БГТУ "ВОЕНМЕХ" кафедра Н1 "Мехатроники и робототехники

Варианты построения многоосевых систем управления на базе привода постоянного тока

Решая задачи управления электромеханических устройств, инженеры думают о более быстрых двигателях, повышенной точности позиционирования или схемотехнических усовершенствованиях, позволяющих увеличить КПД и улучшить коммутационные возможности транзисторных ключей. Не оспаривая значимость данных мер, стоит отметить также важность выбора архитектуры систем позиционного управления. Этот вопрос на данный момент изучен недостаточно, а ведь именно от его решения в значительной степени зависит успех проекта.

В данной статье анализируются тенденции построения архитектуры многоосевой системы управления на базе приводов постоянного тока и описываются особенности организации сетей на базе промышленных сетевых протоколов. Также приводятся практические примеры создания многоосевой системы управления.

1. Десять лет назад были распространены два основных типа устройств управления движением (приводом).

Тип первый

Первый тип устройства приведен на рис. 1. Это вариант многоосевой карты управления положением.В нем плата управления перемещением соединяется с внешними усилителями, которые принимают входной аналоговый сигнал ±10В и управляют крутящим моментом или, реже, скоростью вращения двигателя. Ранее планирование траектории и следящая обратная связь требовали применения специализированных компьютеров, которые чаще всего устанавливались в специализированные стойки. Сегодня модификации, основанные на данном методе, определяются выбором того или иного типа управляющей шины платы для подключения с ПК. Популярные форматы сегодня включают PCI, PC/104, компактный PCI, и Ethernet.

Рис. 1. Многоосевая карта управления положением (система первого типа).

Данная архитектура имеет множество преимуществ, основным из которых является гибкость. Устройство позиционного управления не зависит от мощности и зачастую даже от типа двигателя. Например, если выходной сигнал устройства позиционного управления -напряжение ±10В, то он может быть подан как на вход сервоусилителя коллекторного двигателя постоянного тока, так и на вход системы управления бесколлекторным двигателем постоянного тока, который выполнит коммутацию. Если пользователь хочет увеличить мощность двигателя или изменить тип двигателя, то плата перемещения не меняется, меняется только силовой инвертор.

Другое важное преимущество многоосных плат управления состоит в том, что синхронизация осей является прямой, и, по сущности, автоматической. Это происходит потому, что большинство таких устройств использует единственный центральный процессор. Для увеличения производительности некоторые платы многоосевого управления перемещением снабжаются многомерными командами профиля движения, устройствами для поддержания различных способов кодирования, поддерживают законченные наборы команд устройств обратной связи, например, такие как Код Грея.

Недостатком первого типа построения многоосевого управления является сложность монтажа и высокая стоимость. Для соединения типичного модуля управления серводвигателя необходимы 15–25 проводов, которые соединяются с платой многоосевого управления и усилителями каждой оси управления, в зависимости от того, используются ли дифференциальные сигналы, и выполняет ли контроллер или усилитель коммутацию. Если предполагать применение 10 каналов управления десятью сервоприводами, получится 150–200 проводов, тянущихся внутри системы. Такая архитектура приводит к сложности монтажа, сложности настройки и увеличению стоимости и имеет низкую надежность.

Тип второй

Второй тип структуры, который все ещё используется сегодня, — это автономный привод (основан на применении автономных блоков), известный также как интеллектуальный усилитель. В данном случае контроллер управления одной осью располагается в стойке управления. Структура данной системы приведена на рис 2.

Рис. 2 Автономный модуль управления.

Существует большое количество вариантов реализации управления такими автономными приводами. Большинство из них могут управляться ПЛК (программируемым логическим контроллером) через цифровые входы. Современные версии имеют возможность загрузки программ во встроенную память, и, таким образом, каждый привод может выполнять независимую последовательность действий. Например, разогнать двигатель до скорости Х, и, когда сигнал достигнет высокого значения, выполнять движение по инерции до полной остановки. В дополнение к различным вариантам исполнения, позволяющим осуществлять программирование различными способами, автономные приводы доступны также в исполнении для работы с многоосевыми системами.

Особенностью автономных приводов является то, что они хорошо работают тогда, когда режим работы каждой оси достаточно прост и относительно независим. При таком подходе проблематична синхронизация двух или трех таких приводов для обеспечения точного движения объекта по многомерной кривой, однако достаточно просто повторять базовые алгоритмы движения или выполнять функцию слежения по входному сигналу энкодера и выполнять электронное переключение по схеме «master/slave».

В сравнении с платой управления перемещением преимуществом автономного привода является существенное упрощение системы соединительных проводов. Поскольку управляющая и силовая часть объединены в одном корпусе, и все подключения реализованы внутри привода, внешние провода, необходимые для их взаимного подключения, исключены. Другое преимущество заключается в том, что приводы, по сути, могут находиться в любом месте оборудования, что повышает надежность системы и снижает стоимость благодаря сокращению протяженности линий подключения (кабелей).

Исторически сложилось, что основным недостатком автономных приводов является тенденция их развития в сторону больших габаритов и высокой стоимости, особенно для многоосевых приложений. Это происходит из-за применения старых технологий и объединения в едином корпусе усилителя, генератора траектории и преобразователя напряжения (AC/DC или DC/DC).

Тип третий

Третий тип архитектуры систем управления движением, известный как распределенный привод, объединяет возможность синхронизации карт управления движением с простотой подключения и увеличенной надежностью автономных приводов. Такой привод использует сетевое подключение для связи с центральным управляющим устройством (например, промышленный компьютер или ПЛК), но при этом имеет все возможности автономного привода, а именно: генератор траектории, усилитель и внутренняя система питания от постоянного или переменного напряжения. Такая архитектура приведена на рис. 3.

Рис. 3 Распределенный привод.

В зависимости от решаемой задачи могут быть использованы два типа распределенного привода. Первый из них может быть назван «жесткосвязанным» приводом и в его схеме применяются высокоскоростные специализированные шины связи, такие как SERCOS, FireWare, EtherCat или Ethernet/Powerlink. Второй может быть назван «слабосвязанным» приводом — в его схеме применяются более медленные шины, такие как CANbus и RS-485 или менее специализированные сети Ethernet (сравнение приведено в таблице 1).

Табл.1. Сравнение шин связи.

Основным существенным различием между жестко- и слабосвязанным приводом является то, что при многоосевых задачах жесткосвязанный привод дополнительно требует карту управления для синхронизации осей и координации движения каждой из них. Слабосвязанные приводы управляются напрямую от центрального управляющего устройства (ПК или ПЛК) путем передачи команд типа «изменить координату оси переходом из начальной точки х1 в конечную х2 по заданной траектории». Жесткосвязанные приводы существенно отличаются тем, что каждый привод получает мгновенное значение положения и/или скорости с частотой обновления от нескольких сот до нескольких тысяч раз в секунду.

Преимущество распределенных приводов в простоте подключения (отсутствии большого количества соединительных проводов) и повышенной надежности. Другое серьезное преимущество — возможность наращивания. Для увеличения количества осей в многоосевой системе на базе распределенных приводов достаточно подключить дополнительный привод. В случае многоосевой карты управления движением для добавления дополнительной оси может потребоваться приобретение новой карты, когда, например, к 4-осевой карте управления движением требуется добавить пятую ось. Кроме того, многоосвые решения на базе распределенного привода позволяют легко сочетать и согласовывать различные типы двигателей. Например, система может одновременно включать коллекторные и бесколлекорные двигатели постоянного тока, а также шаговые двигатели. При условии поддержки приводом каждой оси шины обмена данными, на которой построена система, какие-либо дополнительные настройки или доработки программного обеспечения головного управляющего устройства не требуются.

4. Четвертый основной тип привода, применяемый сегодня, может быть назван интегрированной картой управления движением. При такой структуре (приведена на рис. 4) преимущества упрощенного подключения (и уменьшения линий связи) сочетаются с простотой синхронизации осей благодаря расположению силовых ключей непосредственно на многоосевой плате управления.

Рис. 4. Интегрированная карта управления движением.

Преимуществом данного решения является низкая стоимость, поскольку не требуется приобретение дополнительных внешних модулей или усилителей. Основным недостатком — ограничение мощности двигателей привода, поскольку высокие частоты и тепловыделение в условиях единого интегрированного модуля несовместимы с чувствительной электроникой.

Как правило, при такой схеме реализации привода для конкретной задачи (проекта) производится доработка или адаптация интегрированной платы управления, а порой и разработка индивидуальной версии.

Какой вариант построения многоосевой системы приводов лучше? Однозначного ответа на этот вопрос нет. Каждая задача имеет свои особенности и порой может быть решена с одинаковым успехом различными способами, или наоборот, лишь один вариант реализации системы будет оптимальным в данных конкретных условиях. Так в случае, если вы работаете над проектом с жесткими требованиями по стоимости компонентов, вероятнее всего вы остановитесь на разработке собственной системы управления движением, причем, по возможности, с интегрированными силовыми ключами. В случае задач с высокой степенью синхронизации более логичным является применение жесткосвязанного распределенного привода.

При практической реализации многоосевой системы управления учитывается большой набор факторов, и в том числе (в дополнение к уже указанным) мощности привода по каждой из осей, требуемая точность на выходе каждой оси, питающее напряжение, варианты протоколов связи и прочие.

Выпускаемые сегодня рядом компаний серии контроллеров обеспечивают все необходимые функции для создания оптимальных систем управления мехатронными устройствами. Кроме того, данные контроллеры, как правило, обладают необходимым количеством выводов для подключения различных типов датчиков положения и управляющих аналоговых сигналов. В зависимости от стоящих задач решение может быть реализовано на приводах постоянного или переменного тока, шаговых приводах или с применением различных приводов в составе единой системы. Однако для максимальной миниатюризации привода более перспективным является вариант системы многоосевого управления на базе привода постоянного тока.

Вариант решения многоосевой системы управления малогабаритными приводами на базе коллекторных или бесколлекторных двигателей постоянного тока возможен с применением устройств компании maxonmotor (Швейцария). Компания реализует управление многоосевыми системами через протокол CANopen. Существуют три основных способа реализации управления на базе контроллеров движения maxon через этот протокол:

 — организация многоосевой системы управления посредством объединения нескольких контроллеров по шине CAN, при котором контроллер EPOS P* (программируемая версия контроллера EPOS) выступает в качестве CAN-master.

 — создание системы управления на базе персонального компьютера (PC) или программируемого логического контроллера (PLC), имеющих возможность поддержки протокола CANopen (дополнительная плата в первом случае и встроенный или внешний блок — во втором) и интерфейсы для подключения к CAN шине.

 — реализация управления несколькими узлами, используя так называемый «шлюз RS232->CAN» (контроллер EPOS) или «шлюз USB->CAN» (контроллер EPOS 2). При этом для определенного круга задач, не требующих жесткой привязки ко времени, можно воспользоваться ПК в качестве центрального контроллера без дополнительных плат интерфейса CAN. Основные схемы объединения контроллеров представлены на рис. 5.

Вариант A — использование контроллера EPOSPв качестве CAN-master.

Вариант B — использование ПЛК с поддержкой CAN(или ПК с дополнительной платой) в качестве CAN-master.

Вариант C — работа с приводами, объединенными по шине CAN, через шлюз RS232-CAN (или USB-CAN).

Рис. 5.Основные схемы объединения контроллеров.

При формировании системы управления многоосевым объектом по схемам A и B мы получаем полную поддержку протокола CANopen, а при использовании схемы C отсутствует возможность отправлять PDO сообщения системе управления, находящейся на компьютере.

Одна из основных проблем в системах управления многоосевыми комплексами связана с синхронизацией работы узлов комплекса, а также с максимальной частотой обмена информацией между ними. Максимальная частота генерации синхросигнала для EPOS P составляет 1 кГц (период равняется 1 мс). Цикл коммуникации представлен на рис. 6. Следует отметить, что для передачи синхронного PDO при скорости обмена 1 Мбит/с требуется порядка 46 мкс.

Рис. 6. Цикл коммуникации.

При пересылке синхронных PDO задается временной интервал T2 внутри цикла коммуникации. В течение времени Т2 передаются все синхронные PDO, таким образом максимальное рассогласование работы узлов системы может составлять время Т2. Следует учитывать, что при вводе в систему синхронных PDO сообщений резко повышается трафик (загруженность) CAN сети. При управлении многоосевой системой, не требующей жесткой синхронизации по времени, возможно использовать генератор траектории, который получает данные через SDO сообщения на низкой частоте, а генерация промежуточных точек идет с интервалом в 1 мс.

На рис. 7 представлена временная диаграмма двухкоординатной системы, управляемой SDO сообщениями. Как видно, в идеале минимальное рассогласование системы составляет временной интервал посылки одного SDO сообщения. Максимальное рассогласование системы будет определяться потребностью в передаче сообщений более высокого приоритета, например, PDO.

Рис. 7. Временная диаграмма двухкоординатной системы.

Одним из плюсов управления через SDO сообщения является отсутствие предварительной настройки схемы пересылок PDO сообщений (т.н. PDO mapping).

Существуют следующие рациональные способы управления звеньями многоосевой системы:

1. Через синхронные (асинхронные) PDO сообщения. В этом случае, используя собственные алгоритмы, возможно формировать траектории непрерывного движения с достаточной степенью дискретизации по времени, обеспечивая при этом высокую степень синхронизации.
2. Использовать библиотеки движения — их функции основаны на работе с SDO сообщениями и генератором траектории. Исключением является слово состояния узла системы (Statusword), которое передается с помощью PDO сообщений.

В качестве практического примера реализации может быть выбрана архитектура распределенного привода, максимально близкая к большому кругу задач, решаемых инженерами, а именно — синхронизированному управлению несколькими высоко- динамичными приводами с возможностью простого наращивания количества осей в системе. При этом наиболее удобный для такой задачи вариант распределенного привода — так называемая плоская (двухмерная) схема построения системы (см. рис. 8 Вариант A)

Вариант A — Плоская (двухмерная) схема построения системы управления. Все приводы управляются напрямую от ПК.

Вариант B — Иерархическая схема построения системы управления. Приводы осей объединены в группы и управляются (синхронизируются) локально.

Рис. 8 Схемы построения систем распределенного привода.

В отличие от иерархической схемы, представленной на рис. 8 Вариант B, плоская схема позволяет повысить уровень синхронизации осей и сократить время обмена данными благодаря прямым связям ПК-Привод.

Примером применения плоской (или двухмерной) схемы в промышленности является печатный пресс с набором управляемых роликов. Временная составляющая очень важна в такой системе и центральный контроллер (ПК или ПЛК) должен управлять всеми приводами синхронно. Характерные команды для такой системы — переместить ось № 1 в положение X, переместить ось № 2 в положение Y» и так далее.

На практике были проведены испытания по управлению двумя независимыми осями от манипулятора типа джойстик с использованием контроллеров maxon motor (необходимо использовать по одному контроллеру на каждую ось). При практической проработке реализации был принят ряд условностей и упрощений, а именно:

 — не ставилась задача обеспечения максимальной точности позиционирования объекта управления, в связи с чем были выбраны различные типы электромеханических сборок для исполнительных механизмов (на базе обычного и плоского бесколлекторных двигателей соответственно);

 — не задавались конкретные значения диапазонов регулирования скоростей (для оценки поведения различных типов двигателей и передач при различных скоростях с точки зрения плавности работы);

 — оценивалась скорость передачи данных через управляющую шину для определения возможности повышения частоты обмена данными.

Как мы уже указывали выше, для построения многоосевых систем целесообразным является применение современных технологий передачи данных, таких как CANopen. Для обеспечения одновременной работы двух осей контроллеры EPOS и EPOS P (программируемая версия EPOS) были соединены по сети CAN, контролер EPOS P является ведущим, аналогично варианту, А на рис. 5.

Обработка данных с входов контроллера EPOS P производилась написанной для этих целей программой. Задаваемая осью X джойстика величина подавалась на аналоговый вход 1 контроллера и регулировала скорость вращения бесколлекторного двигателя. Задаваемая осью Y джойстика величина подавалась на аналоговый вход 2 контроллера и через контроллер EPOS регулировала скорость вращения плоского бесколлекторного двигателя. Цифровые входы использовались для введения ограничения скорости вращения в зависимости от положения рукоятки манипулятора. Программа устанавливала дополнительную зону нечувствительности рукоятки джойстика для исключения случайного срабатывания. В результате исследования наблюдалась плавность управления каждой из двух регулируемых джойстиком осей. Рассматриваемая система легко может быть адаптирована для работы с дополнительными приводами (осями), а также позволяет повысить точность позиционирования.

Альтернативным вариантом многоосевой системы управления малогабаритными приводами на базе шины CAN является система на базе мини-сервоактуаторов переменного тока серии RSF производства Harmonic Drive под управлением контроллеров движения с поддержкой шины CAN. Такие контроллеры производятся рядом компаний — например, Elmo (серия SimplIQ).

В таком варианте система включает в себя:

• многоосевая плата управления Maestro (мастер шины CAN),
• модуль управления каждой осью (выбирается в зависимости от дополнительных требований задачи),
• мини-севроактуатор серии RSF в качестве исполнительного механизма каждой из осей (в состав входят двигатель переменного тока, волновой редуктор, датчик обратной связи, тормозная муфта для фиксации вала двигателя).

При таком варианте исполнения мы получаем иерархическую систему построения распределенного привода. Специализированное программное обеспечение позволяет производить настройку и программирование каждой из осей и их совместной работы по заданному профилю. Благодаря использованию в составе мини-сервоактуатора волнового редуктора существенно повышается точность позиционирования на выходе системы. В то же время, аналогично предыдущему варианту, сохраняется возможность наращивания количества осей без изменения самой структуры системы.

Итоги и выводы:

Подводя итог, можно сделать следующие выводы:

• современный уровень развития технологий предоставляет широкие возможности для реализации задач управления многоосевыми системами с заданным уровнем точности и синхронизации;
• в зависимости от требований задачи возможно применение того или иного варианта архитектуры многоосевой системы, а также применение тех или иных компонентов для реализации (двигатели, контроллеры и т. д.); причем применение двигателей постоянного тока предоставляет большие возможности для уменьшения габаритов системы;
• современные компоненты позволяют достаточно легко объединить необходимое количество осей управления в единую систему и синхронизировать их работу, а также обеспечить возможность введения в систему дополнительных осей без полной переработки структуры контроллера управления приводом.

Примечания:

* Контроллер управления движением серии EPOS P производства компании maxon motorпредставляет собой программируемую версию стандартного контроллера EPOS с встроенным ПЛК (программируемым логическим контроллером) и контроллером шины CAN. Как и контроллер EPOS, позволяет осуществлять трехконтурное управление коллекторными и бесколлекторными двигателями постоянного тока в диапазоне поддерживаемых токов, поддерживает работу с набором аналоговых и цифовых входов и выходов, поддерживает cтандартные интерфейсы (RS232, CANopen). В отличие от EPOS, программируемая версия контроллера EPOS P поддерживает загрузку программ для управления работой подключенного двигателя, управления работой подключенных по протоколу CAN приводов EPOS, работы с входами и выходами и так далее. Работа контроллера и выполнение программы осуществляется в автономном режиме.

Рис. 9. Схема внутренней организации контроллера EPOS P.

Используемые источники:

1. Motion Control Networks; Chuck Lewin, President & CEO of Performance Motion Devices.
2. Motion Control Architectures; Chuck Lewin, President & CEO of Performance Motion Devices.
3. EPOS2 — a new generation of the successful motion controller; Urs Kafader, maxon motor ag.
4. EPOS2 Positioning Controller Documentation Guide, www.maxonmotor.com
5. EPOS P Positioning Controller Documentation Guide, www.maxonmotor.com
6. RSF Supermini AC Servo Actuator, www.harmonicdrive.de
7. Conducting an Ensemble of Communication, www.elmomc.com