Po l i t e c h n i k a L u b e l s k a , Wy d z i a ł Me c h a n i c z n y
Katedra Automatyzacji
u l . Nad b ys tr zy c k a 3 6, 2 0-6 1 8 L ub l i n
te l . /fa x .:(+4 8 81 ) 53 8 42 6 7 e -ma i l :a u to mat @po l l u b .p l ; wm. ka @po l l ub .p l
LABORATORIUM
PODSTAW ROBOTYKI
Instrukcja do ćwiczenia nr
R2
SERWONAPĘD POŁOŻENIA LINIOWEGO Z
SILNIKIEM PRĄDU STAŁEGO
Wydział Mechaniczny Sala 406
I. Cel ćwiczenia
Celem dydaktycznym jest zapoznanie z budową oraz zasadą działania serwonapędów położenia a także metodą strojenia algorytmu regulatora serwosterownika.
Celem praktycznym jest przetestowanie serwonapędu położenia liniowego z silnikiem komutatorowym prądu stałego oraz właściwy dobór nastaw algorytmu regulatora serwosterownika.
II. Wiadomości podstawowe
Pojęcie serwonapędu
Serwonapęd (lub równoważnie serwomechanizm) to automatyczny układ regulacji określonej wielkości fizycznej, najczęściej: położenia liniowego lub kątowego, prędkości, siły lub ciśnienia. Pojęcie „układ regulacji” oznacza, że sterowanie wielkością fizyczną (np. prędkością) realizowane jest w torze zamkniętym. Schemat blokowy typowego serwomechanizmu położenia liniowego przedstawia rys. 1.
Rys. 1. Schemat blokowy typowego serwomechanizmu położenia:
Xrz położenie rzeczywiste, X*rz sygnał z czujnika położenia,
Xzad zadane położenie, uchyb położenia ( = Xzad X*rz),
Charakterystyczną cechą serwomechanizmów jest to, że działają w układach gdzie sygnał wartości zadanej Xzad(t) zmienia się w czasie. Zadaniem serwonapędu jest zatem
„odtworzenie” trajektorii określonej przez Xzad(t) na swoim wyjściu, czyli w sygnale Xrz(t).
Stąd serwomechanizmy zalicza się do kategorii układów regulacji nadążnej (lub programowej, jeżeli Xzad(t) jest z góry znana – np. zadana trajektoria posuwu w obrabiarce
CNC). Klasycznym przykładem serwomechanizmów są układy napędowe posuwów osi obrabiarek sterowanych komputerowo (numerycznie) oraz układy napędowe osi manipulatorów (robotów) naśladujących ludzkie ramię.
Element wykonawczy (silnik)
Najczęściej elementem wykonawczym serwomechanizmów jest silnik elektryczny, ale buduje się także serwonapędy z napędem hydraulicznym (siłownik lub silnik hydrauliczny) bądź pneumatycznym (rzadziej).
W serwonepędach elektrycznych stosuje się następujące rodzaje silników:
synchroniczne trójfazowe z magnesami stałymi ang. PMSM (napędy o średniej i dużej mocy),
indukcyjne prądu przemiennego ang. AC motor (napędy o średniej i dużej mocy), komutatorowe prądu stałego ang. DC motor (małe moce),
liniowe (małe moce).
Budowane są także układy pozycjonujące z elektrycznymi silnikami krokowymi (inaczej skokowymi) lecz z reguły są w nich stosowane układy sterowania w torze otwartym i dlatego nie powinny być nazywane serwomechanizmami.
W serwomechanizmach pozycjonujących od elementu wykonawczego (silnika) wymaga się zdolności do osiągania wysokich przyspieszeń (kątowych lub liniowych), co uzyskuje się przez zwiększanie stosunku generowanego momentu obrotowego do momentu bezwładności wirnika. Dzięki temu serwonapęd może odtwarzać z mniejszym błędem gwałtowne zmiany wartości zadanej położenia (np. gwałtowne zatrzymanie lub zmiana kierunku ruchu).
Element pomiarowy
W serwomechanizmach położenia, tj. w układach pozycjonujących, w roli elementu pomiarowego EP (rys. 1.) w torze sprzężenia zwrotnego stosuje się najczęściej enkodery inkrementalne (przyrostowe). Są to przetworniki pomiarowe drogi kątowej (rzadziej w ruchu
postępowym) dostarczające informacji jedynie o zmianie położenia (przyroście drogi) a nie o bezwzględnej pozycji (kątowej albo liniowej). Innymi słowy, przetworniki te dostarczają informacji o drodze przebytej względem punktu odniesienia (zerowego) z tym, że informacja o położeniu serwomechanizmu odpowiadającemu pozycji zerowej musi być pozyskana z innego sensora (przetwornika) położenia bezwzględnego.
Potencjalnie najmniejszy błąd pomiaru zapewnia sprzężenie mechaniczne enkodera z końcowym elementem w układzie kinematycznym przeniesienia napędu – np. z saniami suportowymi tokarki sterowanej numerycznie. Jednak takie rozwiązanie wymaga stosowania enkoderów liniowych o bardzo dużej rozdzielczości pomiarowej (mikrometr lub mniej). O wiele łatwiej i taniej jest zastosować enkoder obrotowy napędzany od śruby pociągowej suportu albo bezpośrednio od wału silnika serwonapędu. Niestety, rozwiązania te cechuje większy błąd pomiaru położenia wynikający głównie z istnienia luzów w elementach przeniesienia napędu, tj. w zespole śruba-nakrętka, łożysku oporowym śruby oraz w przekładni redukcyjnej (jeśli występuje).
Stosowane współcześnie enkodery inkrementalne, zarówno położenia kątowego jak i liniowego, dostarczają informacji o przemieszczeniu względnym zakodowanej pod postacią dwóch sygnałów binarnych ozn. A oraz B. Jest to tzw. wyjście dwufazowe lub kwadraturowe. Umieszczona na wale enkodera tarcza sygnałowa z naniesionymi znakami obracając się przecina promienie dwóch fotokomórek generując dwa sygnały prostokątne A oraz B przesunięte w fazie o ¼ okresu (rys.2.). Częstość zmian obu sygnałów jest proporcjonalna do prędkości obrotowej, a kolejność pojawiania się w czasie zboczy sygnałów A i B koduje kierunek wirowania enkodera. Specjalny układ dekodera sumuje kolejne zbocza sygnałów A oraz B z uwzględnieniem znaku (+/) w zależności od kierunku obrotów. Wynikiem pomiaru jest ilość (suma) elementarnych przemieszczeń wynikających z rozdzielczości znaków na tarczy sygnałowej – tzw. kroków, jakie przebył wał enkodera od położenia początkowego.
Rys. 2. Schemat budowy enkodera inkrementalnego drogi kątowej oraz przykład przebiegów sygnałów wyjściowych A i B z enkodera w trakcie obrotów w kierunku dodatnim oraz przeciwnym.
Regulator. Serwosterownik
O jakości pracy serwonapędu decyduje blok regulatora R (rys.1.) a mówiąc ściślej algorytm sterowania przez niego realizowany. W najprostszych serwomechanizmach stosuje się klasyczny algorytm PID (proporcjonalnocałkującoróżniczkujący). Zbudowanie serwomechanizmu cechującego się dobrą jakością regulacji (tj. zdolnością do odtwarzania zadanej trajektorii z możliwie małym błędem) wymaga precyzyjnego dostrojenia parametrów algorytmu do właściwości dynamicznych silnika, układu przeniesienia napędu oraz obiektu z którym serwonapęd wchodzi w interakcje (np. masa przemieszczanego elementu). Zadanie bardzo komplikuje się w przypadku, gdy właściwości obiektu zmieniają się w czasie (np. manipulowanie elementami o różnej masie).
Obecnie znakomita większość regulatorów serwonapędów realizowana jest przez układy mikroprocesorowe. W budowie serwonapędów elektrycznych stosuje się tzw. serwosterowniki, tj. specjalizowane układy elektroniczne integrujące w sobie kilka elementów składowych serwomechanizmu:
blok regulatora wraz z węzłem sumacyjnym, dekoder sygnałów z enkodera inkrementalnego, stopień wyjściowy mocy (wzmacniacz),
układy pomocnicze – np. zasilacz enkodera, układy monitorujące obciążenie (prąd) silnika i zabezpieczające go przez przeciążeniem, algorytmy samodostrajania algorytmu regulatora.
Do cyfrowych serwosterowników położenia informację o wartości zadanej dostarcza się pod postacią dwóch sygnałów binarnych STEP oraz DIR (z ang. KROK oraz KIERUNEK) rys. 3. Każde narastające (albo opadające – w zależności od konwencji) zbocze sygnału STEP koduje zmianę pozycji zadanej o elementarną jednostkę – tzw. krok. Kierunek żądanej zmiany pozycji (w kierunku dodatnim albo ujemnym) koduje sygnał kierunku DIR.
Rys. 3. Uproszczony schemat blokowy serwonapędu:
STEP sygnał zadany przemieszczenia (liczba kroków elementarnych), DIR sygnał zadany kierunku (zwrotu) przemieszczenia,
u(t) sygnał sterujący (napięcie w zakresie 24V +24V), EW element wykonawczy (silnik prądu stałego),
ω(t) prędkość kątowa silnika,
PP przetwornik pomiarowy enkoder inkrementalny,
A, B sygnały wyjściowe z enkodera (sygnały prostokątne przesunięte w fazie o 90°).
III. Pytania kontrolne
1. Narysować schemat blokowy i objaśnić działanie serwomechanizmu (serwonapędu). 2. Omówić budowę i zasadę działania obrotowego enkodera inkrementalnego z wyjściem
kwadraturowym (dwufazowym A/B).
3. Wyjaśnić sposób kodowania wartości zadanej pozycji przy pomocy pary sygnałów binarnych: STEP/DIR.
IV. Stanowisko ćwiczeniowe
Widok stanowiska ćwiczeniowego przedstawiono na rys. A1. Jego głównym elementem jest modelowy serwonapęd położenia liniowego z serwosilnikiem prądu stałego oraz z układem przeniesienia napędu złożonego z przekładni pasowej synchronicznej oraz śruby pociągowej z gwintem trapezowym wraz z nakrętką. Pracą serwosilnika steruje mikroprocesorowy serwosterownik DG4S-08020. Schemat blokowy serwomechanizmu przedstawiono na rys. A2.
Sposób przeniesienia napędu zastosowany w serwonapędzie jest typowy dla układów posuwów osi obrabiarek sterowanych numerycznie (frezarek, tokarek, wycinarek plazmowych, ploterów).
Zadane trajektorie ruchów dla serwonapędu generuje komputer PC wyposażony w oprogramowanie Mach2 posiadające m.in. interpreter Gkodów (języka programowania obrabiarek sterowanych numerycznie).
Rys. A1. Schemat budowy oraz wygląd modelowego serwonapędu położenia: 1-rama, 2-prowadnice, 3-wózek z rolkami, 4-śruba pociągowa, 5-serwosilnik, 6-przekładnia pasowa synchroniczna,
Rys. A2. Schemat blokowy serwomechanizmu na stanowisku ćwiczeniowym:
x0(t) wartość zadana położenia liniowego [mm],
np przełożenie zespołu przekładni [krok/mm],
0(t) wartość zadana położenia kątowego wału silnika [krok],
e(t) sygnał uchybu [krok],
R regulator (podprogram serwosterownika DG4S-08020),
u(t) sygnał sterujący (napięcie 24V +24V będące wartością średnią sygnału
prostokątnego o zmiennym współczyniku wypełnieniu),
EW element wykonawczy silnik prądu stałego,
(t) prędkość kątowa silnika,
PP przetwornik pomiarowy enkoder inkrementalny,
1(t) sygnał prędkości (sygnał kwadraturowy),
integrator (sumator impulsów przemieszczenia),
1(t) zmierzone położenie kątowe wału silnika [krok],
x(t) rzeczywiste położenie serwomechanizmu (wózka) [mm].
W pliku Instrukcja R2_Zał1 Serwosterownik DGxS Instrukcja.pdf znajduje się instrukcja montażu i użytkowania serwosterownika DG2S (zgodnego z modelem DG4S użytym na stanowisku ćwiczeniowym). Zaleca się lekturę tego dokumentu.
V. Przebieg ćwiczenia
UWAGA!!!
POMIMO ZASTOSOWANIA SILNIKA MAŁEJ MOCY
(OK. 60W) SIŁA POCIĄGOWA NAPĘDZAJĄCA WÓZEK OSIĄGA
KILKASET NIUTONÓW. ISTNIEJE ZAGROŻENIE USZKODZENIA
CIAŁA!
NIE
ZBLIŻAJ
DŁONI
DO
PORUSZAJĄCEGO
SIĘ
SERWOMECHANIZMU!
UWAGA!!!
W PRZYPADKU ZAGROŻENIA ODŁĄCZ ZASILANIE
SERWONAPĘDU PRZEZ WCIŚNIĘCIE CZERWONEGO PRZYCISKU
ZATRZYMANIA AWARYJNEGO (tzw. GRZYBKA)!
1. Przygotowanie stanowiska, zapoznanie z jego budową i identyfikacja głównych elementów napędu.
1.1. Zidentyfikuj i wskaż na stanowisku ćwiczeniowym jego podstawowe części składowe: serwosilnik prądu stałego,
enkoder położenia wału silnika (jego obudowę), przekładnię pasową synchroniczną,
śrubę pociągową oraz nakrętki,
wózek na prowadnicach (model stołu lub suportu obrabiarki),
wyłączniki krańcowe osi oraz wyłącznik bazujący (ustalający położenie x=0), serwosterownik,
przycisk RESET serwosterownika.
1.2. Włącz komputer i z katalogu SERWONAPĘD DC na pulpicie uruchom program
Mach2Mill.
2. Bazowanie serwonapędu. Podstawowy test działania.
2.1. W oknie programu Mach2 u dołu ekranu kliknij przycisk Manual (z ang. ręczne sterowanie).
2.2. Jeżeli miga kontrolka nad przyciskiem RESET – zresetuj błąd pracy serwonapędu klikając przycisk RESET.
2.3. Po każdym włączeniu zasilania serwonapędu lub po wystąpieniu zakłócenia wymagającego użycia przycisku RESET w oknie programu Mach2 NALEŻY BEZWZGLĘDNIE WYKONAĆ PROCEDURĘ BAZOWANIA OSI – czyli najazdu na czujnik określający położenie zera bezwzględnego: x = 0 (element nr 8 na rys. A1.). W celu rozpoczęcia bazowania kliknij Ref All „Home” (z ang. wszystkie osie do pozycji bazowej). Obserwuj działanie napędu w trakcie bazowania (możesz powtórzyć procedurę kilkukrotnie).
2.4. Kliknij przycisk Program Run (z ang. wykonanie programu). Z menu File wybierz Load G-Code, a następnie plik:
Pulpit\SERWONAPĘD DC\CNC Śruba – DEMO.
Plik zawiera zestaw komend języka G - przykład demonstrujący możliwości pracy serwonapędu (w jednej osi X).
2.5. Uruchom wykonywanie załadowanego „programu obróbki” klikając przycisk Cycle Start. Obserwuj działanie napędu oraz ekran komputera (komendy G-kodu, współrzędną X, prędkość napędu). Powtórz demonstrację.
3. Sterowanie manualne napędem
Zadaną pozycję dla serwomechanizmu można określać za pomocą klawiatury komputera (tryb posuwu manualnego).
3.1. Kliknij przycisk Manual. W prawym górnym rogu ekranu nastaw prędkość napędu dla manewrowania ręcznego Slow Jog Rate – nastaw na 30% prędkości maksymalnej.
3.2. Przyciskiem Jog Mode wybierz tryb posuwu Cont. (z ang. Continous – ciągły). Włącz tryb posuwu manualnego Jog ON/OFF. Przyciski kursorów klawiatury komputera ← oraz → umożliwiają manualne sterowanie położeniem osi X. Przetestuj pracę napędu, obserwuj ekran komputera. W polu Units/Min wyświetlana jest aktualna prędkość napędu w [mm/min].
UWAGA! Dojazd wózka do wyłącznika krańcowego osi X (lewego lub prawego) skutkuje wstrzymaniem pracy napędu i zasygnalizowaniem błędu. W takim przypadku kliknij RESET po czym wykonaj procedurę bazowania (przycisk Ref All ”Home”).
3.3. Zmieniaj zadaną prędkość posuwu manualnego w granicach 1÷100% prędkości maksymalnej. Przetestuj pracę napędu.
3.4. Przyciskiem Jog Mode wybierz tryb posuwu Step (z ang. Step – krokowy, skokowy). Liczba powyżej określa długość pojedynczego kroku (przemieszczenia) w [mm]. Przetestuj pracę napędu w trybie pracy skokowej.
4. Rozdzielczość pozycjonowania
4.1. Na podstawie poniższych parametrów serwonapędu oblicz maksymalną do uzyskania rozdzielczość pomiaru pozycji wózka dx[mm] (UWAGA! Pośredni pomiar przemieszczenia liniowego – enkoder drogi kątowej jest napędzany od wału serwosilnika).
Ilość znaczników tarczy sygnałowej enkodera na wale serwosilnika: 200 Liczba zębów na kole napędzającym: 10
Liczba zębów koła napędzanego: 24 Skok śruby: 4mm (średnica 18mm)
Wskazówka: W trakcie obrotu wału enkodera o kąt odpowiadający odległości pomiędzy sąsiednimi znacznikami tarczy sygnałowej generowane są w sumie 4 zbocza sygnałów wyjściowych A i B enkodera (rys. 2.) czyli 4 rozróżnialne pozycje. Obliczenia i wynik zapisz w sprawozdaniu.
5. Siła pociągowa serwomechanizmu
5.1. Znając nominalny moment obrotowy na wale serwosilnika MS = 0.15Nm
oszacuj nominalną siłę pociągową działającą na wózek.
Wskazówka: Zapisz równanie bilansu energetycznego (lub mocy) całego układu przeniesienia napędu z wału silnika na wózek. Przyjmij następujące wartości sprawności energetycznej mechanizmów:
Przekładnia pasowa synchroniczna: P 0.93
Zespół śruba–nakrętka (gwint Tr. 18x4, stal–brąz na sucho): S 0.50
Łożysko oporowe śruby pociągowej: L 0.95
Obliczenia i wynik zapisz w sprawozdaniu.
6. Monitorowanie sygnałów wyjściowych enkodera dwufazowego
6.1. Używając dwukanałowego oscyloskopu cyfrowego zarejestruj przebiegi czasowe sygnałów wyjściowych A oraz B z enkodera na wale silnika. Podłącz sondy do złącza enkodera umieszczonego nad serwosilnikiem (rys. A3.) (GND –
masa obu sygnałów). Pomiary wykonaj niezależnie dla obrotów w prawo oraz w lewo. Zmieniaj także prędkość obrotową serwosilnika (wykorzystaj tryb posuwu manualnego w programie Mach2).
Wskazówka: Sygnały wyjściowe A, B enkodera są zgodne ze standardem elektrycznym TTL (mają amplitudę ok. 5V). Sprawdź także czy sondy oscyloskopu mają wbudowany dzielnik napięcia i dobierz właściwie czułość wejść [V/dz].
Wskazówka: Akywuj przyciskiem STORAGE pamięć cyfrową oscyloskopu. Przyciskiem HOLD możesz „zamrozić”/„odmrozić” zarejestrowany przebieg na ekranie.
6.2. Przerysuj wybrane przebiegi – jeden dla obrotów w prawo, drugi dla obrotów w lewo. O czym może świadczyć „niestabilność” okresu przebiegów prostokątnych? Swoją odpowiedź skonsultuj z nauczycielem.
Rys. A3. Widok złącza enkodera.
7. Monitorowane pracy serwosterownika
7.1. Uruchom program narzędziowy do serwosterownika DG4S-08020: Pulpit\SERWONAPĘD DC\Servoconfig3
7.2. Na zakładce Connection (rys. A4.) wybierz język: polski. Kliknij Sprawdź listę urządzeń. Na liście Urządzenia podłączone do PC kliknij widoczny numer
seryjny serwosterownika na stanowisku ćwiczeniowym. Kliknij Połącz z urządzeniem.
7.3. Przejdź do zakładki Odchyłki pozycji.
7.4. Zaznacz pole Okno zawsze na wierzchu oraz ustaw zakres osi pionowej Skaluj wykres na 100 jednostek – kroków elementarnych enkodera. Pamiętaj o zatwierdzeniu przyciskiem OK.
7.5. Wykres w oknie Odchyłki pozycji przedstawia na bieżąco przebieg wartości błędu pozycjonowania serwomechanizmu e(t). Używając gałki pokrętła zamocowanego na lewym końcu śruby pociągowej spróbuj ją obracać. Obserwuj reakcję serwomechanizmu oraz wykres błędu pozycjonowania.
7.6. Kliknij w okno programu Mach2 a następnie zmieniaj pozycję wózka w trybie posuwu manualnego. Obserwuj przebieg błędu pozycjonowania dla różnych prędkości w obu kierunkach. Zanotuj maksymalną wartość uchybu podczas ruchu ze stałymi prędkościami: 20%, 40%, 60%, 80%, 100%. Przelicz uchyb także na błąd pozycjonowania wózka (w milimetrach).
7.7. Na podstawie rezultatów zadania 7.5. określ (przedyskutuj) stopień astatyzmu układu regulacji położenia liniowego. Swoją odpowiedź skonsultuj z nauczycielem.
8. Odpowiedź skokowa serwomechanizmu
8.1. W oknie programu Servoconfigurator3 przejdź na zakładkę PID tuning umożliwiającą nastawę podstawowych parametrów pracy serwomechanizmu (rys. A5.). Zmiana wartości parametrów na tej zakładce pozwala na dopasowanie sposobu działania sterownika (algorytmu regulacji pozycji) do właściwości dynamicznych konkretnego napędu.
8.2. Wpisz w polu obok przycisku Obróć o kroków liczbę 400 określającą żądaną amplitudę (w krokach elementarnych enkodera) skokowej zmiany pozycji:
x0(t) = 400*1(t), gdzie 1(t) jest skokiem jednostkowym. Przemieszczenie o 400
kroków elementarnych odpowiada obrotowi wału silnika o 180 stopni.
8.3. Kliknij przycisk Analiza. Na wykresie poniżej zobaczysz odpowiedź serwomechanizmu na skokową zmianę wartości zadanej a konkretnie wykres uchybu położenia e(t).
8.4. Jak oceniasz widoczną odpowiedź skokową (w kontekście jakości regulacji)? Czy możliwe jest w praktyce zbudowanie serwomechanizmu, którego odpowiedź skokowa e(t) byłaby także funkcją skokową? Swoje odpowiedzi skonsultuj z nauczycielem.
Rys. A5. Widok okna programu Servoconfigurator3 służącego do strojenia algorytmu regulatora serwosterownika.
9. Strojenie algorytmu regulatora serwosterownika
9.1. W zakładce PID tuning wpisz wartości 0 dla wszystkich czterech parametrów algorytmu regulatora Ap, Ad, Ai, Li (Ai może zostać = 1).
9.2. Dobierz nastawy algorytmu regulatora:
Ap – współczynnik wzmocnienia członu proporcjonalnego (0...20000), Ad – współczynnik wzmocnienia członu różniczkującego (0...65000), Ai – współczynnik wzmocnienia członu całkującego (1...500),
Li – ograniczenie wartości całki członu proporcjonalnego (0...60000),
tak aby serwomechanizm osiągał wartość zadaną w jak najkrótszym czasie i z minimalnym przeregulowaniem. Jednocześnie układ regulacji położenia powinien być stabilny tzn. nie może wpadać w niegasnące oscylacje położenia (ciągłe „drżenie” wału silnika).
Wskazówka 1: Po zmianie wartości parametrów kilknij Zapisz.
Wskazówka 2: Jeżeli wał silnika wpadnie w silne drgania to wciśnij grzybek wyłącznika awaryjnego a następnie zmodyfikuj nastawy regulatora.
Wskazówka 3: Do wstępnego doboru wartości współczynnika wzmocnienia członu proporcjonalnego Ap wykorzystaj metodę Ziegler’a-Nicholse’a.
