Silniki elektryczne w praktyce.pdf

K U R S

Silniki elektryczne w praktyce

elektronika, część 7

Układy stabilizacji obrotów

i pozycjonowania

Regulacja a stabilizacja

obrotów

Dotychczas zajmowaliśmy

się głównie metodami regulacji

obrotów różnego rodzaju silni-

ków, nie wgłębiając się zbytnio

w temat stabilności obrotów

przy zmianach np. obciążenia

lub warunków zasilania. W wie-

lu zastosowaniach (wentylatory,

elektronarzędzia, sprzęt AGD)

stałość obrotów nie jest szcze-

gólnie istotna, ale na przykład

w napędzie HDD lub kamery

wideo stabilne obroty są wa-

runkiem poprawnego działania,

a napęd windy musi zachować

stałą prędkość przy bardzo du-

żych zmianach obciążenia.

Rys. 48 przedstawia schema-

ty blokowe układów z otwartą

pętlą (a) oraz z zamkniętą pętlą

sprzężenia zwrotnego (b). Układ

z otwartą pętlą cechuje prostota

i niski koszt realizacji, ale na-

daje się on tylko do wybranych

zastosowań o niewygórowanych

Układy stabilizacji obrotów oraz precyzyjnego pozycjonowania

napędów elektrycznych stały się podstawą szybkiego rozwoju automatyki

i robotyki. Nowoczesne układy napędowe to nie tylko roboty

przemysłowe i marsjańskie pojazdy, ale także napędy dyskowe i CD/

DVD, drukarki, magnetowidy, bankomaty, myjnie samochodowe, automaty

do kawy i setki innych urządzeń powszechnego użytku.

parametrach. Silniki krokowe

oraz synchroniczne silniki AC

charakteryzują się dużą stałością

obrotów (zależnych od często-

tliwości). Jeżeli zastosujemy ge-

nerator wzorcowy stabilizowany

kwarcem, to stabilność obrotów

może być bardzo dobra pod

warunkiem, że obciążenie nie

przekroczy dopuszczalnej grani-

cy. Niestety taki układ nie jest

w stanie prawidłowo zareagować

na przeciążenia ani uwzględnić

problemów wynikających przy

rozpędzaniu i hamowaniu ele-

mentów o dużej bezwładności.

Dobrym przykładem jest tutaj

winda, która musi łagodnie przy-

spieszać i hamować przy jeździe

w dół i do góry, bez względu

na to czy jest pusta, czy w peł-

ni obciążona.

Powyższych wad jest pozba-

wiony układ z zamkniętą pętlą

sprzężenia zwrotnego. Wyma-

ga on bardziej rozbudowanej

elektroniki oraz zastosowania

czujnika dostarczającego sygnału

proporcjonalnego do prędkości

obrotowej (napięcie lub często-

tliwość impulsów). Dostarczany

do sterownika sygnał błędu

wynika z porównania aktualnej

prędkości obrotowej z wartością

zadaną. Czujnik może mie-

rzyć prędkość wału silnika, ale

w przypadku stosowania prze-

kładni lub sprzęgieł korzystnie

jest mierzyć prędkość elementów

napędzanych (linia przerywana

na rys. 48b). Silniki bezszczotko-

we BLDC (omówione w 2 części

kursu) mają zwykle wbudowane

czujniki położenia wirnika, ste-

Rys. 48

Rys. 49

Elektronika Praktyczna 6/2004

K U R S

Rys. 50

Rys. 51

rownik takiego silnika z założe-

nia realizuje funkcję stabilizacji

obrotów z zamkniętą pętlą.

(seria OPB...), VISHAY (TCRT...,

TCST...), LITEON (LTH...), czuj-

niki do celów przemysłowych:

OMRON, HONEYWELL.

Czujniki magnetyczne Halla

– były już omawiane w 2 czę-

ści artykułu. O ile ich zasto-

sowanie do pomiaru prędkości

namagnesowanego wirnika nie

jest problemem, to w każdym

innym przypadku element wiru-

jący musi mieć przymocowane

magnesy. Czas reakcji czujni-

ków Halla jest porównywalny

z optycznymi. Nie są wrażliwe

na kurz, ale za to ich pracę

mogą zakłócać zewnętrzne pola

magnetyczne.

Czujniki magnetorezystywne

– mają działanie zbliżone do

czujników Halla, ale funkcjonują

na innej zasadzie. Zaletą tych

czujników jest możliwość zamon-

towania tylko jednego magnesu

– pod czujnikiem ( rys . 50 ).

W takim przypadku czujnik

wykrywa zbliżenie elementu

o właściwościach ferromagnetycz-

nych. Producentem opisanych

czujników jest Philips (KMZ10

i KMI15). Maksymalna częstotli-

wość pracy: 25 kHz.

Powyżej opisano tylko

najbardziej typowe czujniki,

w praktycznych układach spoty-

ka się najróżniejsze rozwiązania,

dopasowane do konkretnej apli-

kacji. Oto kilka przykładów:

Wykorzystanie SEM. Silniki

komutatorowe DC z magnesem

trwałym charakteryzują się obec-

nością siły elektromotorycznej.

Napięcie SEM jest wprost pro-

porcjonalne do prędkości obroto-

wej i może być wykorzystane do

stabilizacji obrotów. Przykładowo

produkowany kiedyś w Polsce

układ UL1901N był powszech-

nie stosowany jako stabilizator

obrotów w magnetofonach kase-

towych z lat siedemdziesiątych

ubiegłego wieku.

Napędy dysków. W tym

przypadku niezbędna jest bar-

dzo dobra stabilność obrotów

oraz synchronizacja fazowa. Do

zgrubnej stabilizacji służy czuj-

nik optyczny, natomiast do pre-

cyzyjnej synchronizacji napędu

wykorzystuje się odczytywane

przez głowicę sygnały danych

(np. znaczniki sektorów).

Napęd magnetowidów

i kamer. W systemie VHS ścież-

ki obrazu zapisane są na taśmie

ukośnie – każda ścieżka to je-

den półobraz. Problem polega

na synchronizacji pracy silnika

przesuwu taśmy i silnika napę-

du dysku z głowicami w taki

sposób, aby głowica zawsze tra-

iała na środek ścieżki wizyjnej.

Układ śledzenia ( tracking system )

wykorzystuje do tego impulsy

synchronizacji ramki, zapisane

wzdłuż taśmy i odczytywane

przez nieruchomą głowicę (ra-

zem z sygnałem fonii). Obroty

silnika przesuwu taśmy są sta-

bilizowane tak, aby częstotliwość

ramki wynosiła dokładnie 50 Hz.

Układ stabilizacji obrotów dysku

z głowicami zapewnia synchro-

nizację fazową obrotów dysku

z impulsami ramki.

wym) pomiędzy określoną ilością

stabilnych pozycji. Nie jest tu

istotne, czy obiekt zatrzyma się

na pozycji, ważna jest informa-

cja, że np. w chwili t 1 znajduje

się on w pozycji x 1 .

Układy pozycjonowania mają

schematy blokowe zbliżone do

stabilizatorów obrotów (rys. 48)

z tym, że zamiast informacji

o obrotach mamy informację

o pozycji. Podział na układy

z otwartą i zamkniętą pętlą

sprzężenia nadal obowiązuje,

lecz jego interpretacja jest nieco

inna.

Czujniki obrotów

Najstarszym urządzeniem

do pomiaru prędkości obrotowej

jest prądnica tachometryczna,

dostarczająca napięcie proporcjo-

nalne do prędkości obrotowej.

Ze względu na wysoki koszt

i konieczność mechanicznego

sprzężenia z układem napędza-

nym, ma znaczenie wyłącznie

historyczne. Obecnie powszechnie

stosowane są bezstykowe metody

pomiaru prędkości obrotowej, na

wyjściu czujnika otrzymuje się

ciąg impulsów o częstotliwości

proporcjonalnej do obrotów. Ide-

alny czujnik powinien charak-

teryzować się dużą maksymalną

szybkością pracy oraz odporno-

ścią na zakłócenia i warunki

środowiska. Dokładność i szyb-

kość pomiaru zależy od często-

tliwości impulsów. Przykład: dla

100 obr/min i 1 impulsu/obrót,

minimalny czas pomiaru wynosi

600 ms. Oznacza to, że dla uzy-

skania rozsądnych czasów reakcji

i wysokiej dokładności stabiliza-

tora obrotów należy zastosować

przynajmniej kilka impulsów na

obrót (przy bardzo małych pręd-

kościach obrotowych nawet kilka-

dziesiąt impulsów/obrót). Nie jest

to problemem przy prędkościach

powyżej 1000 obr/min, wtedy

czas reakcji stabilizatora jest

pomĳalny w porównaniu z me-

chaniczną bezwładnością napędu.

Czujniki optyczne – mają

konstrukcję zbliżoną do transop-

tora i tak też są często nazywa-

ne w katalogach producentów.

Występują w dwóch odmianach:

transoptory szczelinowe i relek-

syjne ( rys . 49 ). Czujnik szcze-

linowy współpracuje z perforo-

waną tarczą, natomiast czujnik

releksyjny wymaga umieszczenia

na wirującym elemencie pasków

odbĳających światło. Czas reak-

cji rzędu ms jest wystarczający

nawet dla bardzo szybkich ukła-

dów napędowych. Wadą czujni-

ków optycznych jest ich wraż-

liwość na kurz i wilgoć, poza

tym silne oświetlenie zewnętrzne

może powodować błędy. W celu

uniknięcia tych problemów czuj-

niki powinny być odpowiednio

obudowane. Duży wybór transop-

torów szczelinowych i releksyj-

nych oferują m.in. irmy OPTEK

Układy pozycjonowania

z otwartą pętlą.

Realizacja takich układów

jest możliwa przy użyciu sil-

ników krokowych (ewentualnie

BLDC), które umożliwiają sko-

kowy obrót wirnika o precyzyj-

nie określony kąt. Warunkiem

poprawnej pracy takiego układu

jest poprawne zainicjowanie jego

pracy – np. po włączeniu zasila-

nia. Do tego potrzebny jest czuj-

nik pozycji zerowej i odpowied-

nia procedura startowa napędu.

Sposób pracy takiego układu

najlepiej omówić na konkretnym

przykładzie. Na rys. 51 przed-

stawiono uproszczony schemat

przesuwu głowicy drukarki igło-

wej. Do sterowania potrzebna

jest zmienna całkowita: licznik

kroków L_KROK oraz bitowa

informacja o stanie transoptora

(przesłonięty: OPTO = 0). Po

włączeniu zasilania sterownik

„nie wie”, w jakim położeniu

znajduje się głowica i wykonuje

procedurę INIT ( rys . 52 ). Po wy-

konaniu tej procedury głowica

Wykorzystanie

mikroprocesora

do stabilizacji obrotów

Od strony sprzętowej układ

stabilizatora obrotów niewiele

różni się od opisanych wcześniej

układów sterujących. W przypad-

ku silników krokowych i syn-

chronicznych AC, układ z otwar-

tą pętlą sprzężenia ma stabilność

obrotów zależną od często-

tliwości zegarowej procesora

– oczywiście pod warunkiem,

że generowanie impulsów steru-

jących uzwojeniami nie zostanie

zakłócone przez obsługę innych

procesów (przerwań). W układzie

z zamkniętą pętlą jest potrzebne

tylko jedno dodatkowe wejście

procesora dla czujnika prędkości.

Funkcje pomiaru czasu pomiędzy

impulsami z czujnika oraz stero-

wania obrotami są realizowane

programowo. Przy odrobinie

dobrych chęci można znaleźć

w Internecie gotowe biblioteki

procedur realizujących funkcje

cyfrowych pętli regulacji pro-

porcjonalnej. Dodatkowo warto

umieścić w programie procedury

obsługi sytuacji awaryjnych (np.

przeciążenie lub zablokowanie

napędu) oraz w razie potrzeby

– procedury płynnego rozruchu

i hamowania.

Układy pozycjonowania

Trudno jest podać krótką

i jednoznaczną deinicję układów

pozycjonujących. O ile w przy-

padku stabilizacji obrotów za-

kładaliśmy jednostajny ruch na-

pędzanego elementu, to w przy-

padku pozycjonowania mamy do

czynienia ze skokowym ruchem

obiektu (obrotowym lub linio-

Rys. 52

Elektronika Praktyczna 6/2004

K U R S

czujniki magnetyczne, indukcyjne,

pojemnościowe, lecz dokładność

i szybkość działania będzie niż-

sza. W najprostszym przypadku

jako czujnik zerowy może słu-

żyć zwykły styk mechaniczny

ze sprężystych blaszek. Takie

rozwiązanie było z powodzeniem

stosowane w prostych drukarkach

paragonowych (Epson, Citizen).

wstanie na wyjściach transop-

torów dwóch ciągów impulsów

prostokątnych o przesunięciu

fazowym zależnym od kierunku

obrotów. Nie jest to pełna infor-

macja o bieżącej pozycji głowicy,

ale raczej o zmianie tej pozycji.

Czujnik pozycji zerowej jest

nadal konieczny dla zainicjo-

wania napędu, każde zgubienie

kroku będzie jednak natychmiast

zauważone przez sterownik. Taki

rodzaj tarczy kodowej nazywany

jest enkoderem inkrementalnym.

Układy pozycjonowania

z zamkniętą pętlą

W takim układzie sterow-

nik otrzymuje ciągłą informację

o pozycji elementu napędzanego.

Spróbujmy do układu

z rys. 51 dodać tarczę z 12

otworkami na obwodzie i trans-

optor szczelinowy, zamontowane

na kole pasowym. Wtedy każdy

obrót koła o kąt 30 0 spowoduje

wygenerowanie jednego impulsu.

W ten sposób można poinformo-

wać sterownik, że przesunięcie

głowicy rzeczywiście nastąpiło,

tylko jeszcze nie wiadomo,

w którą stronę. Ten problem

rozwiąże drugi rząd otworków,

przesunięty względem pierwsze-

go i drugi transoptor ( rys . 54 ).

Obracanie tarczą spowoduje po-

Rys. 53

Enkoder absolutny

Inny rodzaj pozycjonowa-

nia i inny przykład: obrotnica

kamery, która może ustawiać

się w jednej z ośmiu pozycji

kątowych co 45 0 . Można tu-

taj zastosować tarczę kodową

z rys . 55 i poczwórny transop-

tor szczelinowy – jest to enko-

der absolutny. Zewnętrzny pier-

ścień otworów (z) daje sygnał

„jest pozycja”, a pozostałe trzy

(b2...b0) określają numer pozycji

od 0 do 7 w kodzie binarnym.

Zainicjowanie takiego napędu po

włączeniu zasilania jest znacznie

prostsze – wystarczy obracać

znajduje się w pozycji spoczyn-

kowej ( Home Position ) i napęd

jest gotów do pracy. Program

sterujący musi działać tak, aby

w każdej chwili wartość licznika

kroków odpowiadała aktualnej

pozycji głowicy. Przykładowa

procedura przesunięcia głowicy

z pozycji X do Y jest przedsta-

wiona na rys . 53 . Parametrem

wejściowym jest pozycja docelo-

wa Y (Y>=0), początkowy stan

licznika kroków L_KROK=X.

Sekwencja przesunięcia w lewo

jest rozbudowana o kontrolę

poprawności pracy napędu. Przy

normalnej pracy każdy powrót

napędu do pozycji spoczynkowej

(L_KROK=0) powoduje pojawie-

nie się sygnału z transoptora.

Brak sygnału, gdy LKROK=0

lub jego wystąpienie, gdy

LKROK<>0 oznacza, że pod-

czas pracy wystąpiło „zgubienie”

kroku. Może to się zdarzyć, np.

w wyniku kolizji z przeszkodą,

zablokowania napędu lub inge-

rencji człowieka. Niestety układ

z otwartą pętlą sprzężenia jest

w stanie wykryć fakt zgubienia

kroku tylko w momencie po-

wrotu do pozycji spoczynkowej.

Jeżeli taki powrót nie wystąpi,

to napęd będzie nadal pracował

przyjmując nieprawidłowe pozy-

cje. Dlatego też układ z otwartą

pętlą nie nadaje się do napędów

o dużej precyzji i niezawodności

działania. Zaletą takiego układu

jest prostota sterownika i opro-

gramowania. W praktycznej re-

alizacji programu trzeba jeszcze

uwzględnić bezwładność napędu

i odpowiednio sterować pręd-

kością silnika – będzie o tym

mowa w dalszej części artykułu.

Jako czujniki pozycji zerowej

wykorzystuje się najczęściej trans-

optory szczelinowe. Zapewniają

one precyzję pozycji zerowej rzę-

du 0,2 mm. Można też stosować

Rys. 54

Rys. 55

Elektronika Praktyczna 6/2004

K U R S

Rys. 56

zastosowań przemysłowych mogą

mieć rozdzielczości do kilku

tysięcy pozycji, ich tarcze kodo-

we mają postać przezroczystego

krążka z czarnymi polami nanie-

sionymi metodą fotochemiczną.

Na rysunku 56 przestawiono

tarcze kodowe precyzyjnych en-

koderów. Enkoder inkrementalny

z rys. 56a ma 256 impulsów/

obrót, poza dwoma kanałami

A i B posiada trzeci transoptor do

znacznika pozycji zerowej Z (A,

B, Z to typowe oznaczenia wyjść

dekoderów inkrementalnych). Prze-

sunięcie fazowe między A i B

zwykle wynosi 1/4 T, tzn. połowę

szerokości impulsu. Enkoder ab-

solutny z rys. 56b jest 10-bitowy

(1024 impulsy/obrót). Przemysłowe

enkodery są montowane w szczel-

nych obudowach, mają łożyskowa-

ną oś i układ wstępnej obróbki

sygnału (wyjścia open collector

lub cyfrowe TTL/CMOS). Rys. 57

przedstawia enkoder OMRON serii

E6B2-CWZ6C o rozdzielczości 100

do 1000 impulsów/obrót w zależ-

ności od wersji.

na kilka problemów. Szczególnie

dotyczy to silników krokowych,

ze względu na nieciągły cha-

rakter ruchu oraz drgania ką-

towe wirnika w końcowej fazie

kroku.

Zakłócenia zboczy impulsów:

wibracje napędu przenoszone

na oś enkodera mogą zakłócać

impulsy na wyjściu enkodera

inkrementalnego ( rys . 57 ). Za-

kłócenia mogą być fałszywie

interpretowane przez oprogramo-

wanie jako dodatkowe impulsy.

Przeciwdziałaniem jest sprzę-

towa lub programowa iltracja

sygnałów z enkodera, sprzęgło

elastyczne tłumiące wibracje na

wałku enkodera.

Gubienie impulsów przy

zmianie kierunku. Zjawisko naj-

lepiej widoczne w przypadku,

gdy enkoder inkrementalny daje

więcej niż jeden impuls na

każdy krok silnika. Na przykład

przy 2 impulsach/krok może się

okazać, że wykonanie sekwencji

[1 krok w prawo, stop, 1 krok

w lewo, stop] dało 4 impulsy na

wyjściu A i tylko 3 impulsy na

wyjściu B. Mechanizm tego zja-

wiska ilustruje rys . 58 . Nie jest

to duży problem, pod warun-

kiem, że programista sterownika

przewidział taką sytuację. Cza-

kamerą w dowolnym kierunku,

aż do pojawienia się impulsu

z transoptora (z), a następnie

odczytać numer pozycji (b2...b0).

Przy zmianie pozycji nie ma

potrzeby liczenia kroków, a więc

do napędzania obrotnicy można

zastosować dowolny rodzaj silni-

ka (komutatorowy, BLDC, induk-

cyjny) i po prostu zatrzymywać

go w momencie osiągnięcia żą-

danej pozycji. Aktualna pozycja

zajmowana przez kamerę jest

monitorowana na bieżąco, można

napisać program sterujący w taki

sposób, aby każde wytrącenie

kamery z zajmowanej pozycji

przez działanie siły zewnętrznej

było natychmiast korygowane.

Realizacje praktyczne

enkoderów

Enkodery w formie perfo-

rowanego krążka z metalu lub

tworzywa, wykonywane są dla

rozdzielczości do kilkudziesięciu

impulsów (kodów) na obrót.

Enkodery do profesjonalnych

Rys. 57

Zasady stosowania

enkoderów

Pomimo pozornej prostoty,

konstruktor precyzyjnego napędu

z enkoderami może się natknąć

Elektronika Praktyczna 6/2004

K U R S

Rys. 58

zamiast naturalnego kodu binar-

nego stosuje się kod, w którym

sąsiednie słowa kodowe różnią

się tylko jednym bitem (kod

Gray’a).

Z powyższych informacji

wynika ważny wniosek: nie war-

to stosować enkoderów o roz-

dzielczości wyższej niż rozdziel-

czość kroku silnika. Na pewno

nie poprawi to jakości napędu

a wręcz przeciwnie – wymaga

od konstruktora znacznie więcej

nakładu pracy dla uzyskania

tego samego efektu i niepotrzeb-

nie podnosi koszt urządzenia.

sami wystarczy obrócić enkoder

względem napędu o niewielki

kąt (mniej niż 1/4 rozdzielczo-

ści kątowej), żeby zatrzymanie

następowało zawsze przy stanie

00 na wyjściach enkodera. Przy

rozdzielczości 1000 impulsów

na obrót oznacza to konieczność

montażu enkodera z dokładno-

ścią lepszą niż 360/4000 = 0,09

stopnia.

Fałszywe kody w enkode-

rze absolutnym. Jak widać na

rys. 56b, w enkoderach o dużej

rozdzielczości kolejne pozycje

następują bezpośrednio po so-

bie. Zwykle zmiana stanu na

poszczególnych bitach nie nastę-

puje idealnie w tym samym mo-

mencie, co powoduje chwilowe

pojawianie się fałszywych kodów

na wyjściu enkodera. Szczegól-

nie krytyczne są sytuacje, gdy

zmieniają się wszystkie bity

– np. zmiana z kodu 01111111

na 10000000. Dlatego też czę-

sto w enkoderach absolutnych

Rys. 59

mę krążka lub taśmy. Czujnik

w formie „linĳki” magnetycznej

może zapewnić dokładność po-

zycjonowania rzędu dziesiątych

części milimetra na drodze dłu-

gości nawet kilku metrów.

Trudno byłoby nie wspo-

mnieć o przetwornikach poten-

cjometrycznych – najstarszych

czujnikach pozycji. Ostatnio

przetworniki te wracają do łask

ze względu na postęp techno-

logiczny w produkcji ścieżek

rezystywnych o bardzo dobrych

parametrach elektrycznych i du-

żej odporności na ścieranie. Za

rozsądną cenę można kupić

przetwornik liniowy lub obro-

towy o liniowości 0,1%, dobrej

stabilności termicznej i trwałości

do miliona cykli. Przetwornik

potencjometryczny daje na wyj-

ściu napięcie stałe, proporcjonal-

ne do kąta obrotu lub przesunię-

cia liniowego.

Inne czujniki pozycji

Istnieje jeszcze wiele innych

metod przetwarzania położenia

na sygnał elektryczny, np. resol-

wery, transformatory LVDT, ale

dają one sygnał analogowy i nie

są chętnie stosowane w ukła-

dach cyfrowego pozycjonowania

(także ze względu na wysokie

koszty).

Ostatnio dużą popularność

zyskują czujniki magnetyczne.

Działają one na zasadzie zbli-

żonej do kart telefonicznych:

ścieżka magnetyczna ze znacz-

nikami pozycji jest odczytywana

przez głowicę. W zależności od

potrzeb mogą one mieć for-

Pozycjonowanie

przestrzenne

Istnieje wiele aplikacji,

w których jeden procesor steruje

kilkoma napędami, zapewniając

pozycjonowanie w przestrzeni

(plotery, obrabiarki numeryczne,

roboty przemysłowe). Stosuje

się trzy podstawowe systemy

pozycjonowania przestrzennego

( rys . 60 ):

Układ prostokątny XYZ – wy-

maga zastosowania trzech silni-

ków z przekładniami liniowymi,

przestrzeń robocza ma kształt

prostopadłościanu ograniczone-

go maksymalnymi wielkościami

przesunięć w osiach X, Y i Z.

Elektronika Praktyczna 6/2004

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: