Intelligens mozgásvezérlési kialakítások gyors megtervezése intelligens gyártáshoz

Az intelligens gyártásra való áttérés a korszerű technológiákat használja ki a hozam, a termelékenység, az agilitás, a hatékonyság és a biztonság növelésére, egyidejűleg csökkentve a költségeket is. Az intelligens mozgásvezérlés kulcsfontosságú szerepet játszik ebben az átalakulásban, amihez gyakran van szükség a régebbi gyárak korszerűsítésére. A fix fordulatszámú motorokat és a régebbi vezérlőket szükséges cserélni felsőbbrendű mozgásvezérlő eszközökkel. Ezek az eszközök a korszerű érzékelési technológiákra támaszkodnak a pontos mozgás- és teljesítményszabályozáshoz. Az optimális munkafolyamatok és a gyártási agilitás elérése érdekében a tervezőknek valós idejű összeköttetést kell megvalósítaniuk a gyártógépek és a gyártásvégrehajtó rendszerek között.

Számos fejlett technológia és rendszerszintű megoldás áll rendelkezésre az intelligens mozgásvezérlésre való áttéréshez, a tervezők azonban gyakran magukra maradnak a rendszer összeállítását illetően. Ez a helyzet most változik, mivel ma már átfogó megoldáskészletek állnak rendelkezésre, amelyek segítenek a mozgásvezérlési kialakítások gyors elindításában. Ezek közé tartoznak a többtengelyes motorfordulatszám- és motornyomaték-vezérléskor az izolált áramérzékeléshez és pozíció-visszacsatoláshoz szükséges alkatrészek, valamint a gép állapotfigyeléséhez szükséges érzékelők a nem tervezett állásidők csökkentése érdekében. De megtalálhatók közöttük a nagy sebességű hálózati interfészek is, melyek megkönnyítik a gépek és a magasabb szintű vezérlő- és irányítóhálózatok közötti adatmegosztást.

Ez a cikk a javított motorvezérlés fontosságával foglalkozik röviden. Ezután bemutatja az Analog Devices intelligens mozgásvezérléshez kínált megoldásait, beleértve a tápellátási, érzékelési és hálózati komponenseket, és tárgyalja ezek alkalmazását.

Miért van szükség intelligensebb motorvezérlésre

A villanymotorok képezik az ipari mozgásvezérlés alapját, és ők a felelősek a teljes ipari energiafogyasztás 70%-áért. Az ipari energiafogyasztás ezen aránya a világ elektromos áramfogyasztásának mintegy 50%-át teszi ki. Ezért fordítanak olyan sok figyelmet a mozgásvezérlés hatékonyságának javítására, és itt nagy szerepe van az intelligens motorvezérlésnek, mely számos előnnyel jár.

A korai mozgásvezérlési rendszerek egyszerű, villamos hálózatra kapcsolt motorokra támaszkodtak, és ebből fejlődtek ki a mai kifinomult, többtengelyes szervomotoros robotaktuátorok. Ezzel az evolúciós fejlődéssel együtt járt az intelligens gyártáshoz szükséges magasabb szintű hatékonyság, teljesítmény, megbízhatóság és az autonóm működés biztosításához szükséges növekvő komplexitás (1. ábra).

1. ábra: A mozgásvezérlés a fix fordulatszámú, villamos hálózatra kapcsolt motorokból fejlődött ki a többtengelyes, szervomotoros robotaktuátorokkal ellátott intelligens mozgásvezérlő rendszerekig (kép: Analog Devices Inc.)

A motorvezérlés különböző típusai a következők:

• Fix fordulatszám: A legrégebbi és legegyszerűbb mozgásvezérlő rendszerek a fix fordulatszámon működő, villamos hálózatra kapcsolt, 3 fázisú váltakozó áramú motorokon alapulnak. Kapcsolóberendezések biztosítják a be- és kikapcsolást és a védelmi áramköröket. A kimeneti teljesítmény bármely szükséges csökkentése mechanikusan történik.
• Inverteres motor: Egy egyenirányító, egy egyenáramú busz és egy háromfázisú inverterfokozat hozzáadása változó frekvenciájú és változó feszültségű tápforrást hoz létre, amelyet a motorra kapcsolnak a fordulatszám-változtatás lehetővé tételéhez. A motorok ezen inverter alapú vezérlése lehetővé teszi az energiafogyasztás jelentős csökkentését azáltal, hogy a motor a terhelésnek és az alkalmazási feladatnak megfelelő optimális fordulatszámon működtethető.
• Változtatható fordulatszámú vezérlő (frekvenciaváltó): A motor fordulatszámának, helyzetének és nyomatékának szabályozása terén további pontosságot igénylő esetekben használt frekvenciaváltók ezt a szabályozást úgy érik el, hogy az alapot képező feszültségszabályozott inverteres vezérlőt áram- és pozícióérzékelőkkel bővítik.
• Szervó vezérlésű rendszer: Több frekvenciaváltó többtengelyes szervó-vezérelt rendszerekbe szinkronizálható, a még összetettebb mozgások megvalósításához, például olyan rendszerekben, mint a számítógépes számjegyvezérlésű (CNC) szerszámgépeknél, ahol rendkívül pontos pozíció-visszacsatolásra van szükség. A CNC megmunkáló gépeknél általában öt tengelyt szükséges koordinálni, de akár tizenkét tengely is végezhet összehangolt mozgást.

Ipari, együttműködő és mobil robotok

Ipari robotok esetén a többtengelyes mozgásvezérlés van kombinálva mechanikai elemekkel és fejlett vezérlőszoftverrel, a jellemzően hat tengelyes háromdimenziós pozicionálás lehetővé tételéhez.

Az együttműködő robotokat (vagy más néven kobotokat) arra tervezték, hogy emberek mellett működjenek biztonságosan. Az ipari robotokra épülnek, melyeket biztonsági érzékeléssel, valamint teljesítmény- és erőkorlátozó képességekkel bővítenek, egy funkcionálisan biztonságos robot munkatárs létrehozásához.

Hasonlóképpen, a mobil robotoknál is funkcionálisan biztonságos gépvezérlést használnak, de a robotok képességeit helyérzékeléssel, útvonalvezérléssel és ütközéselkerüléssel egészítik ki.

Megfigyelhető, hogy a mozgásvezérlő rendszerek fejlesztésének minden egyes szakaszában a komplexitás növekszik – gyakran jelentősen. Az intelligens mozgásvezérlő rendszerek fejlesztését négy kulcsfontosságú tényező hajtja:

• az energiafogyasztás csökkentése;
• az agilis termelés;
• a digitális átalakulás;
• az állásidők csökkentése az eszközök maximális kihasználásához.

A nagy hatásfokú motorok és az alacsonyabb veszteségű frekvenciaváltók bevezetése, valamint a mozgásvezérlő rendszerek intelligenciával való kiegészítése kulcsfontosságú tényezők, melyek segítségével az intelligens gyártás révén jelentős energiahatékonyság érhető el.

Az agilis termelés a gyorsan átkonfigurálható gyártósorok függvénye. Erre a rugalmasságra azért van szükség, hogy a gyártók reagálni tudjanak a különböző és változatos, kisebb volumenű gyártású termékek iránti ingadozó fogyasztói keresletre, amihez alkalmazkodóbb termelési berendezkedésre van szükség. Az ipari robotok kulcsszerepet játszanak az összetett és ismétlődő műveletek végrehajtásában, ezáltal növelve az áteresztőképességet és a termelékenységet.

A digitális átalakulás magába foglalja a mozgásvezérlő rendszerek és az érzékelők által az egész gyártóüzemből szolgáltatott hatalmas adatmennyiség hálózatba kapcsolásának képességét, valamint ezen adatok valós idejű megoszthatóságát. Az ilyen összekapcsolhatóság lehetővé teszi a felhőalapú számítástechnikát és a mesterséges intelligencia (MI) algoritmusokat a gyártási munkafolyamatok optimalizálására és az eszközkihasználás javítására.

A különböző új üzleti modellek ma már az eszközök hasznosítására épülnek, és a gyári eszközök termelékenységére összpontosítanak, nem csak a kezdeti telepítési költségekre. A rendszerszállítók egyre inkább érdekeltek abban, hogy a szolgáltatások számlázása ezen eszközök üzemideje vagy termelékenysége alapján történjen. Ez a megközelítés a prediktív karbantartási szolgáltatások kihasználására épül, amelyek az egyes gépi eszközök valós idejű nyomon követésére támaszkodnak a termelékenység növelése és a nem tervezett állásidők minimalizálása érdekében.

Az intelligens mozgásvezérlő rendszerek alkatrész-követelményei

A tervezőknek tisztában kell lenniük azzal, hogy egy tipikus motorvezérlési jelláncban az intelligens mozgásvezérlési feladatok több területen is rendszerszintű megoldásokat igényelnek (2. ábra).

2. ábra: Az ábrán olyan alkatrészek láthatók, amelyek az intelligens mozgásvezérlés hat kulcsfontosságú területén tesznek lehetővé magasabb szintű működést (kép: Analog Devices, Inc.)

A tervezőknek a teljesítményelektronikát, a mozgásvezérlést, az áramérzékelést, a helyzetérzékelést, a hálózati interfészeket és a gép állapotfelügyeletét kell prioritásként kezelniük. Az Analog Devices mindegyik területre több eszközt kínál a tervezőknek, akik a régebbi kialakítások frissítésekor vagy újrakezdéskor megfontolhatják azok használatát.

Teljesítményelektronika

A teljesítményelektronikai alkatrészek az egyenáramú jeleket alakítják át impulzusszélesség-modulált (PWM) bemenetekké egy motorvezérlő rendszerben.

Motorvezérlő rendszereknél az energiaátalakítás alapja egy nagyfeszültségű egyenáramú tápforrás, amely az energiát jellemzően a váltakozó áramú hálózatból nyeri. Amint azt a 2. ábra szemlélteti, a teljesítményelektronikai rész MOSFET-ekkel van megvalósítva, háromfázisú, félhidas kapcsolásban. A felső MOSFET-ek kapui földeletlenek, és szigetelt kapuvezérlőt igényelnek. Erre egy megfelelő választási lehetőség az Analog Devices ADUM4122CRIZ integrált áramköre, amely egy szigetelt kapuvezérlő, akár 5 kV effektív szigetelési képességgel. E nagyfokú szigetelés a nagy sebességű komplementer fém-oxid félvezetők (CMOS) és monolit transzformátorok kombinálásával érhető el. Ennél a kapuvezérlőnél a fel- és lefutóél-meredekség programozható, amivel a kapcsolási veszteségek és az elektromágneses interferencia (EMI) minimalizálható. Ez különösen fontos gallium-nitrid (GaN) vagy szilícium-karbid (SiC) eszközök használata esetén, mivel ezek kapcsolási sebessége gyorsabb.

Az alsó MOSFET-ek source kivezetéseinek referencia feszültsége a nulla (földpotenciál), és használhatják az Analog Devices LTC7060IMSE#WTRPBF IC-jét, egy 100 voltos földeletlen félhidas vezérlőt.

Mind az alsó, mind a felső vezérlők kimeneti fokozatai lebegnek, vagyis földeletlenek. Ez az egyedülálló kettős földeletlen architektúra robosztussá teszi a kapuvezérlő kimeneteit, melyek így kevésbé érzékenyek az elektromos interferenciára. Ezen túlmenően az eszközök adaptív áthúzás (shoot-through) elleni védelemmel rendelkeznek programozható holtidővel, amivel megakadályozható, hogy a félhidas kapcsolásban lévő mindkét kapcsoló egyszerre kapcsoljon be.

Mozgásvezérlő

A mozgásvezérlő képezi a mozgásvezérlő rendszer agyát. A teljesítményelektronikai áramkört vezérlő PWM jeleket generáló központi processzor feladatát látja el. Ezek a jelek egy központi vezérlőközpontból érkező parancsokon és a motor által visszajelzett paramétereken (például áram, pozíció és hőmérséklet) alapulnak. A vezérlő ezen adatok alapján határozza meg a motor fordulatszámát, irányát és nyomatékát. A gyakran távol elhelyezett, és FPGA-val vagy dedikált processzorral megvalósított vezérlőhöz szigetelt kommunikációs kapcsolatokat kell biztosítani.

Erre a célra soros adatkapcsolati IC használható, mint például az Analog Devices ADM3067ETRZ-EP jelű eszköze. Ez egy elektrosztatikus kisülés (ESD) ellen védett, teljes duplex, 50 Mbps sebességű, RS485 szabványos adó-vevő. Úgy van konfigurálva, hogy nagy sávszélességű soros kommunikációt biztosítson a pozíció-visszacsatolási érzékelőktől vissza a mozgásvezérlőhöz. Ez a soros adatkapcsolat ±12 kV-ig védett elektrosztatikus kisülés ellen, és -55 és +125 °C közötti hőmérséklet-tartományban működhet.

Áramérzékelés

A motorból érkező áram-visszacsatolás az elsődleges visszacsatolási paraméter a vezérlőkörben. Mivel az áram-visszacsatolás határozza meg a mozgásszabályozó rendszer teljes vezérlési sávszélességét és dinamikus válaszát, a pontos mozgásvezérléshez a visszacsatolási mechanizmusnak rendkívül pontosnak és nagy sávszélességűnek kell lennie.

Két általánosan használt árammérési módszer létezik:

• A sönt-alapú mérésekhez egy kis értékű ellenállás vagy sönt beiktatására van szükség a mérendő vezetékkel sorba kapcsolva. A söntön keresztüli differenciális feszültségesést mérik, általában egy nagy felbontású analóg-digitális átalakító (ADC) segítségével. A sönt-alapú áramméréseket a feszültségesés és a söntellenállás teljesítményvesztesége korlátozza, és csak kis és közepes áramerősségű rendszerekben használják.
• Mágneses áramérzékeléssel az áramot a vezető közelében lévő mágneses tér figyelésével mérik, érintkezés nélküli anizotróp mágneses ellenállás (AMR) alapú mérésekkel. Az AMR-eszköz ellenállását, amely a mágneses mezővel és így az áram erősségével változik, ellenálláshíddal mérik.

Mágneses árammérés esetén nincs feszültségesés és értelemszerűen teljesítményveszteség sem a söntellenállásokon, így jobban alkalmas nagyáramú mérésekhez. Ilyen típusú méréskor a mért vezető elektromosan is el van szigetelve.

Szigetelt árammérésekhez az Analog Devices ADUM7701-8BRIZ-RL jelű integrált áramköre használható. Ez egy nagy teljesítményű, 16 bites, másodrendű szigma-delta analóg-digitális átalakító, amely egy áramérzékelő ellenálláson keresztüli feszültségesésből származó analóg bemeneti jelet nagy sebességű, egybites, digitálisan izolált adatfolyammá alakít.

Egy alternatív árammérő eszköz az AD8410AWBRZ jelű nagy sávszélességű áramérzékelő erősítő, amely egy 20-as erősítésű, 2,2 MHz-es sávszélességű és alacsony offset driftes (kb. 1 μV/°C) differenciálerősítő. A 123 dB-es egyenáramú közös módusú feszültségelnyomásnak köszönhetően kétirányú árammérésre képes, akár 100 voltos közös módusú bemenetekkel.

Helyzetérzékelés

A forgás AMR típusú mágneses pozícióérzékelőkön alapuló érzékelése egy költséghatékonyabb alternatíva az optikai forgójeladókkal szemben. Ezeknek az érzékelőknek további előnye, a robusztusságuk, aminek nagy jelentősége van a gyakran poros és rezgéseknek kitett ipari környezetekben. A motor tengelyének szöghelyzetéről adott visszajelzés felhasználható közvetlen pozíciószabályozásra vagy a fordulatszám meghatározására szervorendszerekben.

Az Analog Devices ADA4571BRZ-RL IC-je egy AMR-érzékelő, amely tokozásba beépített jelkondicionáló és ADC-vezérlő áramkörökkel rendelkezik (3. ábra).

3. ábra: Az ábrán az ADA4571BRZ-RL szögérzékelő funkcionális blokkdiagramja látható, valamint a szinusz és koszinusz kimenetek az elfordulási szög függvényében (kép: Analog Devices, Inc.)

Az ADA4571BRZ-RL egy magnetorezisztív szögérzékelő, amely kettős hőmérséklet-kompenzált AMR-érzékelőt használ a tengelyszög érzékelésére 180°-os tartományban (±90°), 0,1°-nál jobb pontossággal (max. 0,5° egész élettartamon át a hőmérséklet függvényében). Ez az eszköz szinuszos és koszinuszos közös földpontú analóg kimeneteket állít elő, amelyek jelzik a környező mágneses mező szöghelyzetét. Az eszköz mágnesesen erősen szennyezett környezetben is működőképes, és a szögleolvasási hiba nem romlik nagy légrések esetén sem.

A szögérzékelő kimenetei csatlakoztathatók az Analog Devices AD7380BCPZ-RL7-hez, egy kettős, 16 bites bemenetű, sorozatos közelítéses regiszteres (SAR) ADC-hez. Ez az ADC mindkét differenciális bemeneti csatornán egyszerre akár 4 MSPS sebességes mintavételezésre is képes, és belső túlmintavételezés funkciója javítja a teljesítményt. Az analóg-digitális átalakítók pontosságának növelésére gyakran alkalmaznak túlmintavételezést. Az analóg bemeneti jel több mintájának rögzítésével és átlagolásával ez a funkció a zaj csökkentésére szolgál, akár normál átlagolású, akár dinamikus átlagolású túlmintavételezési üzemmódban való működésről van szó. A túlmintavételezés lassabb üzemi körülmények között is segíthet a nagyobb pontosság elérésében.

Hálózati interfész

Az intelligens gyártás olyan intelligens és egymással hálózatba kapcsolt mozgásvezérlő rendszerekre támaszkodik, amelyek adatokat osztanak meg a gyártóüzemi gépek és a központi vezérlő- és irányítóhálózat között. Ez az egymás közti adatmegosztás hibabiztos összeköttetést igényel. Ehhez a tervezők felhasználhatják az Analog Devices által gyártott az Ethernet fizikai rétegét (PHY) képező, alacsony fogyasztású és alacsony késleltetést biztosító eszközeit, beleértve az ADIN1300CCPZ Ethernet PHY adó-vevőt. A 10, 100 vagy 1000 Mbits/s adatátviteli sebességgel működő ADIN1300CCPZ-t úgy tervezték, hogy zord ipari környezetben, akár 105 °C-os környezeti hőmérsékleten is működni tudjon.

A hálózati kapcsolók (switchek) az Ethernet-kapcsolatok irányítására szolgálnak. Az Analog Devices kínálatában megtalálható a FIDO5200BBCZ, amely az ipari Ethernet 2. rétegét képező beágyazott kétportos switch. 10 és 100 Mbit/s-os sebességével a switch megfelel az IEEE 802.3 szabványnak, és támogatja a PROFINET, Ethernet/IP, EtherCAT, Modbus TCP és Ethernet POWERLINK ipari Ethernet protokollokkal kompatibilis fél- és teljes duplex módokat.

Gépállapot

A gépek állapotát érzékelőkkel figyelik, a fizikai paraméterek, például a rezgés, a rázkódás és a hőmérséklet mérésével, így valós idejű betekintés kapható a gép állapotáról. Ezen adatok naplózásával a szabványos mozgásvezérlési műveletek során, és azok időbeli elemzésével lehetővé válik a gép mechanikai állapotának pontos felmérése. Ez az adatvezérelt megközelítés prediktív karbantartások beütemezését teszi lehetővé, amelyek nemcsak a gép élettartamát hosszabbítják meg, hanem jelentősen csökkentik a be nem tervezett állásidőket is.

A gépállapot-felügyelet megvalósítása megköveteli, hogy a motorba rezgés- és ütésérzékelőket építsenek be. A ±100 g nagyságú erő mérésre képes, -3 dB sávszélességű, 11 kHz-es mikro-elektromechanikus rendszerű (MEMS) ADXL1001BCPZ-RL gyorsulásmérő egy példa az alacsony zajszintű érzékelőkre. Ez egy alternatív lehetőség, amely a nagy sávszélességű és kisebb fogyasztású piezoelektromos érzékelők helyett választható. Olyan esetekhez, ahol háromtengelyes mérésre van szükség, megfelelő választás lehet az ADXL371.

Összegzés

Az intelligens mozgásvezérlés kritikus fontosságú intelligens gyárak létrehozásakor, és a hatékony megvalósításhoz gondosan kiválasztott elektronikus alkatrészekre van szükség. Amint bemutattuk, számos ilyen összetevő a gyors tervkészítéshez már előre összeválogatva megkapható. Ezek közé tartozik a motor meghajtásához szükséges teljesítményelektronikai integrált áramkör, az áram- és helyzetérzékelők, amelyek pontos visszacsatolási adatokat szolgáltatnak a precíz és pontos mozgásvezérléshez, az ipari hálózati összekapcsolhatóságot biztosító komponens, amely rendszerszintű betekintést nyújt a gyártási folyamat optimalizálásához, valamint a rezgés- és ütésérzékelők, amelyek lehetővé teszik a gép állapotának felügyeletét a nem tervezett állásidők csökkentése és az eszközök működési élettartamának meghosszabbítása érdekében.