IF 1.feltétel THEN 1.műveletso r [ ELSIF 2.feltétel THEN Zalotay Péter PROGRAMOZHATÓ IRÁNYÍTÁSOK II. Elektronikus jegyzet Kandó Kálmán Villamosmérnöki Kar
Tartalomjegyzék 1. Pozicionálás...4 Az encoder...6 Az inkrementális (növekményes)...6 Az abszolút encoder...8 Inkrementális jeladó alkalmazása....9 1.1. Pozícióba vezérlés léptetőmotorral...9 1.1.1. A léptetőmotor...10 1.1.2. A léptetőmotor működése...10 1.1.3. A léptetőmotorok statikus jellemzői...13 1.1.4. Dinamikus jellemzők...16 1.1.5. Léptetési módok...21 1.1.6. Vezérlési táblázatok...23 1.1.7. A léptetőmotor vezérlési szakaszai:...24 1.1.8. A léptetőmotorok illesztő áramkörei...24 1.1.9. A meghajtó áramkörök vezérlése...27 1.1.10. Példa...27 1.2. Pozíciószabályozás szervomotoros hajtással...29 1.2.1. A szervomotor...29 Egyenáramú szervomotorok...30 1.2.2. Szervomotoros hajtások...32 A hajtás főáramköre...33 A hajtás szabályozása...34 1.3. Pozícióvezérlés aszinkronmotoros hajtással...36 1.3.1. A frekvenciaváltó...37 1.3.2. Szinuszos jel előállítása PWM-el...39 2. PLC-k programozása...40 2.1. A PLC típusonkénti programozás...40 2.2. A PLC programozási nyelvek szabványosítása...41 2.2.1. Sorrendi vezérlésekhez az SFC (Sequential Function Chart)...41 2.2.2. Strukturált szöveges ST (Structured Text)...49 2.2.3...49 3. Irányítási rendszerek felügyelete...54 3.1. Mérésadatgyűjtés...54 3.1.1. Adatbázis:...54 3.1.2. Az automatikus mérés (adatbázisgyűjtés):...55 3.1.3. Mintavételezési idő...55 3.1.4. Mérés-adatgyűjtő rendszerek...57 3.1.5. Adatgyűjtő rendszerek rendszertechnikai felépítése...57 3.1.6. Adatfeldolgozás:...59 3.2. Folyamatmegjelenítés...60 3.2.1. Megjelenítés fogalma és alkalmazása...60 3.2.2. Rövid történeti áttekintés...60 3.2.3. A megjelenítő rendszerek legfőbb típusai...62 3.2.4. Folyamatterminál...63 3.2.5. Riport készítés...65 3.2.6. Operátori szerviz...65 3.2.7. Megjelenítés...65 3.2.8. Adatfeldolgozás...66 3.2.9. Hozzáférési szintek...66 3.2.10. Alarmkezelés...67 2.oldal
3.2.11. Trendkezelés...67 3.2.12. Vezérlések...68 3.3. MODBUSZ...68 3.3.1. A protokoll...68 3.3.2. Fizikai szint...69 3.3.3. A kommunikáció felépítése...69 4. Digitális szabályozók...70 4.1. A numerikus integrálás változatai...71 4.1.1. Téglalap formula...71 4.1.2. Egyszerű (kis) trapéz formula...71 4.1.3. Összetett (nagy) trapéz formula...72 4.1.4. Érintő formula...73 4.1.5. Egyszerű (kis) Simpson formula...73 4.1.6. Összetett (nagy) Simpson formula...74 4.2. PLC-ben alkalmazott algoritmusok...75 4.3. Állásos szabályozók...75 4.3.1. Kétállású (kétpont) szabályozók...75 4.3.2. Háromállású (hárompont) szabályozók...76 4.4. Folytonos szabályozók...77 3.oldal
1. Pozicionálás Az ipari automatizálásban sokszor szükséges egy mozgó készülék, berendezés adott helyre történő mozgatása. Az ilyen feladatokat látja el a pozícióvezérlés, vagy pozíciószabályozás. A feladatok csoportosíthatók a mozgatási irányok száma (koordináta szám, szabadságfok), illetve a mozgató eszköz szerint. Az utóbbi csoportba tartoznak a villamos motorokkal a különböző mechanikai hajtások kombinációja. Használnak léptető-, szervo-, és aszinkron motorokat. A mechanikai megoldások között megtaláljuk a vonóorsót, fogas szíjhajtásokat stb. Meghajtásokban mind a pneumatikus, mind, pedig a hidraulikus erőátvitelt is használják. A fejezetben csak a villamos motorok alkalmazását tárgyaljuk. A pozicionálás megoldások összefoglalása látható az 1. ábrán. 1. ábra Foglaljuk össze tömören, hogy mikor célszerű a vezérlést. Illetve a szabályozást alkalmazni. A pozicionálás minden olyan esetben vezérléssel megoldható, amikor a mozgatott tömeg állandó. Ekkor előre meghatározhatók a mozgatás paraméterei, az út, a sebesség. Értelemszerűen szabályozást kell alkalmazni, amikor a mozgatott tömeg előre nem ismert, illetve menet közben változhat. Ilyenkor a cél megadásán túl mást nem tudunk megadni. A paramétereket a szabályozó állítja be. 4.oldal
Mind a vezérlésnél mind, pedig a szabályozásnál a mozgatás sebességét változtatni kell az idő függvényében. A 2. ábrán szemléltettük az általánosságban érvényes mozgatási függvényt. 2. ábra Az ábrán szemléltetett időfüggvény szerinti vezérlés függő változója az idő. Annak feltétele, hogy az egyes szakaszok idejének változtatásával pozícionáljunk, csak akkor lehet, ha a mozgatás egyes sebességeit nagy pontossággal tudjuk beállítani. A gyakorlatban a pontos pozicionáláshoz szüksége helyzet jeladók alkalmazása. Csak a léptetőmotoros hajtásoknál hagyható el az érzékelő akkor, ha lépéstévesztés nélküli vezérlést biztosítunk. A konkrét megoldásokról a fejezet további részeiben ejtünk szót, amikor áttekintést nyújtunk a léptetőmotoros, és frekvenciaváltós vezérlési megoldásról, valamint röviden foglakozunk a szervomotoros szabályozással. A következőkben tömören tekintsük át ismétlés gyanánt a helyzet-meghatározásnál alkalmazható jeladókat. Kihagyjuk viszont a legegyszerűbb megoldás tárgyalását, amikor a mozgatott objektum helyzetét egy-egy állás-kapcsoló, vagy optikai érzékelő jelzi. A különböző encoderekről rövid áttekintéssel szolgálunk. 5.oldal
Az encoder Az encoder olyan jeladó, amely egy tengely elfordulását érzékeli és az elfordulás szögével arányosan valamilyen elektromos jelet szolgáltat. Sok egyéb névvel is illetik. Pl.: szögadó, forgás jeladó angular encoder, rotary encoder, stb. A jeladó tengelyére rögzített tárcsa általában üveg, amelyre különböző alakzatban nem átlátszó alakzatokat visznek fel. A jeladó tengelyét kell rugalmas tengelykapcsolóval csatlakoztatni a hajtáshoz. Egy változatának felépítése látható a 3. ábrán. 3. ábra (A tárcsa egyik oldalán fényforrás, a másikon fényérzékeny elem helyezkedik el. A tárcsa forgásakor a fényérzékelő elemre hol érkezik fény, hol nem. A vevő részében ennek megfelelő elektromos jel jön létre. Az érzékelők két nagy csoportba sorolhatók, úgymint az o inkrementális, illetve o abszolút jeladók. ( Készítenek olyan változatot is, amelyben mind a két fajta jelelőállítás is megtalálható.) Az inkrementális (növekményes) jeladóban olyan tárcsa van, amelyiken egyforma távolságra egyforma méretű sávok vannak. A sávokat két db optokapu figyeli, amelyek úgy helyezkednek el, hogy egymáshoz képest 90 fokkal eltolt fázisú jelet szolgáltatnak a tárcsa forgásakor. Ez a két jel az "A" és a "B" fázis. Az optokapu k jelét beépített elektronika alakítja szabványos jellé. Ez leggyakrabban TTL, nyitott kollektoros, esetleg 24V-os jel, bizonyos esetekben a jelek inverze is ki van vezetve. Az elvi felépítést szemlélteti a 4. ábra. 6.oldal
4. ábra A jeladókban rendszerint egy harmadik optokapu is van, ami fordulatonként csak egyszer kap megvilágítást. Neve "Z" vagy "Index". Röviden áttekintjük, hogy miképpen használhatók az inkrementális jeladók pozíció meghatározására. A tárcsára felvitt sugárirányú vonalak száma adja a jeladó érzékenységét, vagyis azt, hogy a kimeneti jel két azonos irányú változása hány fokos szögelfordulást jelez. A mikor csak azt kívánjuk meghatározni, hogy az iránytól függetlenül mennyit mozdult el a tárgy, akkor elégséges számlálni az egyik jel valamelyik irányú változásait. A számláló mindenkori tartalma a mozgás sebességétől függetlenül - a tárcsa szögelfordulásával arányos. Amennyiben a jeladó tárcsájára harmadik sávot is felvittek, amelyen csak egy változás van fordulatonként, akkor a számlálás szétbontható a fordulatok és a nem egész fordulaton belüli szögelmozdulás független megállapítására. Amikor a mozgás közben irányváltozás is előfordul, ilyenkor az irányt is meg kell állapítani. Az 5. a. ábrán láthatók a kimenetek 90 fokos fázistolású jelei az egyik forgásiránynál, amikor az J1 felfutó éle érkezik először. A b. ábra a másik forgásirányhoz tartozó viszonyokat szemlélteti. Az egyik forgásirány esetében a J1 pozitív irányú jelváltásakor a J2 alacsony szintű, míg a másik iránynál magas szintű. A két jelből tehát meghatározható a mozgatás iránya. a. b. 5. ábra 7.oldal
A mozgatás kezdetétől való elmozdulás, vagyis a pozíció pontos meghatározásához reverzibilis számlálást kell végezni. Az egyik iránynál a számláló tartalmát növelni, míg a másiknál csökkenteni kell. Így a számtartalom mindenkor az adott irányba megtett abszolút elmozdulással arányos. Az ilyen megoldásra akkor is szükség van, ha a mozgás meg-meg áll, ugyanis az álló állapotban a berendezés rezgéséből is eredhet jelváltozás, mégpedig mindkét irányba. A kétirányú számlálással csökkenthető a pozíció-meghatározás hibája. Az abszolút encoder Az abszolút encoderben a tárcsán n db koncentrikusan felvitt sáv van. A sávokon áteresztő és át nem eresztő szakaszok úgy helyezkednek el, hogy adott sugár mentén az n szakasz, az un. Gray (reflektált bináris) kód szerinti változik. Minden sávot egy optokapu érzékel. (6. ábra) Az optokapu -k egy sugár mentén helyezkednek el. 6. ábra Az encoder kimenetén az n bites kód adja meg a tengely szöghelyzetét. A Gray kód egymás utáni elemei csak egy bitben különböznek és ezért a pozíció meghatározás biztosabb. A kimenetek illesztése lehet párhuzamos TTL jel (a kód minden bitje ki van vezetve) vagy szinkron soros kommunikáció. A működés módjából adódóan az abszolút jeladók felépítése bonyolultabb, ezért drágábbak is. Előnye viszont, hogy nem a pozíció kódja közvetlenül olvasható le a kimeneti jelkombinációból. Nem kell még számlálást is beiktatni a feldolgozásnál és ezzel gyorsabb is az értékelés. A jeladók tárgyalását a jelfeldolgozással fejezzük be. Először azt nézzük meg, hogyan lehet a mikrogéphez illesztett inkrementális adó jeleiből a pozíciót meghatározni. 8.oldal
Inkrementális jeladó alkalmazása. 1. Először azt az esetet tárgyaljuk, amikor állandó egyirányú mozgás helyzetét kell meghatározni. A művelet folyamatábrája a 7. ábrán látható. Start A mozgás indítása Mozog? Számlálás Komparálás Z n = Z p? A mozgás leállítása Ebben az alkalmazásban, a mozgatás indításától kezdődően számlálni kell a jel változásainak a számát Z n, és amikor a számtartalom eléri a cél pozíciójához tartozó számot Z p -t következik a mozgatás leállítása. A 80C552 mikrokontroller alkalmazásakor a jelfeldolgozáshoz célszerű a T2 számlálót használni, amelyik az impulzus-sorozatot számlálja (Z n ). A véghelyzet meghatározásához felhasználhatjuk a compare funkciót. Pl. a CMP0 regiszterpárba írjuk a célpozícióhoz tartozó számot (Z p ), és az egyezéskor bekövetkező megszakítás rutinja állítja le a mozgást. 7. ábra 1. A főirányú mozgás közben irányváltozás, vagy megállás is előfordulhat. Ilyen mozgatásnál megoldás, ha a J1 jel megszakítást kezdeményez, és a megszakítás rutinban a J2 jelszintjétől függően egy memória szó tartalmát növeljük (increment) vagy csökkentjük (decrement). Az összehasonlítást és döntést (a célpozíció elérését) szoftverben kell elvégezni. 1.1. Pozícióba vezérlés léptetőmotorral A léptetőmotorok olyan elektromechanikus átalakítók, amelyek villamos impulzusokat alakítanak át meghatározott nagyságú szögelfordulásokká. A motor tengelyének pozícióját tehát a vezérlő által kiadott impulzusok száma határozza meg. A pontos pozicionálás tehát ellenőrző jel nélkül is megvalósítható. Miután nem csak egyetlen körülfordulást vezérlünk, ezért vezérlő frekvenciáról szokás beszélni. 9.oldal
A motor fordulatszáma igy n = 60 f i k ahol n a motor tengelyének percenkénti fordulatszáma, f i a vezérlő impulzussorozat frekvenciája, k a motor fordulatonkénti lépésszáma. A szakaszban foglalkozunk a léptetőmotorok működésével, legfontosabb jellemzőivel, valamint működtető vezérlés megoldásaival. 1.1.1. A léptetőmotor Tulajdonságaik révén a léptetőmotorokat a digitális pozícióvezérlésekben, - szabályozásokban alkalmazzák. Készülnek állandó-mágneses, lágy-mágneses és hibrid típusok. Az állandó-mágneses motorokat alkalmazzák a legszélesebb körben, mivel jó statikus és dinamikus tulajdonságaik mellett a hatásfokuk is jó. Lényeges szempont még, hogy tartónyomatékuk van, és csillapításuk is megfelelő. A léptetőmotor működését meghatározza, mint ahogy az elnevezés is utal rá hogy tengelye diszkrét lépések sorozatával forog. Mindig ugyanannyi lépés után tesz meg egy körülfordulást. A diszkrét léptetés alkalmassá teszi a digitális vezérlőjelekkel történő működtetést. A léptetőmotoros hajtások legjellemzőbb tulajdonságai: Pontos pozicionálás visszacsatolás nélkül adott számú léptető-impulzus hatására. Nagy nyomaték kis sebességeknél, még egyedi léptetésnél is. Nyugalmi helyzetben, gerjesztett állapotban nagy tartónyomaték, amely önzárást biztosíthat. 1.1.2. A léptetőmotor működése Az állandó-mágnesű léptetőmotoroknál az állórész pólusain helyezkednek el a fázistekercsek, míg a forgórész - nagy koercitív erejű - permanens mágnes. Egy kétfázisú léptetőmotor felépítése látható a 8. ábrán. 10.oldal
8. ábra Működés fázisait a 9. ábrán látható két - póluspárral felépített motoron keresztül szemléltetjük. A fázistekercseket - két különböző megoldással - helyezik el a pólusokon. unipoláris, minden póluson egy önálló tekercs van (9.a.ábra) illetve a bipoláris, amelynél egy pólus-páron van egy tekercs, és az lehet egyszeres-, (9.b.ábra). Az unipoláris tekercselésnél a póluson elhelyezkedő fél - tekercsnek, vagy mindkettő, vagy csak egyik végük, és egy közösített vég van kivezetve. A geometriailag szembenálló pólusok alkotnak egy póluspárt, és ezeken van egy fázistekercs. Az unipoláris elnevezés arra utal, hogy mindegyik tekercset azonos polaritású feszültséggel (árammal) kell gerjeszteni. a. b. 9. ábra 11.oldal
A geometriailag szembenálló pólusok alkotnak egy póluspárt, és ezeken van egy fázistekercs. Az unipoláris elnevezés arra utal, hogy mindegyik tekercset azonos polaritású feszültséggel (árammal) kell gerjeszteni. Egy fázisnál a két fél tekercset kezdet - vég - kezdet - vég sorrendben kell összekötni. A közösített pont egy fázistekercs két-felének ellentétes pontja. A 10. ábrán egy motor álló-, és forgórészének képe látható. A 11. ábra szemlélteti, hogy miként helyezkedik el az állandó mágnes a forgórészben. a. b. 10. ábra 11. ábra Az egyenletesebb léptetést a fázisszám növelésével lehet elérni. A gyakorlatban alkalmazott léptetőmotoroknál az öt-fázisú változat elvi felépítése látható a 11. ábrán. 12.oldal
12. ábra 1.1.3. A léptetőmotorok statikus jellemzői A léptetőmotorok statikus jellemzői az álló helyzetre vonatkozó adatok. A legfontosabb jellemzők a követezőek: - a maximális gerjesztő feszültség, - a maximális tartóáram, - lépésszög, - öntartó nyomaték, - tartó nyomaték, - statikus nyomatékgörbe. A nyomatékgörbe (13. ábra) azt mutatja meg, hogy ha a motor áll, és a tengelyére ható nyomatékot folyamatosan növeljük, akkor hogyan változik a forgórész elfordulás szöge. Az így adódó nyomatékgörbe közel szinuszos lefolyású. Az szemlélteti egy pólus alatt a változást, ha csak az egyik fázistekercset gerjesztjük. Nyugalmi helyzetben az állórész, és a forgórész pólusai szemben helyezkednek el. A nyomaték növelésének kezdetekor a forgórész elmozdul a forgatás irányába, de ha a terhelés megszűnik, akkor visszatér a stabil helyzetbe. Viszont, ha a terhelő nyomaték egy adott határt meghalad, akkor a forgórész egy pólusosztással tovább mozdul, átbillen. Ezt a terhelést nevezzük a motor M b billenési nyomatékának, az elfordulási szöget, pedig φ b billenési szögnek. 13.oldal
13. ábra A különböző előjelű billenő-nyomatékok között van a labilis tartomány. Amennyiben a tengelyt az átbillenés után is terheli az M b értéket meghaladó nyomaték, akkor a tengely továbbfordul. Amikor mindkét fázistekercs gerjesztést kap, akkor az egyes tekercsek nyomatékgörbéinek összegzése adja a motor statikus nyomatékgörbéjét. Kétfázisú léptetőmotor eredő nyomatékgörbéjét mutatja a 14. ábra. Az M H a motor álló állapotbeli tartó nyomatéka. Mint látható ez eléggé hullámos. A két stabil állapot között mérjük, az un. lépésszöget az α t. 14.oldal 14. ábra
A fázisszám növelésével az eredő nyomatékgörbe hullámossága csökken. A 15. ábrán egy ötfázisú léptetőmotor nyomatékgörbéje látható. 15. ábra A továbbiakban csak a kétfázisú motor viszonyival foglalkozunk. A motorok gyártási szórásából, illetve a gerjesztési aszimmetriákból a Δα s szisztematikus szöghiba léphet fel. Erre mutat példát a 16. ábra. Itt a különböző aszimetriák miatt a két fázis billenő nyomatéka különbözik. Ezért a lépésszög is váltakozik. A gerjesztés módosításával az ilyen eltérés kiküszöbölhető. 16. ábra 15.oldal
Az állandó mágnesű forgórésszel készülő léptetőmotoroknál külső gerjesztés nélkül is mérhető billenőnyomaték. Ez viszont kétszeres frekvenciájú, mint a gerjesztett motoré, mint ezt a 17.ábra szemlélteti. 17. ábra 1.1.4. Dinamikus jellemzők Egy léptetőmotor dinamikus jellemzői azt adják meg, hogy az indításkor, folytonos forgatásnál, nyomatékváltozásnál, leállításkor hogyan viselkedik a motor. A folyamatos - fázisról-fázisra - történő gerjesztés a tengely léptetését, illetve a váltások frekvenciájának növelésével közel folytonos forgást lehet elérni. A léptetőmotorok tengelyének elfordulása elsősorban a tengelyt terhelő tehetetlenségi nyomatéktól (Q), a tekercset gerjesztő áram időbeli változásától függ. Mivel a tekercsen átfolyó áram, és így a kialakuló mágneses mező logaritmikusan változik, ezért a forgórész elfordulása csak késve (18. ábra), a billentő-nyomaték elérésekor kezdődik. 16.oldal
18. ábra A mennyiben hamarabb szűnik meg a gerjesztő feszültség, akkor lépéskimaradás, lépéstévesztés következik. A leírt alapján következtethetünk arra, hogy a kívánt impulzus számmal megegyező lépést csak egy adott frekvenciánál alacsonyabb impulzussorozattal lehet elérni. A motorok adatai között ezt az értéket az un. start/stop frekvenciaként adják meg. A megadott érték motor terheletlen állapotára vonatkozik. A valós viszonyok között mindig van terhelés. A 19. ábrán egy léptetőmotor nyomatékváltozását mutatja a lépésfrekvencia függvényében. 19. ábra Az ábrán látható karakterisztika görbék közül az 1, illetve 2 számokkal jelzettek azt mutatják, hogy egy lépésben milyen frekvenciájú impulzussorozattal indítható a motor lépéstévesztés nélkül. Az 1-el jelzett görbe a terheletlen, míg a 2-vel jelzett a terhelt 17.oldal
viszonyokat jelzi. A külső karakterisztika-görbe mutatja, hogy forgás közben léptetési frekvenciánál - mekkora nyomatékkal terhelhető a motor tengelye. A motor müködtetéséhez tehát két szakaszt különböztethetünk meg. Az indítási szakasz az a frekvenciatartomány (0 f1 Hz) amely hatására lépéstévesztés nélkül indul a motor lépegetése. Látható, hogy az f1 indítási határfrekvencia a terhelő nyomatéktól is függ. A terheletlen motornak is van saját tehetetlenségi nyomatéka, surlódása, amit figyelembe kell venni a hajtás tervezésekor. A már mozgásban lévő motor léptetési frekvenciája a gyorsítási tartományon belül - fokozatosan növelhető az f2 üzemi határfrekvenciáig. A karakterisztika alapján meghatározható, hogy adott üzemi nyomatéknál emkkora az indítási-, illetve az üzemi határfrekvencia. Természetesen a tényleges működtetési frekvenciákat ezen értékek alatt kell megválasztani, hogy se az indításnál, sem pedig a folytonos forgatásnál ne legyen lépéstévesztés. Az indításhoz hasonlóan a leállításkor is történhet túllendülésből eredő lépéstévesztés. Amennyiben egy lépésben szüntetjük meg a gerjesztő impulzussorozatot, akkor a tehetetlenségi nyomaték további lépéseket eredményezhet. A pontos pozicióba állításnál, mindhárom üzemelési szakaszban biztosítani kell a tévesztésmentes léptetést. Vezérléskor betartandó viszonyokat a 20. ábra szemlélteti. 20. ábra Az f1 frekvenciájú vezérlőimpulzus egy lépésben be-, vagy kikapcsolható. A nagyobb f2 frekvenciájú üzemi forgatásra történő felgyorsítás, illetve errőla lelassítás csak fokozatosan történhet. A változás lehet lineáris (c), vagy egyéb időfüggvény szerinti (a,b). A feladat határozza meg, hogy végső pozíció elérésének ideje döntő-e. Amikor nem lényeges az idő, akkor elégséges a hajtás f 1 frekvenciájú léptetése. A gyorsabb pozicióba éréshez, gyorsítási, üzemi mozgatási, és lassítási szakaszokra kell bontani a vezérlést. Az utóbbi választásakor léptetőmotoros hajtás jellemzőinek ismeretében 18.oldal
határozhatjuk meg azt a frekvenciaváltoztatási (df/dt) sebességet, amelynél még nincs lépéstzévesztés. Az esetek többségében ismerjük a választott motor üresjárási paramétereit start/stop frekvencia, indítási nyomaték, és a statikus jellemzők -, mivel ezeket a gyártó megadja. A megvalósítandó hajtás jellemzőit az üzemi nyomatékot, az indítási-, és az üzemi határfrekvenciákat méréssel célszerű meghatározni. A mért értékek alapján kell kiszámítani a a hajtás indításához, gyorsításához- lassításához, szükséges frekvenciaváltozásokat. A 21. ábrán egy M L nyomatékkal terhelt léptetőmotoros hajtás méréssel meghatározott nyomaték-lépésfrekvencia karakterisztikája látható. A karakterisztikából kiindulva határozzuk meg a vezérléshez szükséges léptetési frekvenciákat. A hajtást biztonságos indítása csak az indítási határhoz tartozó értéknél a határgörbe, és az M L nyomaték-egyenesének metszése - kisebb frekvenciájú jellel történhet. Az ábrán az N munkaponthoz tartozó f 1 frekvenciát választjuk, amelyhez az M gy1 gyorsító nyomaték tartozik. A megengedhető legyorsabb üzemi forgatás frekvenciája ugyancsak alacsonyabb kell legyen a határtákhez tartozónál, mert ekkor már nincs nyomatéktartalék. A szükséges M gy2 értékű nyomatékkal biztosíthatjuk a lpéstévesztés nélküli üzemi mozgatást, vagyis a gyorsításnál csak az f 2 frekvenciáig szabad eljutni. 21. ábra A választott határfrekvenciák után a frekvenciaváltoztatás sebességét, illetve módját kell meghatároznunk. Előszőr azt állapítsuk meg, hogy az adott nyomaték, és terhelés esetén mekkora lehet a frekvenciaváltoztatás. A szükséges gyorsítónyomaték: dω Mgy = Θ dt ahol Θ a rendszer tehetetlenségi nyomatéka (inercia), és ω a szöggyorsulás. A gyorsítási-lassítási szakaszokban df f = f0 ± dt t 19.oldal
ahol f 0 a változtatás kezdőfrekvenciája, és az előjelet kell megfelelően alkalmazni. A megengedhető frekvenciaváltoztatás az összefüggés alapján számítható ki. df dt M = min Θ 180 π α A frekvencia lineáris változtatásakor az M gy gyorsítónyomaték, és a Θ tehetetlenségi nyomatéktól, és a léptetőmotor k lépésszámától az alábbi egyenlőtlenség alapján választható meg a változtatás megengedett mértéke: df k Mgy dt π Θ = Κ A leírt egyenlőtlenségbe helyettesítve a gyorsítónyomaték minimumát (M gy2 t) kiszámíthatjuk a motorra jellemző K értéket. Ennek ismeretében már meghatározhatjuk a frkvenciaváltoztatás léptékét f-t, és a változtatás időbeli lépéseit t t. A két érték közül egyiket választhatjuk szabadon, majd ezt követően kapjuk a másik változtatásának lépéseit. A változtatás meredekségét a K-t soha nem szaban túllépni. A biztonságot jelenti az, hogy a gyorsítási tartományban megválasztott legkisebb nyomatékkal számolunk. A kétfázisú léptetőmotorok kellemetlen tulajdonsága a lengési hajlam. Mivel a nyomatékgörbe (lásd 7. ábra), ezért minden léptető impulzus hatására a forgórész leng. A lengés mechanikus (pl surlódás növelése), illetve villamos csillapítással ( pl helyes R/L viszony beállítása) csökkenthető. A vezérlés megfelelő kialakítása is hozhat eredményt. A 22. ábrán látható görbék különböző csillapitási viszonyok melleti szögváltozástokat mutatja. Az 1 jelű görbe a csillapítatlan eset. A 2 jelű mutatja a surlodó, és villamos csillapítás együttes hatását. 22. ábra 20.oldal
Említeni kell még a motor pontos leállításánal szükséges vezérlést is. A 23. ábra a leállítás utolsó impulzusa körüli időbeli változásokat szemlélteti. Az utolsóelötti léptetőimpulzus hatására bekövetkező lengés maximumánál (A időpont) kell az utolsó léptetést végrehajtani. Ekkor tullendülés, vagy visszalépés nélkül áll le a motor. A forgásirány-váltás (reverzálás) akkor lesz sikeres, ha a D időpontban kapja az impulzust a fázistekercs. 23. ábra A következőekben röviden áttekintjük a kétfázisú léptetőmotorok vezérlési megoldásait. 1.1.5. Léptetési módok. A léptetés történhet teljes természetes lépéses (Full step), fél lépésfelezés lépéses (Half step) és mikrolépés -es üzemmódban. A felosztás az egy pólus-pár által meghatározott szögelfordulás alatt megtett lépések számára utal. A teljes-, és féllépésű léptetésnél a tekercs gerjesztését 0, +Ig és -Ig között kell változtatni. Mikro-lépésnél a gerjesztés - a szélsőértékek között - több diszkrét lépésben változik. Az egyes léptetési megoldásokat szemléltetik a következő ábrák két póluspár esetében. A 24. ábrán láthatjuk a teljes lépésű (full-step) léptetést, ha egyidejűleg csak egy fázistekercs egyik fele kap gerjesztést. Ezt a változatot pólus - alatti vezérlésnek is nevezhetjük. A 25. ábra szerinti léptetés ugyancsak teljes lépésű, de mindkét fázistekercs egyik fele kap egyidejűleg gerjesztést, ezért a pólusok közé áll be a forgórész (pólusközötti vezérlés). A szemléltetett motor - mindkét vezérlési megoldásnál - négy lépés alatt tesz meg egy teljes körülfordulást. 21.oldal
A 26. ábrán látható megoldásban felváltva egy, illetve két féltekercsen folyik át gerjesztő-áram. A motor nyolc lépés alatt fordul egyet. Ezt nevezzük lépés-felezéses vezérlésnek. 24. ábra Teljes természetes - lépés egy fázis gerjesztésével 25. ábra Teljes természetes - lépés két fázis gerjesztésével 22.oldal
26. ábra Fél lépésfelezéses - lépésű működés 1.1.6. Vezérlési táblázatok A következő táblázatokban foglaljuk össze a különböző meghajtásoknál alkalmazható vezérlési sorrendet. A táblázatok alapján lehet meghatározni a választott meghajtó kapcsolás tranzisztorainak a vezérlését. Az Ig jelölés jelenti, hogy az adott fél-, vagy teljes tekercsen folyik áram. Az előjel pedig a tekercs kezdethez viszonyított áramirányt jelzi- Unipoláris (osztott) fázistekercs Bipoláris (osztatlan) fázistekercs Természetes lépésű üzemmód (Egyidejűleg csak egy tekercsben folyik áram) ütem L 11 L 21 L 12 L 22 ütem L 1 L 2 1 Ig 0 0 0 1 Ig 0 2 0 Ig 0 0 2 0 Ig 3 0 0 Ig 0 3 - Ig 0 4 I 0 0 Ig 4 0 - Ig Természetes lépésű üzemmód (Egyidejűleg két tekercsben folyik áram) ütem L 11 L 21 L 12 L 22 ütem L 1 L 2 1 Ig Ig 0 0 1 Ig Ig 2 0 Ig Ig 0 2 - Ig Ig 3 0 0 Ig Ig 3 - Ig - Ig 4 Ig 0 0 Ig 4 Ig - Ig 23.oldal
Lépésfelezéses üzemmód ütem L 11 L 21 L 12 L 22 ütem L 1 L 2 1 Ig 0 0 0 1 Ig Ig 2 Ig Ig 0 0 2 0 Ig 3 0 Ig 0 0 3 - Ig Ig 4 0 Ig Ig 0 4 - Ig 0 5 0 0 Ig 0 5 - Ig - Ig 6 0 0 Ig Ig 6 0 - Ig 7 0 0 0 Ig 7 Ig - Ig 8 Ig 0 0 Ig 8 Ig 0 1.1.7. A léptetőmotor vezérlési szakaszai: A léptetőmotorral megvalósított hajtásoknál a pozícióba történő vezérlés pontossága mellett, igény még a cél leggyorsabb elérése is. A megvalósításnál cél a megengedhető legnagyobb üzemi frekvenciájú léptetés, amelynél szükséges az alábbi három szakasz szerinti vezérlés megvalósítása. A vezérlési szakaszok az indítás (felfuttatás), az állandó szögsebességű hajtás, és a leállítás (fokozatosan). Mindhárom szakaszban biztosítani kell, hogy ne legyen lépéstévesztés. Ezt egyrészt a megfelelő sorrendű gerjesztéssel másrészt, pedig azzal érhetjük el, hogy a sebesség változtatásának mértéke nem haladhatja, meg az un. start-stop frekvenciát. A változó forgásirányú hajtásvezérlés is három szakaszú. A forgásirány változtatása, csak a motor nyugalmi helyzetében történhet. Ekkor lesz rángatás-mentes a váltás. A vezérlés csak az adott motor tulajdonságainak figyelembevételével végezhető el. Első lépésben ismerni kell a motort, és a hajtott rendszer nyomatékigényét. Ezek ismeretében határozható meg az indítási-, leállítási határfrekvencia, az alkalmazható üzemi-frekvencia. 1.1.8. A léptetőmotorok illesztő áramkörei A léptetőmotor meghajtó áramkörök feladata a szükséges teljesítményillesztés biztosítása. Az egyes tekercseken átfolyó áram nagyságát és irányát is változtatni szükséges. 24.oldal
A két-fázisú léptetőmotorokat két alapvetően eltérő tekercselési megoldásban gyártják. Ezek a fázisonként egy-, illetve a kettős-, vagy osztott (két fél-tekercs) fázistekercsű változatok. A fázisonként kéttekercsű megoldásoknál az egyes tekercsek kezdeteinek és végeinek megfelelő bekötésével azonos külső áramirány esetén is változtatható a belső mágnesmező iránya, unipoláris vezérlés. Az illesztő-, meghajtó áramkör tekercsenként egy-egy megfelelő teljesítményű elektronikus kapcsolóval megoldható. A 27. ábrán látható a meghajtó áramkör elvi kapcsolása. A motor négy fél-tekercsének közösített végei csatlakoznak az Ut tápfeszültség pozitív pólusához. A tekercsek másik végeire egy-egy teljesítmény tranzisztor (darlington kapcsolású) kapcsolja a vezérlés sorrendjében a tápfeszültség negatív pontját. 27. ábra A lengések csökkentésének egyik módja, hogy a motortekercsekkel sorba kötünk ellenállást. Az optimális megoldás, ha a külső ellenállás a tekercs ohmos ellenállásának háromszorosa. A fázisonként egytekercsű motorok esetében a belső mágnes mező irányának változtatása csak a gerjesztő áramok irányváltoztatásával oldható meg. Ezt híd-kapcsolású illesztő áramkörökkel lehet megoldani. A motorvezérlésekhez fejlesztett (LM 298 típusú) két teljes hidat tartalmazó áramkörének kapcsolási vázlata látható a 28. ábrán. 25.oldal
28. ábra A motor tekercseinek induktivítása miatt szükséges védő diódákat alkalmazni- A 29. ábrán az egyik hídhoz brkötött diódák láthatók. Ugyanitt szemléltettük a vezérlő áramot valamint a kikapcsoláskor a diodákon záródó kiegyenlítő áramot ----. _._. 29. ábra 26.oldal
1.1.9. A meghajtó áramkörök vezérlése 1.1.10. Példa X irány NYÁK tálca x=0 y=0 pozició Y irányú vonóorsó a kocsit mozgató léptetőmotor LMy Y irány X irányú vonóorsó a tálcát mozgató léptetőmotor LMx kocs kezelőpult OE CLK EX IX EZ IY G A L O P x O P y FHx FHy LMx LMy 30. ábra 27.oldal
31. ábra 32. ábra 28.oldal
1.2. Pozíciószabályozás szervomotoros hajtással A szervomotorok csaknem minden esetben valamilyen szabályozott hajtás végrehajtó szervei. A leggyakoribb szabályozott jellemzők: az áram, a nyomaték, a fordulatszám (szögsebesség), valamint a pozíció. 1.2.1. A szervomotor A villamos szervomotorok olyan villamos gépek, amelyeknél a jó szabályozási tulajdonságokat az igényeknek megfelelő szerkezeti megoldásokkal érik el. A szervomotorok bemenö jele a motorra kapcsolt feszültség, vagy áram, kimenő jele pedig szögelfordulás, vagy mechanikai szögsebesség. A szervomotorokkal szemben támasztott követelmények: a) a motor a szőgelfordulást, vagy az üj szögsebességre való beállást minél gyorsabban hajtsa végre. Ehhez az szükséges, hogy a motor idő (T, és T kicsik legyenek; b) a fordulatszámmal arányos szögsebesség széles tartományban legyen változ tatható (az n max /n min arány, az ún. átfogás szervomotoroknál szokásos értéke: 100.. 1000, szemben a hagyományos gépekkel, ahol ez az érték 10.. 100); c) a motor nagy indító-, és fékezőnyomatékkal rendelkezzen (egy szervomotor- nál az I. vagy az ezzel arányos M arány értéke 3... 10 szemben egy hagyományos géppel. ahol ez az arány l,53); d) a motor w(m) jelleggörbéje lehetőleg lineáris legyen; e) a forgásirányváltás egyszerűen legyen megoldható; vezérlő feszültség nélkül a motor álljon le. A szervoniotornál a elóbb felsorolt igények teljesítése a fó cél vagyis nem az elektromechanikus átalakítás ezért a szervomotorok hatásfoka gyakran rosz szabb, minta hagyományos villamos gépeknél megszokott érték. A motorválasztékban vannak egyenáramú és váltakozóáramú szervomotorok is. A legtöbb alkalmazásban az egyenáramú szervomotorokat használják. A következőkben áttekintjük az egyenáramú szervomotorok leg jellemzőbb változatait és tulajdonságait. 29.oldal