Aktuální vydání

celé číslo

12

2020

Systémy DCS pro kontinuální a dávkové výrobní procesy

Provozní analytická technika

celé číslo

Nové řídicí jednotky Faulhaber MC50xx

Autoři se na svém pracovišti dlouhodobě věnují problematice přesného polohového řízení malých elektromotorů. Posledních několik let používají řídicí jednotky MC3000 firmy Faulhaber, které se jim osvědčily v mnoha úlohách. Proto uvítali možnost vyzkoušet novou generaci řídicích jednotek MC5000 pro malé DC a EC motory do výkonu přibližně 500 W. Pro testování jim firma Routech, s. r. o., výhradní distributor produktů Faulhaber pro český trh, zapůjčila jednotky MC5005 S CO s rozhraním CANopen a MC5005 S ET s rozhraním EtherCAT a CANopen. V obou případech jde o jednotky řízení pohybu podle CiA402. Článek popisuje první zkušenosti s provozem těchto jednotek.

 

Předchozí generaci jednotek MC3000 lze chápat jako malé, spolehlivé a jednoduché jednotky pro řízení pohybu, které se vyznačují velkou přesností polohování, snadným elektrickým připojením a jednoduchou sadou příkazů pro řízení pohybu motoru. Mimo jednoduchost a snadné použití se tyto jednotky vyznačují velmi malým elektrickým rušením, díky čemuž se často používají k řízení pohybu tam, kde se měří různé veličiny, jako jsou např. testery technických charakteristik nebo životnosti.

 

Základní parametry

MC5000 (obr. 1) jsou již třetí generací řídicích jednotek pohybu firmy Faulhaber. Proti předchozí, dvaapůlté generaci jednotek MC3000 přinášejí množství rozšíření a vylepšení, ale předchozí generaci nenahrazují, nýbrž rozšiřují a doplňují.

 

Největším omezením předchozí generace jednotek bylo maximální napájecí napětí 30 V a trvalý proud 6 A. Tyto parametry limitovaly převážně dynamiku motorů s výkonem nad 100 W. MC5000 jsou dostupné ve variantách pro trvalý proudový odběr 4, 5 a 10 A při napětí až 50 V. V základu jsou MC5000 dodávány s odděleným napájením výkonové části a řídicí elektroniky.

 

Jednotka umožňuje připojit několik snímačů a parametrizovat je pro řízení pohybu. K dispozici jsou vstupy pro Hallovy snímače, snímače polohy (inkrementální nebo absolutní s výstupem SSI), tři digitální vstupy a dva analogové vstupy ±10 V. Digitální vstupy mohou být nastaveny pro připojení druhého inkrementálního snímače polohy.

 

Podporovaná komunikační rozhraní a protokoly

Pro připojení jednotek do systému jsou k dispozici tři typy rozhraní: RS-232, CANopen nebo EtherCAT, přičemž jednotka je osazena vždy pouze jedním z nich. Pro parametrizaci je zdarma k dispozici nová verze programu Motion Manager 6, který se k jednotce připojuje pomocí USB, RS-232 nebo CANopen.

 

Z pohledu autorů je zásadní inovací MC5000 kompletní implementace standardu CiA 402 (CANopen device profile for drives and motion control) pro všechna rozhraní, včetně USB a RS-232. Tím dochází ke sjednocení přístupu k jednotlivým parametrům (objektům) na všech rozhraních. Cenou za tuto univerzálnost je změna formátu příkazů pro rozhraní RS-232, které tudíž nejsou kompatibilní s předchozí generací řídicích jednotek. Naopak u jednotek s rozhraním CANopen tato inovace rozšiřuje možnosti parametrizace jednotky i možnosti použití.

 

Jednotky s rozhraním EtherCAT implementují v aplikační vrstvě protokol CoE (CAN over EtherCAT), který je podporován většinou výrobců zařízení s rozhraním EtherCAT typu master. Parametry jednotky s rozhraním EtherCAT lze nastavovat v prostředí TwinCAT, ale pro správnou konfiguraci a nastavení regulace je vhodnější použít Motion Manager. Ve složce, v níž je Motion Manager nainstalován, nalezne uživatel konfigurační soubory EDS (Electronic Data Sheet) pro CANopen a ESI (EtherCAT Slave Information) pro EtherCAT.

 

Parametrizace jednotky

Pro zajištění správné funkce jednotky a co nejpřesnější řízení je nutné nejen nastavit parametry používané sběrnice a motoru, ale také naladit regulátory a nastavit parametry ovlivňujících řízení. Proto je vhodné použít program Motion Manager 6, který tuto činnost výrazně zjednodušuje (obr. 2).

 

V parametrizaci motoru je hlavní novinkou možnost konfigurovat několik snímačů pro řízení pohybu. Podstatná je možnost volby různých snímačů k řízení rychlosti a polohy, která není v této kategorii řídicích jednotek obvyklá.

 

Ve srovnání s předchozí verzí je Motion Manager 6 dobře zpracovaný nástroj pro ladění zesílení regulátorů rychlosti a polohy. Pro analýzu odezvy regulátoru zaznamenává jednotka interně 500 bodů se zvolenou periodou podle analyzovaného časového intervalu. Další parametry ovlivňující proces řízení jsou přístupné prostřednictvím záložky Drive Function, která umožňuje jejich pohodlné nastavení.

 

Všechny objekty (parametry) jsou přístupné prostřednictvím vyhledávače Object Browser, který je rozděluje do tří záložek (obr. 3). Záložka Communication zpřístupňuje objekty definované standardem CiA 301, záložka Device objekty podle CiA 402 a záložka Manufacturer objekty definované výrobcem.

 

Programování

MC5000 obsahuje jednoduchý překladač jazyka Basic, který umožňuje realizaci sekvencí pro samostatnou činnost jednotky.

Basic obsahuje základní příkazy a příkazy pro čtení a zápis jednotlivých objektů. Motion Manager obsahuje editor pro tvorbu sekvencí, ladění a přenos do jednotky. Oproti skriptům, které používá předchozí generace jednotek, jsou možnosti nového překladače výrazně rozšířeny. Limitující je maximální velikost sekvence 4 kB a možnost použít nejvýše 26 globálních proměnných.

 

Zkušenosti s používáním jednotek MC5000

Za přibližně dva měsíce testování zapůjčených jednotek získali autoři článku množství zkušeností s různými způsoby provozování. Jednotky testovali s DC motorem 3272 G024 (Faulhaber) s optickým snímačem polohy HEDL 5540 A02 (Avago Technologies) a s EC motorem 4490H 024B (Faulhaber) s absolutním Hallovým snímačem polohy.

 

Úvodem je třeba zmínit skutečnost, že přesnost regulace rychlosti a polohy je výrazně závislá na přesnosti použitého snímače a nastaveních ovlivňujících stabilitu zpětné vazby. Chování regulace výrazně ovlivňuje také napájecí zdroj. Je-li použit zdroj, který nemá dostatečný výkon, zvětšuje se regulační odchylka v průběhu přechodového děje a pohyb může skončit s chybou following error.

 

Po celou dobu testování se Motion Manager choval stabilně. Mimo již popsané vlastnosti umožňuje jednoduché ovládání jednotky pomocí nástroje Motion Cockpit. Příkazy lze také prostřednictvím terminálu posílat přímo, ale tato možnost vyžaduje dobré znalosti standardu CiA 401.

 

Jednotku s rozhraním CANopen autoři testovali pomocí vlastního softwaru vyvinutého v NI LabVIEW. Použití komunikace PDO (Process Data Objects) je bezproblémové, při použití komunikace SDO (Service Data Objects) jednotka akceptuje pouze pakety s délkou DLC = 8, kratší pakety neakceptuje. To je nekompatibilita s předchozí generací jednotek. Velmi významné je celkové zrychlení odezvy jednotky: od přijetí paketu do začátku odesílání odpovědi se pohybuje v rozmezí od 10 do 40 µs (obr. 4).

 

Jednotku s rozhraním EtherCAT autoři testovali v prostředí Beckhoff TwinCAT 3.1, připojenou jak samotnou na síti, tak s vazebním prvkem EK1100. Pro její zprovoznění je mimo zkopírování souboru ESI do patřičné složky v TwinCAT důležité také přidat objekty určující mód a další parametry s módem spojené do části programu start-up sběrnice EtherCAT a v případě problémů je nutné řešit časování.

 

Jednotka s rozhraním EtherCAT bude dále testována v prostředí NI LabVIEW na real-time systému NI cRIO9063. NI LabVIEW zatím neumožňuje uživatelsky měnit konfiguraci parametrů PDO a definici objektů start-up. Proto je nutné upravit soubor ESI, aby obsahoval funkční konfiguraci PDO.

 

Závěr

Na základě získaných zkušeností lze o nové generaci řídicích jednotek Faulhaber MC5000 říci, že přináší mnoho zajímavých možností a parametrů, které ji dovolují použít v pokročilých systémech pro přesné polohování.

 

Další informace o pohonech a řídicích jednotkách Faulhaber a jejich vlastnostech lze nalézt na webu www.routech.cz.

 

Poděkování

Tento článek vznikl za podpory projektu LO1202, finančně podpořeného MŠMT v rámci programu NPU I.

 

Ing. Pavel Houška, Ph.D.
(houska.p@fme.vutbr.cz),

Ing. Kamil Šubrt
(subrt@fme.vutbr.cz),

doc. Ing. Zdeněk Hadaš, Ph.D.
(hadas@fme.vutbr.cz),

VUT Brno

 

Obr. 1. Třetí generace řídicích jednotek pohybu Faulhaber MC5000

Obr. 2. Motion Manager 6

Obr. 3. Všechny objekty a parametry jsou přístupné prostřednictvím Object Browseru

Obr. 4. Čas odezvy od přijetí paketu do začátku odesílání odpovědi se pohybuje v rozmezí od 10 do 40 μs