Aktuální vydání

celé číslo

02

2021

Systémy pro řízení vodárenských sítí a ČOV

Hladinoměry

celé číslo

Kompaktní servopohony pro široký rozsah použití

Koncept Compact Drive Technology od firmy Beckhoff přináší modularitu a odstupňovaný výkon: k dispozici jsou různé svorkové terminály pro I/O systémy s vnitřní sběrnicí K-Bus nebo svorkové terminály pro EtherCAT určené pro montáž do rozváděče (s krytím IP20), jež podporují stejnosměrné motory, krokové motory a servomotory různých výkonů. Navíc lze využít i moduly EtherCAT Box určené pro montáž mimo rozváděč, s krytím IP67, vhodné pro krokové i stejnosměrné motory. 

V kombinaci se širokou škálou motorů a převodovek umožňují I/O systémy od firmy Beckhoff vytvářet velmi kompaktní pohony: modulárně rozšiřitelné systémy k řízení polohy a pohybu podporují servomotory, krokové motory a stejnosměrné motory různých výkonů (obr. 1). Pro krokové a stejnosměrné motory jsou kromě toho k dispozici moduly EtherCAT Box s krytím IP67, které lze montovat přímo na stroj, mimo rozváděč.

Všechny pohony ze skupiny Compact Drive Technology jsou integrované do inženýrského softwaru TwinCAT od firmy Beckhoff, který výrazně usnadňuje nastavování jejich parametrů. 


Řešení pro jednodušší úlohy

U mnoha pohonů není nutné používat špičkové servomotory. Pro jednodušší úlohy, jako jsou nastavitelné osy, pohyblivé dorazy, malé dopravníky nebo polohovací mechanismy, plně postačí krokový nebo stejnosměrný motor.

Vhodnou volbou zde mohou být krokové motory řady AS1000 (obr. 2), která zahrnuje motory s přírubou o velikosti 42 až 86 mm (NEMA17, NEMA23, NEMA34) a momentem 0,4 až 5 N·m. Tyto motory jsou charakteristické robustností a velkým přidržovacím momentem. Vzhledem k integrovanému mikrokrokování je možné dosáhnout velmi dobrého polohování i bez snímače ve zpětné vazbě a požadován je jen terminál pro výkonovou elektroniku. Krokový nebo stejnosměrný motor lze provozovat také se softwarovým balíčkem TwinCAT NC PTP, který nahrazuje regulátor polohy a pohybu a řídicí systém NC a jímž lze realizovat funkce, jako jsou vačka nebo letmá pila.

 

I/O svorkové terminály pro krokové motory

Pro krokové motory jsou k dispozici různé I/O terminály: v provedení EtherCAT Terminal (EL7031, EL7041) nebo EtherCAT Box (EP7041; obr. 3). Terminály EL7031 jsou výhradně určeny pro napájení 24 V DC. Proud motoru může dosáhnout 1,5 A. Naproti tomu EL7041 pokrývají napájení 8 až 50 V DC (navíc vyžadují pomocné napájení 24 V prostřednictvím výkonových kontaktů). Proud motorem lze nastavit na 1 až 5 A. Modul EP7041 umožňuje připojení krokových motorů do 50 V DC a 5 A.

 

Řešení pro velkou přesnost a dynamiku

Nevýhodou krokových motorů je nebezpečí ztráty kroku při přetížení. V kombinaci s inkrementálním snímačem polohy je však lze použít i při požadavku na velkou přesnost regulace pohybu. Obvody pro vyhodnocení signálu z inkrementálního snímače jsou integrovány v terminálech EL7041 s výstupem 50 V DC. Modul EP7041 s vestavěným připojením inkrementálního snímače umožňuje realizovat jednoduchou servoosu v kompaktním modulu s krytím IP67 (obr. 3).

Další nevýhody typických krokových motorů ale už tak snadno odstranit nelze: ve srovnání s jinými motory mají horší dynamické chování, nižší účinnost a omezenou rychlost. Pro vyšší požadavky proto Beckhoff nabízí jiné řešení: kombinaci EtherCAT Terminal EL7201 se servomotory řady AM8100. Je to pravděpodobně nejmenší a nejkompaktnější víceosý servosystém.

 

Servomotory řady AM8100

Pro vytvoření plnohodnotné servoosy z hlediska dynamiky, přesnosti, energetické účinnosti a robustnosti jsou vhodné terminály EL7201 a EL7211 v kombinaci se servomotory řady AM8100 (obr. 4). Tam, kde je třeba šetřit místem, jsou vhodné servomotory AM811x s čtvercovou přírubou o velikosti jen 40 mm. Při výkonu 80 až 170 W lze u takto malého motoru dosáhnout jmenovitého momentu až 0,52 N·m. Motor má integrovaný osmnáctibitový absolutní snímač polohy (volitelně víceotáčkový), umožňující splnit vysoké požadavky na přesnost, a elektronický typový štítek, který usnadňuje uvedení do provozu. Díky absolutnímu snímači není nutné najíždění do referenční polohy ani vybavení dodatečnými koncovými spínači, což šetří čas i náklady. Jednokabelové připojení OCT (One Cable Technology) výrazně snižuje náklady na kabeláž, protože není třeba žádný zvláštní kabel pro zpětnou vazbu, stačí jen jeden šestižilový kabel.

 

I/O svorkové terminály pro servomotory

Svorkové terminály EL7201, EL7211, EL7201-0010 a EL7211-0010 umožňují přímé řízení servomotorů AM8100. Je možné k nim připojit také brzdu nebo resolver, a celek tedy vytváří plně funkční servopohon. Jako software pro parametrizaci se doporučuje softwarový nástroj TwinCAT NC PTP, dovolující mimo jiné synchronizaci os. Terminály EL7201 a EL7211 podporují zpětnou vazbu s resolverem, EL7201-0010 a EL7211--0010 s absolutním snímačem polohy.

 

Svorkové terminály EtherCAT pro servomotory

Servomotory vynikají v úlohách, kde jsou požadovány vysoká dynamika a velká přesnost. Velké přesnosti polohování lze dosáhnout integrovanou zpětnou vazbou. Servomotory mají také velkou účinnost a schopnost zrychlení a jsou odolné proti přetížení. Jejich chování z hlediska dynamiky je proto lepší než např. u krokových motorů. Točivý moment je nezávislý na zatížení a nesnižuje se ani při vysokých otáčkách. A další výhodou je, že servopohony vyžadují jen minimální údržbu. Výborná dynamika usnadňuje synchronizaci několika os ve víceosých mechanismech.

Svorkové terminály EL72x1 a EL72x1-0010 s šířkou 12 nebo 24 mm umožňují připojit brzdu nebo snímač polohy a vytvořit v jednom modulu plně funkční servopohon. Pro vysoce dynamické úlohy řízení polohy a pohybu jsou k dispozici vektorové řízení a algoritmy PI regulace. Monitorována jsou důležitá kritéria přetížení, jako je přepětí a podpětí, nadproud, teplota terminálu a zatížení motoru počítané podle modelu I2T. To uživatelům pomáhá zvýšit spolehlivost provozu pohonu. Zatímco terminály EL72x1 podporují zpětnou vazbu s resolverem, EL72x1-0010 dovolují využít absolutní snímač polohy. Signál ze snímačů je přenášen společným kabelem motoru (OCT). Terminály EL7211 a EL2711-00010 jsou charakteristické zvětšeným proudem 4,5 ARMS.

Terminály EL72x1 a EL72x1-0010 jsou kompletně integrovány do sítě terminálů EtherCAT, a není proto třeba separátní připojení k řídicímu systému; to výrazně snižuje požadavky na prostor zástavby. Připojení E-bus dává uživatelům možnost využít všechny známé funkce a rysy komunikačního systému EtherCAT – zvláště krátké doby cyklu, malý rozptyl (jitter) a jednoduchou diagnostiku. EtherCAT nabízí funkce výhodné pro velmi dynamické servopohony. Moderní výkonové polovodičové součástky zaručují nízké ztráty a umožňují při brzdění rekuperaci energie v meziobvodu. Pro vysoce dynamické úlohy a pro napájení několika servomotorů se doporučuje použít dodatečný terminál EL9576 s brzdným chopperem. Tak lze motor chránit před přepětím, protože připojený externí brzdný odpor dokáže absorbovat část energie.

Terminály EL72x1 a EL72x1-0010 jsou určené a předem nakonfigurované pro synchronní servomotory řad AM31xx a AM81xx, s nimiž dohromady tvoří velmi dynamické, přesné a kompaktní servopohony.

 

Synchronní servomotory AM8100

Synchronní servomotory AM8100 z řady AM8xxx lze výhodně kombinovat se servoterminály EL7201 a EL7211 (obr. 4). Vysoká dynamika servopohonů umožňuje realizovat množství nejrůznějších úloh, např. v oblasti robotiky nebo manipulace s materiálem a obecně všude tam, kde je vyžadována kompaktní konstrukce pohonu a velká přesnost polohování. Stejně jako všechny motory řady AM8xxx i AM8100 využívají sdružení napájení a signálů do jednoho kabelu (OCT; obr. 4). V motorech je integrován absolutní snímač polohy, a proto není třeba najíždění na referenční bod: informace o poloze motoru není ztracena ani při výpadku napájení. Potřebná data o výchozí poloze jsou uložena v paměti EEPROM, což je zvláště výhodné pro seřiditelné osy.

Data ze snímače polohy se do terminálů EL7201-0010 nebo EL7211-0010 přenášejí zcela digitálně prostřednictvím kabelu motoru – není třeba žádný zvláštní kabel pro snímač polohy. Terminály jsou plně kompatibilní s řídicími systémy Beckhoff, což značně usnadňuje uvádění os do provozu i jejich servis. Všechny motory AM8xxx mají elektronický typový štítek s technickými údaji motoru, který pomáhá dále snižovat náklady na inženýrské práce. Parametry pohonu se snadno nastavují v inženýrském prostředí TwinCAT.

Motory AM8100 mohou být volitelně vybaveny bezvůlovou brzdou s permanentními magnety, těsnicím kroužkem nebo hřídelí s drážkou pro pero.

Běžně jsou vybaveny masivním resolverem a pro dlouhou životnost bohatě dimenzovanými ložisky. Ultrakompaktní motory doplňují vhodné převodovky a předem připravené kabely.

 

Svorkové terminály EtherCAT pro krokové motory

Krokové motory umožňují regulovat polohu kombinací jednotlivých kroků, bez zpětné vazby na rotoru. Řízení v otevřené smyčce a dlouhá životnost krokových motorů jsou výhodné zejména v cenově citlivých úlohách. Na rozdíl od stejnosměrných servomotorů je jejich regulace realizována napájením jednotlivých vinutí v definované sekvenci pulzů. Postupně spínané elektromagnetické pole statoru vyvolává natočení hřídele o požadovaný úhel.

Vše funguje jak má, jen dokud moment zatížení nepřesáhne zadržovací moment nebo rychlost spínání nepřesáhne maximální hranici. V takových případech motor ztratí krok nebo se zastaví.

Pro přímé připojení krokových motorů středního výkonu jsou k dispozici svorkové terminály EtherCAT EL7031 a EL7041. Jejich vysokofrekvenční výstup PWM reguluje proudy vinutími motoru. Elektronika terminálu je prostřednictvím nastavení parametrů přizpůsobena motoru. Terminály lze řídit jednopolární i dvoupolární motory. Další vstupy podporují funkce najetí do referenční polohy nebo monitorování koncové polohy. Mikrokrokování s faktorem 64 zajišťuje zvláště přesný a tichý chod motoru.

Kombinace krokového motoru a příslušného svorkového terminálu představuje levné řešení pro malé a jednoduché servoosy. Terminál EL7041 má rozhraní pro inkrementální snímač polohy, který dokáže kompenzovat problém ztráty kroku.

Svorkové terminály krokových motorů mohou být řízeny stejně jako terminály servomotorů rozhraním rychlostní vazby např. z prostředí TwinCAT. V jednodušších úlohách s méně výkonným CPU je možné využít i polohovou vazbu (řízení ujeté dráhy). V tom případě terminál řídí motor tak, aby dojel na požadovanou pozici, přičemž jako parametry se zadávají maximální rychlost a strmost rozjezdové a dojezdové rampy.

U krokových motorů může někdy dojít v určitém rozsahu rychlostí, zvláště u pohonu bez zatížení nebo s malým zatížením, k nepravidelnostem chodu, nebo se motor dokonce zastaví. Příčinou je dosažení rezonan­ční frekvence. Ta je dána mechanickými parametry pohonu. Svorkový terminál EL7041--1000 je speciální verze pro málo zatížené krokové motory, kde je třeba potlačit případný vliv rezonance.

Terminál EL7031 je určen pro krokové motory s napájením 24 V. Proud motorem může být do 1,5 A. EL7041 pokrývá napájecí napětí 8 až 50 V DC (vyžaduje napájení 24 V z výkonových kontaktů). Proud motorem může být od 1 do 5 A.

Verze EL7041-1000 je kompatibilní s KL2541.

Výhodou je, že špičkový proud může krátkodobě výrazně převýšit nominální proud, což značně zvyšuje dynamiku pohonu. Zpomalení však v těchto případech vyvolá zpětný tok energie, který může vést k nebezpečné špičce napětí v napájecí jednotce. Před tímto jevem chrání terminál EL9576, protože dokáže v externím brzdném odporu absorbovat část energie.

 

Krokové motory AS1000

Krokové motory AS1000 (obr. 2) mají přírubu o velikosti od 42 do 86 mm (NEMA17, NEMA23, NEMA34) a točivý moment od 0,4 do 5 N·m. Jsou proto zvláště vhodné pro pomocné osy a polohování. K jejich charakteristikám patří robustnost a velký zadržovací moment. Vzhledem k integrovanému mikrokrokování polohují velmi přesně i bez snímače ve zpětné vazbě. Stačí je připojit jen k příslušnému terminálu pro výkonovou elektroniku. Tyto krokové motory lze řídit pomocí softwarového nástroje TwinCAT NC PTP, který zajišťuje synchronizaci pro funkce, jako jsou vačka nebo letmá pila.

 

I/O terminály pro krokové motory

Pro svorkové terminály krokových motorů jsou k dispozici různé I/O komponenty: terminály pro EtherCAT (EL7031, EL7041) a modul EtherCAT Box (EP7041). Terminály EL7031 jsou určené výhradně pro napájení 24 V DC. Proud motorem může být až 1,5 A. Terminály EL7041 pokrývají rozsah napětí od 8 do 50 V DC (dodatečně vyžadují napájení 24 V DC prostřednictvím výkonových kontaktů) a motorový proud lze nastavit od 1 do 5 A.

Modul EP7041 umožňuje připojení krokových motorů do 50 V DC a 5 A.

 

Závěr

Článek podává základní přehled o sortimentu motorů a pohonů od firmy Beckhoff. V nabídce jsou jak servomotory, vhodné i pro velmi náročné úlohy, tak i stejnosměrné motory a krokové motory pro dynamicky méně náročné úlohy přesného polohování. Motory lze připojit přímo na svorkový terminál a rea­lizovat tak velmi kompaktní pohony vhodné pro různé oblasti použití. 

[Materiály Beckhoff Automation.] 

(Bk)

Obr. 1. I/O systémy od firmy Beckhoff v kombinaci s širokou škálou motorů a převodovek umožňují vytvářet velmi kompaktní pohony: modulárně rozšiřitelné systémy pro řízení polohy a pohybu podporují servomotory, krokové motory stejnosměrné motory různých výkonů

Obr. 2. Krokové motory AS2000

Obr. 3. EtherCAT Box EP7041 s připojeným krokovým motorem – celý pohon lze namontovat přímo na stroj, bez rozváděče

Obr. 4. Servomotory řady AM8100 pro kompaktní pohony