Bezszczotkowe silniki ze zintegrowanym sterownikiem

Napędy, takie jak opisane powyżej, zostaną opisane na przykładzie bezszczotkowych silników prądu stałego BG 65x firmy Alcatel Dunkermotoren. Wszystkie silniki tego typu mają wbudowany interfejs komunikacyjny CAN i mogą być obsługiwane przez odpowiednie oprogramowanie, które pozwala na wprowadzanie danych z komputera osobistego. Możliwe jest dokonywanie zmian parametrów w trzech trybach pracy kontroli pozycji, regulacji prędkości i regulacji prądu. Z kolei sterowanie odbywa się z wykorzystaniem pięciu wejść i dwóch wyjść cyfrowych, które zapewniają istnienie sprzężenia zwrotnego. Dwa z pięciu wejść mogą być również skonfigurowane jako wejścia analogowe 0...10V_DC. Umożliwia to podłączenie potencjometru jako układu regulacji prędkości silnika.

W omawianych silnikach zintegrowano także inkrementalne przetworniki obrotowo-impulsowe o rozdzielczości 2000 impulsów na obrót. Pozwala to na uzyskanie dosyć wysokiej precyzji pozycjonowania. Tryb ustawiania pozycji umożliwia wybranie do 6 pozycji do których silnik będzie się kolejno przemieszczał. Możliwe jest także wprowadzanie sekwencji parametrów, takich jak pozycja, prędkość, przyspieszenie lub prąd.

Kwestie implementacji

W niektórych aplikacjach konieczne jest użycie reduktora, którego wyprowadzona oś jest przesuniętą o 90° w stosunku do osi silnika. Rozwiązaniem jest tutaj zastosowanie przekładni ślimakowej. Przekładnie te mają przełożenia od 5:1 do 80:1 i maksymalny moment w zakresie ciągłym do 1500Ncm. Dla uzyskania wysokiej wartości momentu przy redukcji obrotów i zachowaniu kompaktowych wymiarów obudowy produkowane są również przekładnie planetarne. W zakresie przełożeń od 3:1 do 512:1 można osiągnąć na wale wyjściowym moment ciągły do 6000Ncm. Silniki BLDC mogą być wyposażone dodatkowo w hamulec działający przy odcięciu napięcia lub przy jego podaniu.

Omawiany silnik BG 65 PI ma wyprowadzone dwa rodzaje złączy. Pierwsze jest gniazdem12-stykowym do którego podłącza się wtyczki kątowe z kablem o długości od 1,5m do 10m. Kabel jest z jednej strony zakończony wtyczką, natomiast z drugiej ma on dwa przewody zasilające silnik, pięć przewodów dla cyfrowych sygnałów wejściowych, dwa dla cyfrowych sygnałów wyjściowych oraz jeden przewód poprzez który podaje się napięcie zasilające logikę regulatora. Napięcie zasilania wynosi 24V_DC.

Rys. 2. Zdjęcie miCan-Stick

Oprogramowanie sterujące

Po podłączeniu silnika do komputera na ekranie powinny zostać wyświetlone informacje dotyczące aktualnych parametrów używanego sprzętu. Tryby konfigurowanych operacji są zobrazowane w drzewiastej strukturze, w oknie startowym pojawia się również przycisk bezpieczeństwa, którego użycie powoduje natychmiastowe zatrzymanie wirnika. Wyświetlane są również aktualne informacje na temat pracy silnika. Są one odczytywane i wizualizowane na ekranie w czasie rzeczywistym. Można tam znaleźć takie parametry jak aktualna prędkość, temperatura obudowy, czy też napięcie zasilania. Należy pamiętać, że napięcie zasilania silnika nie zostanie załączone przed nawiązaniem połączenia z komputerem.

Tryby pracy

Po uruchomieniu oprogramowania do dyspozycji jest siedem trybów pracy. Zostały one podzielone na trzy grupy, w których odpowiednio można dokonywać regulacji pozycji, prędkości lub wartości prądu. Poniżej przedstawiono krótki opis charakteryzujący wszystkie z nich.

Standardowy moduł pozycjonowania umożliwia wybór kierunku i prędkości obrotów silnika. Użytkownik musi również zdecydować, czy serwomotor po zatrzymaniu się i w trakcie rozruchu ma być zasilany. Osoba używająca oprogramowania definiuje wartości prądu w trakcie pracy ciągłej oraz wartość prądu szczytowego. Program umożliwia także zaprogramowanie czasu przyspieszania oraz zwalniania rotora (wartości podaje się w ms*min./obr.). Jedną z ważniejszych zalet tego trybu jest zdefiniowanie sześciu pozycji silnika, które po wczytaniu programu będą wybierane przez odpowiednią kombinację wejść cyfrowych.

W krokowym trybie pozycjonowania napęd zachowuje się jak silnik krokowy. Pozycja osi zmienia się wykonując za każdym razem skok o tę samą wartość kąta w jednym lub drugim kierunku. Pozycję definiuje się zatem wprowadzając liczbę skoków, które mają być wykonane.

W trybie pozycjonowania lewo-prawo definiuje się dwa położenia wału silnika, które po przesłaniu programu do regulatora wykonywane są po ustawieniu odpowiednich kombinacji wejść cyfrowych.

W trybie pozycjonowania Modulo istnieje sposobność określenia czternastu pozycji rotora, które wybierane są za pomocą odpowiednich wejść cyfrowych. Silnik ma możliwość pracy w dwóch kierunkach. Dotarcie z jednej pozycji do drugiej odbywa się zawsze po najkrótszej drodze. Regulator wybiera kierunek obrotu tak, aby dotrzeć do punktu docelowego w jak najkrótszym czasie. W powyższych modułach zmienia się tylko sposób pozycjonowania osi wyjściowej. Pozostałe parametry definiuje się w każdym z przypadków tak samo, jak zostało to przedstawione na początku.

W trybie standardowym prędkości najpierw należy zdecydować czy chce się regulować prędkość za pomocą wejścia analogowego czy wejść cyfrowych. Przy użyciu wejść binarnych należy ustalić 3 prędkości, które będą następnie obieralne przez odpowiedni kod. Należy w tym module określić wartości definiujące rampę oraz prądy silnika.

W trybie Multi prędkości definiuje się osiem różnych prędkości, które dalej są wybierane poprzez podanie zer lub jedynek logicznych na wejścia. Pozostałe parametry ustawia się tak samo jak w przypadku standardowej regulacji prędkości. Istnieją jeszcze dwa tryby kontroli prądu i momentu w silniku. Ich działanie jest analogiczne do trybów prędkościowych. Zmienia się jedynie parametr z prędkości na prąd. Do dyspozycji mamy również tryb standardowy oraz Multi.

W przypadku wszystkich opisanych modułów konfigurowalnych na ich wyjściach cyfrowych podawane są informacje na temat ruchu silnika oraz sygnał wystąpienia ewentualnego błędu elektroniki sterującej.

Podsumowanie

Niewielkie napędy ze zintegrowanymi funkcjami sterującymi zapewniają wysoki komfort pracy i upraszczają instalację. Umożliwiają one również rezygnację z przyłączania zewnętrznych regulatorów, a modularna konstrukcja przyczyna się do tym większej redukcji kosztów ich wykorzystania.

Piotr Augustynek