Układy napędowe i wzmacniacze

Elektroniczna synchronizacja ruchów zamiast sztywnego

powiązania mechanicznego

Napędy centralne jeszcze dziś często stosuje się w wielu maszynach. Przykładem

mogą być rotacyjne maszyny drukarskie, stosowane w przemyśle poligraficznym

i włókienniczym. Przez długie wały, przekładnie redukcyjne, przekładnie rozdzielcze

i pasy zębate moment napędowy jest przekazywany i rozdzielany na zespoły

drukujące, farbujące, na walce wciągające i inne agregaty. Synchronizacja pracy

tych zespołów z materiałem drukowanym zapewniona jest przez sztywne mechaniczne

połączenie wałów napędowych.

Dlaczego synchronizacja elektroniczna zamiast mechanicznej?

Sposoby produkcji w zakładach przemysłowych zmieniają się dziś radykalnie.

Maleją partie produkcyjne. Zmiany produktu są coraz częstsze. Z tego powodu

coraz większego znaczenia nabierają nieprodukcyjne okresy maszyny. Czas postoju

na przygotowanie np. maszyny drukarskiej do druku kolejnego produktu, na

przezbrojenie urządzeń mechanicznych na nowy format czy nowe prowadzenie

drukowanego materiału, powinien być jak najkrótszy. Z pomocą przychodzi elektronika.

Maszyny drukarskie, wyposażone w zdecentralizowane, cyfrowe napędy

pojedyncze (napędy mechatroniczne), wychodzą naprzeciw życzeniom wydawnictw

i drukarni o jednej elastycznej, zautomatyzowanej maszynie produkcyjnej.

Drukarnia, posiadająca taką maszynę, może przygotowywać produkcję nowego

produktu wtedy, gdy maszyna drukuje jeszcze stary produkt. Dokładna synchronizacja

miejsc drukowania na biegnącej taśmie daje dalszy zysk na czasie. Tak spełnia

się marzenie o zmianie produkcji „w locie”. A oto szczegóły najważniejszych

korzyści [PETERS 1995]:

• Cyfrowe napędy pojedyncze mogą być wiązane w dowolne strumienie napędowe.

Odbywa się to za pomocą elektronicznej regulacji synchronicznej. Dowolnie

konfigurowalne oprogramowanie zastępuje sztywne powiązania ruchów w maszynie

klasycznej. Dla każdej fazy i każdej chwili operacji system automatyzacji kontroluje

liczbę obrotów i położenie każdego wału napędowego w maszynie i optymalizuje

te wielkości nastawcze dla procesu. Oddzielne (podporządkowane) regulacje,

dotyczące np. cięcia czy naprężenia materiału, mogą być bezpośrednio

wprowadzane do elektronicznej synchronicznej regulacji napędu.

• Napędy pojedyncze redukują liczbę i długość wałów. Stąd mniejsza liczba połączonych

z nimi przekładni i sprzęgieł. Zbędne stają się wszystkie mechaniczne

urządzenia rozgałęziające, nawrotne i przestawcze; napędy pomocnicze i boczne.

Podczas zmiany asortymentu, konserwacji czy naprawy, napędy pojedyncze pozwalają

dowolnie manewrować zespołami całej maszyny.

• Napędy pojedyncze usuwają wiele źródeł niedokładności układów mechanicznych.

Chodzi tu przede wszystkim o odkształcenia wałów (skręcenie zależne od

obciążenia), drgania skrętne, luzy w przekładniach i tolerancje wykonania. Złożony

strumień napędowy, ze swoimi właściwościami wielomasowego układu drgającego,

jest rozkładany na przejrzyste elementy. Obciążenie napędu pojedynczego

wpływa na inne napędy tylko przez przerabiany materiał (np. naprężoną taśmę

papieru czy tkaniny). Synchronizacja elektroniczna pracuje całkowicie bez oddziaływania

zwrotnego, co ma miejsce w przypadku synchronizacji mechanicznej,

wymuszonej przez sztywne połączenie wałów. Taka „bezwałowa” maszyna pozwa racji.

Przykład

Przykładem napędu mechatronicznego o powyższych właściwościach może być

np. napęd SDS 100 firmy ABB Industrietechnik AG [PETERS 1995]. Jest on wyposażony

w regulację prędkości i dodatkowo regulację położenia. Do synchronicznej

wymiany danych służą znormalizowane interfejsy. Napędy takie pozwalają

bezpośrednio nadzorować wszystkie wielkości, za których pomocą silnik może

wpływać na proces. Za pomocą tylko jednego sensora w silniku uzyskiwane są

wszystkie wielkości stanu w interfejsie maszyny:

• moment obrotowy, obliczany z prądu silnika za pomocą modelu maszyny;

• liczba obrotów i kąt obrotu wału silnika, mierzone za pomocą dokładnego

optycznego czujnika inkrementalnego, który jest zamontowany sztywno na wale

silnika (bez dodatkowego sprzęgła).

Nowy sposób obróbki sygnału w przekształtnikach prądu stałego w prąd przemienny

(falownikach) przesuwa rozdzielczość pomiaru pozycji daleko poza wcześniej

osiąganą granicę. Sygnały użytkowe mają, podobnie jak w resolwerze elektromechanicznym,

przebieg sinusowy i kosinusowy, zależnie od kąta obrotu. Miarą

ich okresu nie jest jednak całkowity obrót wału silnika, jak w klasycznym już resolwerze,

ale bardzo mały, dokładny przyrost kąta. Układ elektroniczny zlicza

wydane przyrosty (okresy) śladów czujnika, co jest typowe dla techniki czujników

przyrostu kąta. Oprócz tego układ ten interpoluje wiele tysięcy pośrednich wartości

kąta obrotu. Czyni to przez obliczanie arcustangensa z odczytywanych wartości

chwilowych sygnałów sinusowych i kosinusowych (rys. 5.6). Wartość nastawcza

liczby obrotów otrzymywana jest po wewnętrznym przeliczeniu sekwencji warto77

ści kolejno po sobie zmierzonych pozycji wirnika. Najmniejsze liczby obrotów,

około jeden obrót na dzień, mogą w ten sposób być podawane z dokładnością

układu cyfrowego i utrzymywane z dużą stałością. W ten sposób jeden system

sensoryczny zamyka oba obwody regulacji: kąta obrotu i liczby obrotów. Ponieważ

wszystkie operacje obliczeniowe do pomiarów i regulacji wykonywane są 4 000

razy na sekundę, napędy te łączą dynamiczną prędkość reakcji regulacji analogowej

z dokładnością systemu cyfrowego.

Podsumowanie

Napęd mechatroniczny składa się zwykle z silnika elektrycznego, reduktora o dużym

przełożeniu (>> 10:1), elektroniki cyfrowej, elektroniki mocy oraz z oprogramowania

komputerowego. To ostatnie obejmuje pliki do opisu dynamicznego zachowania

się regulatora, elektroniki mocy i mechaniki reduktora. Synchronizacja

ruchów w różnych zespołach maszyny, zapewniana dotychczas przez sztywne mechaniczne

połączenie wałów napędowych tych zespołów, może zostać zastąpiona

synchronizacją elektroniczną. Korzyści z tego wynikające przedstawia przedstawione poniżej

zestawienie:

---