˇsen´ı ˇcasu odpov´ıd´a jednomu instrukˇcn´ımu cyklu, tj. 100 ns. Ma- xim´aln´ı ˇcas je d´an ˇs´ıˇrkou slova 14 bit˚u, pomˇerem pˇreddˇeliˇcky ˇcasovaˇce a vstupn´ı frekvenc´ı.

Pro pˇr´ıkazy generov´an´ı pulz˚u PULS CCW, PULS CW je pˇreddˇeliˇcka vypnuta (pomˇer 1:1) a maxim´aln´ı ˇcas je pˇri frekvenci oscil´atoru 40 MHz cca 1,6 ms.

2Maxim´aln´ı frekvence ˇr´ıdic´ıch pulz˚u nez´avis´ı na nastaven´em rozliˇsen´ı mikrokrokov´an´ı, tud´ıˇz pˇri nejvyˇsˇs´ım rozliˇsen´ı 10 000 pls/ot lze dos´ahnout ot´aˇcek nejv´yˇse 1500 ot/min, i kdyˇz maxim´aln´ı ot´aˇcky motoru jsou 4 000 ot/min. Pln´e ot´aˇcky motoru lze vyuˇz´ıt pouze pˇri niˇzˇs´ım rozliˇsen´ı mikrokrokov´an´ı