2-AKSELISEN LINEAARILIIKKEEN OHJAAMINEN Janne Rossi Kirjallisuustyö 6.11.2011 LUT Energia Sähkötekniikan koulutusohjelma
SISÄLLYSLUETTELO 1. SOVELLUKSEN YLEINEN KUVAUS... 3 2. VAATIMUSMÄÄRITTELY... 3 2.1 EtherCAT kenttäväylä... 4 3. TOIMINNALLINEN MÄÄRITTELY... 6 4. TEKNINEN MÄÄRITTELY... 9 5. TEKNINEN TOTEUTUS...11 LÄHTEET...13
1. SOVELLUKSEN YLEINEN KUVAUS Asiakas haluaa ohjausjärjestelmän 2 akseliselle lineaariliikkeelle, joka implementoidaan XY liikkeenä valmiiseen järjestelmään. Järjestelmä ottaa vastaan paikkaohjeen, näyttää nykyisen paikkatiedon ja näiden tietojen perusteella ajaa X- ja Y-akselit asetettuun referenssiarvoon. Tällaisia käyttöjä esiintyy esimerkiksi automaattisissa työstö- ja pakkauskoneissa sekä CNC -työstökoneissa. Ohjauslogiikaksi on asiakkaan toimesta valittu ABB AC500 logiikka, moottoreiden ohjaamiseen ABB ACS M1 taajuusmuuttajat ja itse moottoreiksi ABB MS4614 0,63 kw kestomagneettitahtikoneet. Periaatteellinen kuva laitteistosta on esitetty kuvassa 1.1. Kuva 1.1. Järjestelmän periaatekuva 2. VAATIMUSMÄÄRITTELY Asiakas on asettanut vaatimuksiksi että järjestelmän tulee toimia sekä paikka- että reittiohjeella. Tällaisen järjestelmän Use Case diagrammi käyttäjän näkökulmasta on hyvin yksinkertainen ja on esitetty kuvassa 1.1.
Kuva 1.1. Järjestelmän käyttöliittymän Use Case diagrammi. Järjestelmän suorituskykyvaatimuksiksi on asiakkaan toimesta asetettu lineaariliikkeen maksiminopeus v max = 2 m/s ja paikkavirhe maksimissaan ε pos = 3 mm. Moottoreiden vetopyörän halkaisijaksi on ilmoitettu r = 0,1 m. Lisäksi ohjauselektroniikan välisissä yhteyksissä tulee käyttää EtherCAT väylää. 2.1 EtherCAT kenttäväylä EtherCat on Beckhoff GmbH:n 2003 esittelemä Ethernet pohjainen reaaliaikainen kenttäväylä. Se soveltuu nopeutensa ansiosta useimpiin vaativiin säätö- ja I/O-sovelluksiin. EtherCAT verkossa on aina yksi nk. master laite, ja muut laitteet toimivat slave - laitteina. Reaaliaikaisuuden perustana on datan nopea käsittely slave -laitteissa. Periaate on että master -laite lähettää kehyksen, jonka saapuessa slave laite lukee sille osoitetun datan, ja kirjoittaa tarvittaessa sille varattuun paikkaan, ja lähettää kehyksen seuraavalle slave laitteelle. Kehyksen vastaanottamisesta sen lähettämiseen kuluu aikaa ainoastaan joitakin nanosekuntteja. Kehyksen saavuttaessa verkon viimeisen slave laitteen, palautetaan kehys master laitteelle. Verkon topologia on vapaasti valittavissa, sillä se voi olla puu- tai tähtitopologia. Standardi CAT5 kaapeli sisältää sekä RX-, että TX linjan, joten verkko on aina suljettu rengas käytettäessä tällaista kaapelia. EtherCAT protokolla ei toki ole sidottu fyysiseen toteutukseen, vaan voidaan käyttää niin parikaapelia, kuin valokuituakin, eikä protokolla aseta rajoituksia datanopeudelle. Mikäli laitteet tukevat nopeimpia Ethernet tekniikoita, on mahdollista käyttää Gigabit-, tai vielä nopeampia Ethernet -verkkoja. Kaapelien maksimipituudet
vastaavat Ethernet -kaapelien pituusrajoituksia, ja Fast-Ethernet ominaisuuksia hyödyntäen päästään aina 100 m pituuksiin asti. Laitteiden maksimimäärä EtherCAT verkossa on huimat 65535 laitetta. EtherCat tukee verkon laitteiden kellojen synkronointia rautatasolla, ja master laite tunnistaa verkon topologian ja mittaa jokaisen laitteen välillä ilmenevän viiveen kehyksen etenemisessä. Tarkkojen viivetietojen perusteella kellojen synkronointi on erittäin tarkka ja päästään alle 1µs:n eroihin kelloissa. Kuvassa 1.2 on nähtävissä kahden EtherCAT laitteen kellosignaalit, kun välissä on 300 verkon solmukohtaa ja 120 m kaapelia. Kuva 1.2. Kahden EtherCAT laitteen kellosignaalit, kun välissä on 300 verkon solmukohtaa ja 120m kaapelointia [1]. Kuvasta voidaan nähdä että huojunta on n. ±20 ns ja keskimääräinen viive noin 15 ns. EtherCAT:n omissa esitemateriaaleissa tiivistetään väylän suorituskykyä taulukon 1.1 arvoilla.
Taulukko 1.1. EtherCAT:n suorituskyky [1] EtherCAT protokolla on täysin näkymätön TCP/IP protokollan kannalta, joten samassa verkossa voidaan käyttää myös TCP/IP laitteita, kun tiedostetaan verkon EtherCAT käytön vaatima kaistanleveys. Myös muut internet teknologiat, kuten FTP ja HTTP ovat käytettävissä. Myös teollisuuden automaatioon liittyvistä protokollista ainakin CANopen- ja SERCOS servo-ohjausprotokollat ovat tuettuina [1]. 3. TOIMINNALLINEN MÄÄRITTELY Asiakkaan vaatima toiminnallisuus voidaan toteuttaa erilaisilla tavoilla riippuen kuinka hajautettua säätöä halutaan käyttää. Pelkän paikkasäädön toteuttamiseen riittää paikkaohjeen syöttäminen taajuusmuuttajille, mutta säädön nopeus kärsii rajallisen laskentatehon vuoksi varsinkin jos lopullinen järjestelmä vaatii mekaniikkamallin. Koska käytettävissä on erillinen ohjauslogiikka, on järkevää käyttää sitä säädön toteuttamiseen ja syöttää taajuusmuuttajille ainoastaan nopeus- tai vääntömomenttireferenssiä. Asiakkaan valitsemissa moottoreissa on myös sisäänrakennettu resolveri, joka tarjoaa nopeus- ja paikkatakaisinkytkennän. Järjestelmän osat voidaan karkeasti jakaa kuvan 3.1 esittämän luokkadiagrammin mukaisiin luokkiin ja tällaista toteutusta kuvaava Use Case diagrammi on esitetty kuvassa 3.2.
Kuva 3.1. Järjestelmän luokkadiagrammi. Takaisinkytkentöjä tarjoavien laitteiden tarkka määrä ei ole varmistunut, joten luokan alle on asetettu useampi mahdollinen takaisinkytkentä. Tästä Kuva 3.2. Järjestelmän ohjauselektroniikan Use Case diagrammi nopeus- ja vääntöreferenssillä. Ohjaussekvenssin alussa tietokone, tai muu ohjaava järjestelmä, asettaa paikkareferenssin AC500 logiikalle, joka pyörittää järjestelmän säätöalgoritmia. Taajuusmuuttajalta saa-
mansa paikkatiedon perusteella algoritmi tuottaa nopeusohjeen taajuusmuuttajalle. Taajuusmuuttaja ohjaa moottoria oman säätösilmukkansa avulla, sekä välittää jatkuvasti paikka- ja nopeustietoa logiikalle. AC500 päivittää paikka- ja nopeustietoa ohjaavalle järjestelmälle. Tällainen sekvenssi on esitetty kuvassa 3.2. Kuva 3.3.Säätöjärjestelmän ohjaussekvenssi. Kuvan sekvenssistä poiketen oikea järjestelmä lähettää nopeus ja paikkatietoa aina AC500:n tasolle reaaliaikaisesti riippumatta siitä onko edellisen referenssin arvoa vielä saavutettu. Kumpikin taajuusmuuttaja sisältää oman nopeus- ja vääntömomenttisäätösilmukkansa, johon AC500 asettaa referenssiarvon. AC500 logiikan nopeusohjepäätöksentekoa X- akselille kuvaa kuvan 3.3 esittämä aktiviteettikaavio. Kuva 3.4. AC500 logiikan päätöksen teko x-akselin nopeusreferenssistä.
Kun uusi paikkaohje asetetaan, tarkastaa säätöalgoritmi vastaako järjestelmän nykyinen paikkatieto ohjearvoa. Mikäli ollaan jo ohjeen mukaisessa asemassa, asetetaan X-akselin taajuusmuuttajan nopeusohje nollaan ja odotetaan uutta paikkaohjetta. Mikäli paikkatieto poikkeaa ohjeesta, X-akselin taajuusmuuttajan nopeusohjetta nostetaan tai lasketaan tilanteen mukaan niin pitkään että saavutetaan maksiminopeus. Tämän jälkeen liikettä jatketaan kunnes ohjearvo saavutetaan ja nopeusohje asetetaan nollaan. Todellisessa säätöalgoritmissa voitaisiin myös määritellä jokin etäisyys ohjearvosta, jonka jälkeen nopeusohjetta pienennettäisiin askelittain ennen täyttä pysäytystä. Mikäli järjestelmän hitausmomentti on suuri, tarvitaan tällainen asteittainen pysäytys, sillä äkillinen ohjearvon muuttaminen maksimiarvosta nollaan kuormittaa järjestelmää. 4. TEKNINEN MÄÄRITTELY EtherCAT väylän käyttäminen ohjauslogiikan ja taajuusmuuttajien väliseen kommunikaatioon on yksi asiakkaan järjestelmälle asettamia vaatimuksia. AC500 logiikassa on käytettävissä sarjaliikenneportti, jota myös ABB:n oma ohjelmisto käyttää PC:n ja logiikan väliseen komminikaatioon. Näiden faktojen perusteella voidaan määritellä järjestelmän tiedonsiirto kuvassa 4.1 esitetyn Deployment diagrammin mukaiseksi.
Kuva 4.1. Järjestelmän tiedonsiirron Deployment diagrammi. Kuten edellä mainittiin, ei järjestelmän mekaanisesta osasta ole muuta tietoa kuin moottorien vetopyörän halkaisija. Lisäksi asiakas antoi ohjeen olettaa moottorin tuottavan vääntömomenttia suoraan taajuusmuuttajan referenssin mukaan. Suurin sallittu kulmavirhe saadaan paikkavirheen maksimiarvosta vetopyörän halkaisijan avulla yhtälön 1 osoittamalla tavalla. ε pos 0,003m ε ang = 360 = 360 = 3.4377 3.4. (4.1) 2πr 2π 0,1m Oletettaessa suora liikkeen välitys hammaspyörältä lineaariliikkeeksi, saadaan moottorin kierrosnopeudeksi maksimi nopeudella liikuttaessa, n max v = 60s 2πr max = m 2 60s s 2π 0,1m = 381,9719 rpm 382 rpm. (4.2)
Tällöin halutun maksimivirheen saavuttamiseksi täytyy moottorin asentotieto saada Nyquistin näytteenottoteoreeman mukaan vähintään yhtälön 3 osoittamalla taajuudella. nmax 360 f s ang = 2 60 = 1333,333Hz 1333Hz. (4.3) ε ang Koska MS4614 moottorin sisäänrakennettu resolverin näytteistystaajuus on 10 khz, pitäisi resolverin paikkatiedon riittää järjestelmän paikkatakaisinkytkennän toteuttamiseen, mikäli resoluutio on riittävä. ABB:n tarjoamissa datalehdissä ei annettu selvää resoluutiota asentokulman mittaamisesta, joten takaisinkytkennän testaus voidaan suorittaa vasta järjestelmän testauksen yhteydessä. Tarvittaessa voidaan järjestelmän kuitenkin lisätä erillinen paikkatakaisinkytkentä, sillä taajuusmuuttajan resolveria varten tarvitsemassa enkooderimoduulissa on vapaa tulo käytettäväksi asento/paikkatiedon mittaamiseen. 5. TEKNINEN TOTEUTUS Asiakkaan toimitusvaikeuksista johtuen järjestelmän reaalinen toteutus on viipynyt, eikä mekaanisesta osasta ole mitään tietoa. Tässä tilanteessa joudutaan tyytymään ainoastaan ohjausjärjestelmän tarkasteluun. ASCM1 taajuusmuuttaja kykenee toteuttamaan nopeus- ja vääntöreferenssisäädön, sekä toimimaan myös paikkaohjeella. Käytännössä paikkaohjeeseen perustuva säätö voitaisiin näin ollen toteuttaa myös suoraan taajuusmuuttajilla. Reittiohjesäädössä saattaa taajuusmuuttajan rajallinen muisti ja laskentateho asettaa rajoituksia. Asiakkaan pyynnöstä ja reittiohjesäädön mahdollisesta toteuttamisesta johtuen päädyttiin käyttämään asiakkaalta löytyvää AC500 logiikkaa säädön toteuttamiseen. AC500 on modulaarinen ohjelmoitava logiikka, jota voidaan laajentaa asiakkaan tarpeiden mukaan sopivilla kommunikaatio ja IO -moduuleilla. Sekä logiikkaan että taajuusmuuttajiin on valmiiksi hankittu EtherCAT väylälle soveltuvat laajennus moduulit. Ethercat -väylän avulla voidaan toteuttaa reaaliaikainen ja synkroninen kenttäväylä ohjauselektroniikan osien välille. EtherCAT väylän nopeus mahdollistaa myös mittausjärjestelmän laajentamisen kenttäväylää käyttäen ja suurienkin I/O-moduulimäärien liittämisen järjestelmään.
EtherCAT:n suorituskykyä ei ehditty testata perusteellisesti ja testaus rajoittui taajuudenmuuttajan parametrien modifioimiseen väylän yli. Myös asiantuntevien henkilöiden rajallinen aika ja dokumentaation puute hankaloittivat testausta siinä määrin, että järjestelmän käyttökuntoon saanti vaati ABB:n henkilöstön apua.
LÄHTEET [1] EtherCAT Technology Group. Saatavissa: http://www.ethercat.org/ [2] ABB, Products & Services. Saatavissa: http://www.abb.com/productguide/alphabetical.aspx