Уникально и просто — сервопривод CMMO-ST от Festo

Алгоритм ServoLight

Электроприводы на базе шаговых двигателей традиционно являются одними из самых недорогих. Однако для самого простого решения (работа в разомкнутом контуре с поочередным переключением обмоток) характерен ряд существенных недостатков, таких как: пропуск шагов при превышении крутящего момента, высокое потребление энергии, а также резонансные эффекты (вибрация на определенных частотах вращения). Из-за этого приходится существенно ограничивать применение таких систем.

Для освобождения шаговых двигателей от этих недостатков был разработан специальный алгоритм управления — Servolight, за основу которого взята традиционная для сервоприводов система подчиненного регулирования. Базовый контур является контуром тока. По сигналам от датчика тока в обмотке регулируется ток, а сигнал задания поступает от верхнего контура. Таким образом можно управлять ускорением и/или усилием. Следующим является контур скорости. Сигнал обратной связи от энкодера поступает в систему управления, и на его основании можно вычислить скорость и положение ротора двигателя, а данные о текущей скорости использовать для ее регулирования. Контур положения на основании данных о текущем положении ротора осуществляет регулирование текущей позиции и выдает задание на контур скорости. На рис. 1 представлено схематичное изображение алгоритма управления Servolight.

Рис. 1. Алгоритм управления Servolight

Система управления с обратной связью по положению позволяет исключить пропуски шагов, поскольку в случае пропуска шага энкодер даст обратную связь об отличии текущего положения от заданного, и, когда превышение крутящего момента исчезнет, двигатель «дойдет» до заданной позиции.

Для реализации системы подчиненного регулирования шаговым двигателем необходимо привести модель шагового двигателя к модели двигателя постоянного тока, что удается сделать с помощью частотно-токового управления, традиционного для синхронных сервоприводов. Мгновенное значение тока в каждой из обмоток задается в соответствии с текущим положением ротора для максимизации крутящего момента. При этом генерируется синусоидальная форма тока при частоте заполнения 50 кГц. Для обычных шаговых двигателей частота переключения тока в обмотке меняется с изменением скорости, что приводит к ярким проявлениям резонанса, в то время как решение с фиксированной частотой позволяет существенно снизить вибрации и резонансные явления. А вкупе с замкнутым регулированием тока в обмотках алгоритм Servolight позволяет существенно оптимизировать энергопотребление, поскольку в традиционных шаговых двигателях полный ток подается в обмотки, даже если нагрузка не требует такой мощности.

Таким образом, алгоритм Servolight избавляет шаговый привод от основных недостатков: пропуска шагов и высокого энергопотребления.

Встроенный генератор траекторий движения

Традиционным способом управления шаговыми приводами и простейшими сервоприводами является импульсное управление типа STEP/DIR (Направление/Шаг), при котором частота переключения обмоток в двигателе напрямую связана с частотой следования импульсов STEP. Такой способ предъявляет определенные требования к контроллеру управления движением (верхнего уровня): разгонно-тормозные характеристики (т. е. ускорение, скорость, ограничение рывка) должны задаваться с помощью данного контроллера, поэтому он должен иметь специализированные «быстрые» выходы (до 200 кГц), а также возможность менять частоту в реальном времени.

Если генератор траектории находится в контроллере двигателя, то характеристики движения или забиты в память контроллера двигателя, или передаются по сети в виде значений (положение, скорость, ускорение и т. д.), а управление движением происходит подачей сигнала «Старт» и получением сигнала «Перемещение завершено». Это позволяет упростить контроллер управления движением, а в ряде случаев также улучшить качество движения и сократить мощность двигателя.

Способы управления

Контроллер двигателя CMMO-ST может быть исполнен в двух вариантах: с управлением по логическим входам/выходам CMMO-ST-DIO и с управлением по сети CMMO-ST-LKP.

При фиксированном количестве точек позиционирования (до 31) без необходимости их изменения в процессе работы или при переналадке возможно использовать вариант исполнения CMMO-ST-DIO.

В этом варианте существует два режима работы: Valve control и Binary Control.

Valve control удобно использовать при количестве точек позиционирования не более семи. В этом режиме используется 7 входов и 7 выходов (логических). При подаче сигнала на один из входов происходит позиционирование в соответствующую точку. Когда привод заканчивает движение — выдается сигнал на соответствующем выходе о том, что позиционирование завершено. Таким образом, создается полная аналогия с работой пневмопривода: включение распределителя — перемещение, достижение заданной позиции — срабатывание концевого датчика. В этом режиме доступны функции абсолютного и относительного позиционирования в точку с заданием скорости, ускорения, а также ограничения крутящего момента. Точки записываются в память контроллера двигателя.

Binary Control — расширенный режим управления по заранее заданным точкам. В этом случае количество точек может быть увеличено до 31. Выбор точки производится пятью логическими входами бинарным кодом, т. е. подавая, например, комбинацию 00001, мы выбираем первую запись в таблице, а подавая 00111 — седьмую. Для начала перемещения необходимо подать сигнал на вход «Старт». После завершения движения выдается сигнал «Motion Complete» (перемещение завершено). В режиме Binary Control также доступно абсолютное и относительное позиционирование (Positioning Mode) с гибким определением траектории движения (позиция, скорость, ускорение, ограничение крутящего момента): появляется возможность ограничения рывка (сглаживания), введения дополнительной задержки на старт и установки упреждения по крутящему моменту. Помимо этого, возможно осуществлять управление по скорости (Velocity Mode) и крутящему моменту/усилию (Force Mode). Эти режимы актуальны для задач управления скоростью движения транспортера или управления усилием запрессовки. Дополнительно имеется возможность ручного управления (Jog Mode). Существуют задачи, при решении которых требуется перемещать упор или кронштейн визуально. В этом случае предусмотрена возможность по двум логическим входам вправо/влево вращать двигатель. Причем сначала перемещение происходит на пониженной скорости, а затем переходит на более высокую. Параметры этого движения тоже можно изменять.

И для того, и для другого режима используются одни и те же физические контакты. Назначение соответствующих входов и выходов меняется программно.

При необходимости гибко осуществлять позиционирование в процессе работы или менять характеристики движения для переналадки как нельзя лучше подойдет CMMO-ST-LKP, вариант контроллера, предназначенный для сетевого управления. В рамках управления по сети доступен как выбор точек позиционирования из памяти контроллера по таблице, так и прямое задание (Direct Control) на перемещение с указанием требуемой позиции, скорости, ускорения, ограничения крутящего момента и т. д. Все функции Binary Control при логическом управлении могут быть реализованы и по сети.

Рис. 2. Базовые сетевые возможности CMMO-ST-LKP

Встроенные интерфейсы CMMO-ST-LKP — это IO-Link, I-Port и ModbusTCP. IO-Link и ModbusTCP — это стандартные протоколы (рис. 2), а I-Port — редакция IO-Link для простого и быстрого подключения устройств от Festo. Именно через этот интерфейс происходит подключение по стандартным сетевым протоколам: ProfibusDP, Profinet, EtherCAT, DeviceNET, EthernetIP, CANopen (рис. 3) и т. д. Для этого используются дополнительные шлюзы FieldBus -> I-Port. Комплект CTEU+CAPC позволяет подключить до двух устройств I-Port, а использование электрического терминала CPX — от четырех. Также для всех электроприводов Festo разработан универсальный профиль данных FHPP (Festo Handling and Positioning Protocol), который используется для всех сетевых протоколов.

Рис. 3. Расширенные сетевые возможности CMMO-ST-LK

Технические особенности CMMO-ST: характеристики, подключение, монтаж

Электрическое подключение контроллера двигателя CMMO-ST выполняется главным образом через разъемные клеммы. Исключение составляют разъем логических входов/выходов (D-SUB) и Ethernet (RJ45). Подключение простое, наглядное и удобное (рис. 4).

Рис. 4. Электрическое подключение CMMO-ST

Механический монтаж контроллера CMMO-ST в шкафу управления может быть произведен тремя способами: фронтальный винтами, торцевой винтами и торцевой на DIN-рейку (рис. 5).

Рис. 5. Механический монтаж контроллера CMMO-ST в шкафу управления:
а) фронтальный винтами;
б) торцевой винтами;
в) торцевой на DIN-рейку

Основные технические характеристики контроллера CMMO-ST:

• Напряжение питания логики: 24 В постоянного тока (отдельно от нагрузки).
• Напряжение питания нагрузки: 24 В постоянного тока.
• Максимальный ток двигателя: 5,7 А.
• Логика переключения: PNP/NPN.
• Безопасность: STO/Sil3, Pld.
• Степень защиты: IP40.
• Габаритные размеры: 39×119×115 мм.

Шаговые двигатели EMMS-ST

Гибридные шаговые двигатели серии EMMS-ST разработаны специально для использования в задачах автоматизации и совместно с контроллером двигателя CMMO-ST образуют экономичный сервопривод для решения широкого круга задач.

Линейка двигателей EMMS-ST представлена в 4 типоразмерах фланца: 28, 42, 57, 87. Все типоразмеры двигателей могут быть подключены к контроллеру CMMO-ST. В комбинации с контроллером двигателя CMMO-ST двигатели развивают крутящий момент от 0,09 до 5 Нм.

Рис. 6. Двигатель EMMS-ST-28 с энкодером

Двигатели могут оснащаться энкодером (рис. 6) для построения замкнутой системы управления и реализации алгоритма Servolight. Также стандартной опцией является стояночный тормоз с электрическим отпусканием на постоянных магнитах (рис. 7). Эта опция незаменима для применения в подъемных механизмах без самоблокирующихся передач.

Рис. 7. Двигатель EMMS-ST-87 с энкодером и тормозом

Степень защиты двигателя соответствует классу IP54.

Традиционными спутниками всех сервоприводов являются планетарные редукторы благодаря своим компактным размерам, широкому диапазону передаточных отношений и низкому собственному моменту инерции. Сервоприводы на базе двигателей EMMS-ST не являются исключением, в линейке Festo для стыковки с двигателями предусмотрены планетарные редукторы серии EMGA (рис. 8).

Рис. 8. Планетарный редуктор EMGA

Настройка и параметризация

Настройку и параметризацию контроллера двигателя CMMO-ST можно производить двумя способами: через встроенный веб-сервер и через программу FCT (Festo Configuration Tool).

Первый способ (рис. 9) доступен для комплектных решений с актуаторами Festo семейства OMS (Optimised Motion Series — оптимизированная серия для перемещений): линейных приводов EPCO и ELGR, а также поворотного привода ERMO. В этом случае нет необходимости устанавливать программное обеспечение, обращение происходит напрямую к контроллеру CMMO-ST. Встроенный веб-сервер позволяет задавать параметры через любой веб-браузер. Сначала файл параметров загружается из «облака данных» на соответствующий актуатор (требуется подключение к Интернету), затем данные передаются в контроллер. Таким образом, базовая настройка выполнена. Для версии с логическим управлением CMMO-ST-DIO вводятся данные для реализации режима Valve Control, а для сетевой версии CMMO-ST-LKP вводятся сетевые данные (тип протокола, настройки адреса) и параметры Direct Mode. Для обеих версий есть возможность задания тестового перемещения от компьютера.

Рис. 9. Настройка через веб-браузер

Второй способ настройки, через FCT (рис. 10), позволяет реализовать более широкую функциональность контроллера CMMO-ST (например, использовать Binary Control, строить последовательности перемещений, управлять скоростью и усилием и т. д.), а также настраивать системы с двигателями, которые смонтированы с любой механикой (с любыми линейными и поворотными приводами Festo и произвольной механикой — транспортерами, ремнями, винтовыми, реечными передачами). Дистрибутив программы возможно бесплатно скачать с сайта www.festo.com.

Рис. 10. Настройка через FCT

Применение шагового сервопривода

Оснащение шагового двигателя алгоритмом Servolight позволяет использовать его в задачах, где традиционно находили применение синхронные серводвигатели. При средних требованиях по динамике и перемещаемой массе шаговый сервопривод способен справиться с задачей перемещения.

К примеру, привод поворотного стола в карусельных автоматах (диаметр стола до 700 мм). В данной задаче необходимо осуществлять позиционирование на фиксированный угол с определенной точностью. Причем часто очень важно иметь возможность регулирования разгона/торможения. Комплектный сервопривод на базе CMMO-ST и EMMS-ST со встроенными функциями позиционирования способен решить эту задачу (рис. 11).

Рис. 11. Карусельный автомат (приводы поворота стола, транспортеров, манипуляторов)

Или возьмем аналогичную первой задачу перемещения ленты транспортера в шаговом режиме. Здесь также необходимо осуществлять смещение на фиксированное значение с заданными ускорением/торможением, а также ограничением рывка. В данном случае именно рывок влияет на устойчивость объектов на транспортере (например, бутылок или вертикальных коробок).

С помощью шагового двигателя возможно решать и всевозможные транспортные задачи: небольшие непрерывные конвейеры с переменной скоростью, толкатели и лифты (с дополнительными линейными приводами), делители потоков, небольшие перекладчики. Здесь также востребованы функции позиционирования и управления скоростью.

Задачи запрессовки с контролем усилия могут быть решены стандартными средствами управления контроллера CMMO-ST.

ООО «ФЕСТО-РФ»
+7 (495) 737-34-87
sales@festo.ru
www.festo.com

Преимущества шагового сервопривода c контроллером CMMO-ST
Комплектный сервопривод на базе контроллера CMMO-ST и шагового двигателя EMMS-ST — это экономичное решение задач автоматизации, для реализации которых необходимо осуществлять позиционирование, контроль скорости или усилия.Алгоритм Servolight обеспечивает надежность перемещения без пропуска шагов, энергоэффективную работу двигателя без перегрева, а также минимальные вибрации и практически отсутствие резонансов.
Контроллер CMMO-ST предоставляет возможность простого управления через входы/выходы или более гибкого по сети. Встроенные протоколы: IO-Link и ModbusTCP. Доступные через шлюз: ProfibusDP, Profinet, EtherCAT, DeviceNET, EthernetIP, CANopen.
Компактные размеры контроллера экономят место в шкафу управления.
Простой и удобный монтаж, встроенный веб-сервер, а также библиотеки функциональных блоков сокращают время на ввод в эксплуатацию.