Jak zaprojektować silnik Enkodery dla  zrównoważonej aplikacji nowej generacji

176

Przejście z silników o stałej prędkości na silniki o zmiennej prędkości ze sprzężeniem zwrotnym pozycji i prądu zapewnia drogę do ogromnych oszczędności procesowych i energetycznych. Niniejszy artykuł zawiera przegląd enkoderów silnikowych (pozycji i prędkości), w tym typów i technologii oraz przypadków użycia. Odpowiada również na kluczowe pytania, takie jak jakie wskaźniki wydajności enkodera są najbardziej krytyczne dla mojego systemu.

Omówione zostaną kluczowe przyszłe trendy w elektronice stosowanej w enkoderach, w tym monitorowanie stanu maszyn, inteligencja i solidne czujniki o dłuższej żywotności. Na koniec wyjaśnimy, dlaczego projekty kompletnych łańcuchów sygnałowych mają fundamentalne znaczenie przy projektowaniu enkoderów silnikowych nowej generacji.

Metryki, trendy i elektronika enkoderów silnikowych

Po przeczytaniu tego artykułu powinieneś być w stanie odpowiedzieć na następujące kluczowe pytania:

– Czym jest enkoder i w jaki sposób poprawia on wydajność mojego falownika i systemu napędzanego silnikiem? 

-Jakie wskaźniki wydajności enkodera są najbardziej krytyczne dla mojego systemu? Po przeczytaniu tego artykułu zrozumiesz, jak dopasować rozdzielczość, dokładność i powtarzalność enkodera do specyfikacji silnika i systemu robota.

– Jakie układy elektroniczne są powszechnie stosowane w enkoderach i jakie są przyszłe trendy? Po przeczytaniu tego artykułu zrozumiesz, w jaki sposób monitorowanie stanu maszyn, inteligencja brzegowa, solidne czujniki i szybka łączność umożliwiają projektowanie enkoderów w przyszłości.

System sprzężenia zwrotnego zamkniętej pętli sterowania silnikiem

W ciągu ostatnich kilku dekad nastąpiło stałe i ciągłe przejście od tradycyjnych silników podłączonych do sieci do silników napędzanych falownikami. Było to, i nadal jest, znaczące przejście w przemysłowym sprzęcie obrotowym i zaowocowało ogromnymi oszczędnościami procesów i energii dzięki bardziej wydajnemu wykorzystaniu silników i sprzętu końcowego. Wyższa jakość sterowania silnikiem dzięki napędom o zmiennej prędkości i systemom serwonapędów oferuje obecnie lepszą jakość i synchronizację w najbardziej wymagających zastosowaniach. Wydajność i sprawność silnika poprawia się dzięki zastosowaniu falownika mocy, wysokowydajnego czujnika położenia i sprzężenia zwrotnego prądu/napięcia w pętli zamkniętej dla stopnia mocy, jak pokazano na rysunku 1.

Sterowanie prędkością silników w pętli otwartej jest możliwe poprzez przyłożenie napięcia o zmiennej częstotliwości do silnika za pomocą modulacji szerokości impulsu w falowniku. W stanie ustalonym lub w wolno zmieniających się warunkach dynamicznych będzie to działać dość dobrze, a wiele napędów silnikowych w zastosowaniach o niższej wydajności wykorzystuje sterowanie prędkością w pętli otwartej, bez konieczności stosowania enkodera. Takie podejście ma jednak kilka wad:

X Dokładność prędkości jest ograniczona, ponieważ nie ma sprzężenia zwrotnego  Wydajność silnika jest niska, ponieważ nie można zoptymalizować sterowania prądem.

X Reakcja przejściowa musi być ściśle ograniczona, aby silnik nie utracił synchronizacji.

Rysunek 1. System sprzężenia zwrotnego zamkniętej pętli sterowania silnikiem.


Co to jest enkoder położenia?

Enkoder zapewnia sygnały sprzężenia zwrotnego w zamkniętej pętli poprzez śledzenie prędkości i położenia obracającego się wału. Enkodery optyczne i magnetyczne są najczęściej stosowanymi technologiami, jak pokazano na rysunku 2. W serwonapędach ogólnego przeznaczenia enkodery służą do pomiaru położenia wału, na podstawie którego obliczana jest prędkość obrotowa napędu. W robotyce i dyskretnych systemach sterowania wymagana jest precyzyjna i powtarzalna pozycja wału. Enkodery optyczne składają się ze szklanego dysku z drobnymi szczelinami litograficznymi. Czujniki fotodiodowe wykrywają zmiany światła, gdy przechodzi ono przez dysk lub jest od niego odbijane. Analogowe wyjście fotodiody jest wzmacniane i digitalizowane, a następnie przesyłane przewodowo do sterownika falownika. Enkodery magnetyczne składają się z magnesów zamontowanych na wale silnika, z czujnikiem pola magnetycznego zapewniającym analogowe wyjście sinusoidalne i cosinusoidalne, które jest wzmacniane i digitalizowane. Łańcuchy sygnałowe czujników optycznych i magnetycznych są podobne, jak pokazano na rysunku 2.

Rysunek 2. Rodzaje enkoderów silnikowych, technologie i wskaźniki wydajności

(a) Enkoder optyczny i (b) enkoder magnetyczny.

Enkodery absolutne jednoobrotowe zwracają pozycję absolutną w zakresie mechanicznym lub elektrycznym 360° po podłączeniu zasilania. Pozycję wału silnika można odczytać natychmiast. Enkodery absolutne wieloobrotowe obejmują zarówno funkcje absolutne, jak i zliczają liczbę obrotów o 360°. Z kolei enkodery inkrementalne zapewniają pozycję względem punktu początkowego obrotu. Enkodery inkrementalne zapewniają impuls indeksowy wskazujący 0° i pojedynczy impuls zliczający obroty lub podwójny impuls informujący o kierunku.

Rozdzielczość enkodera to liczba pozycji, które można rozróżnić na 360° obrotu wału silnika. Ogólnie rzecz biorąc, enkodery o najwyższej rozdzielczości wykorzystują technologię optyczną, podczas gdy enkodery o średniej/wysokiej rozdzielczości wykorzystują czujniki magnetyczne lub optyczne. Resolwery (transformatory obrotowe) lub czujniki Halla są stosowane w enkoderach o niskiej i średniej rozdzielczości. Enkodery optyczne lub magnetyczne wykorzystują kondycjonowanie sygnału o wysokiej rozdzielczości.

Większość enkoderów optycznych to enkodery przyrostowe. Powtarzalność enkodera jest kluczowym wskaźnikiem wydajności i jest miarą tego, jak konsekwentnie enkoder powraca do tej samej zadanej pozycji. Ma to kluczowe znaczenie w przypadku powtarzalnych zadań, takich jak robotyka lub maszyny typu pick and place do umieszczania półprzewodników podczas produkcji płytek drukowanych.

Rysunek 3. Typy enkoderów.

 

Tabela 1. Kluczowe wskaźniki wydajności kodera


Znaczenie dokładności i powtarzalności enkodera silnika

Maszyny/roboty typu „podnieś i połóż” są powszechnie wykorzystywanymi urządzeniami automatyki w branży pakowania żywności i produkcji półprzewodników. Maszyna lub robot o wysokiej dokładności i powtarzalności jest wymagany do zapewnienia wydajności procesu. Dokładność, powtarzalność i wydajność osiąga się za pomocą wysokowydajnych enkoderów silnika.

Rysunek 4 ilustruje przypadek użycia enkodera w robotyce. Silniki napędzają każdy przegub ramienia robota za pośrednictwem precyzyjnych przekładni redukcyjnych. Kąty przegubów robota są mierzone za pomocą precyzyjnego enkodera kąta wału zamontowanego na silniku (θm) i często dodatkowego enkodera zamontowanego na ramieniu (θj).

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Proszę wpisać swój komentarz!
Proszę podać swoje imię tutaj