Archiwum: SERVO
Czlowiek pracuje rekami i nogami kierowanymi przez mozg. Czlowiek ujarzmil zwierzeta i wykorzystuje je jako sile pociagowa i robocza. Siegnal po energie plynacej wody, wiatru, paliw kopalnych i w koncu energie atomowa.
Mechanizacja urzadzeniami napedzanymi energia wytworzona z zasobow przyrody, zastepuje najprostsza ludzka prace fizyczna.
Automatyzacja wprowadzila urzadzenia z wlasnym sterowaniem, nadzorem i kontrola. Pracuja cale zautomatyzowane linie produkcyjne.
Robotyzacja zastepuje prace ludzka – trudna do mechanizacji i automatyzacji.
Silnik napedowy w serwomechanizmie moze byc elektryczny, hydrauliczny i pneumatyczny.
Serwomechanizmy hydrauliczne nadal sa niezastapione ( korzystny w wysokocisnieniowych stosunek moment – moc / waga ) w samolotach. W samolocie bojowym silownik hydrauliczny ustala polozenie dzialek. W czolgu serwomechanizm hydrauliczny ustawia polozenie jego armaty.
Ale w maszynach CNC napedy hydrauliczne maja wiele wad ( brud, halas zasilacza hydraulicznego i generowane przez niego cieplo odprowadzane chlodnica, mala sprawnosc ) co spowodowalo ich wyparcie przez napedy elektryczne.
Pneumatyczne silniki liniowe sterowane binarnie przez kontroler PLC dobrze sprawuja sie na przyklad w maszynach pakujacych i pozycjonujacych ale nie tylko.
Moc elektrycznych serwonapedow jest w przedziale od 100 mW do 10 MW.
Najwiekszym swiatowym producentem malych silniczkow pradu stalego DC, silnikow krokowych i silnikow BLDC ( maja on wbudowane sensory Halla do komutacji pradow i stad czesto sa nazywana jako ”Hall motor”) sa koncerny Japonii. Produkcja ta jest juz zautomatyzowana.
Koncerny te oferuja tez uklady scalone driverow (typowo nie sa niestety w pelni serwomechanizmowe i pracuja w 2 kwadrantach a nie czterech ) tych silniczkow do roznych zastosowan.
Masowo uzywane sa one w Kserokopiarkach, Magnetowidach, Faxie, wszelkich drukarkach ( takze wbudowanych w urzadzenia ), maszynach do pisania, FDD, HDD, CD i kamerach. Produkcje czesci z tych urzadzen, szczegolnie magnetowidow, japonskie koncerny nieomal zmonopolizowaly w skali swiata.
W mniejszych seriach te silniki ( najwieksze z nich ) uzywane sa w automatycznych urzadzeniach do laboratoriow ( powstaja juz takie ! ) i najmniejszych maszynkach CNC.
Maksymalny szczytowy prad scalonych diverow dochodzi do 2A. Produkowane sa tania, stara technologia bipolarna ale mozliwe ze technologia zostanie ulepszona a moc i szybkosc kluczy zostana mocno podniesione. Prad do 6 A zapewniaja scalone w trojfazowe mostki ( tylko do napiecia zasilania ponizej 60 V ) tranzystory Darlingtona. Na przykladowym rysunku zestawiono oferowane rozwiazania napedow do nowoczesnej kserokopiarki. Takze dla innych z wymienionych wyzej urzadzen sa oferowane zestawy ukladow scalonych.
W 1983 roku wypuszczono ulepszonego robota jako RM-501. Wazyl 10 kg majac 245 mm wysokosci. Udzwig wynosil 500 gram. Podstawa obracala sie o 240 stopni, ramie 150 stopni, lokiec 120 stopni, nadgarstek 360 stopni z dodatkowym wygieciem 180 stopni. Otwarta „dlon” miala szerokosc 80 mm. Dokladnosc pozycjonowania wynosila 0.3 mm. Sterowany byl przez PC programem w Basicu lub rekomendowanym jezyku M-Roly. Kontroler mial do 40 KB pamieci ROM i 32 KB RAM KB. PC wysylal kontrolerowi robota rozkazy przez interface rownolegly Centronics lub szeregowy RS232C. Z racji niewysokiej ceny ( 1.09 mln jenow ) sprzedano ponad 20 tysiecy sztuk tych robocikow i swiat uczy sie na nich robotyki. W kolejnych ulepszonych wersjach zastosowano juz napedy z silnikami pradu stalego DC ze sprzezeniem zwrotnym sensorami.
Pierwszego w swiecie robota IRB-6 z napedem elektrycznym silnikami pradu stalego DC o pieciu osiach i udzwigu 6 kg sprzedawal od 1975 roku szwedzki koncern ASEA. W okresie 1975-1986 sprzedano okolo 1200 sztuk robotow IRB-6. Inwertery silnikow zasilane napieciem 48Vdc wykonano na japonskich tranzystorach bipolarnych mocy. Szybko wprowadzono roboty o wiekszym udzwigu. Koncern ten w 1981 pierwszy wprowadzil w serwomechanizmach silniki pradu zmiennego AC.
Generalnie roboty przemyslowe sa jednak jeszcze bardzo drogie i moga stanowic konkurencje tylko dla najdrozszej ludzkiej pracy szczegolnie w warunkach uciazliwych i niebezpiecznych dla ludzkiego zdrowia
Tak jak elektryfikacja przemyslu trwala dekadami tak dekadami trwa i bedzie trwala popularyzacja maszyn CNC i robotyzacja przemyslu. Liderem robotyzacji jest Japonia. Tylko tam roboty stosuje sie w nowych projektach rutynowo. Potezna gospodarka Japonii nastawiona jest na eksport a ten zostal karnie przyhamowany polityka USA.
W Polsce sterowanych numerycznie obrabiarek skrawajacych do metali w 1970 roku wyprodukowano 13, 1978-310, 1980-332, 1982—209 , 1983-122 i 1985-97. Kryzys w Polsce jest gleboki i szybko sie cofamy w rozwoju. Udzial maszyn NC-CNC w calosci produkcji maszyn jest bardzo maly. Obrabiarek do metalu w 1970 roku wyprodukowano 36 300 a w 1983 46 400 sztuk i trwa spadek.
Spada nawet ilosc produkowanych polprzewodnikow !
Amerykanscy giganci produkcje rodzin standardowych silnikow elektrycznych pradu zmiennego AC zmechanizowali w latach trzydziestych i podjeli prace nad automatyzacja produkcji. Dosc trudna byla mechanizacja i automatyzacja produkcji komutatora silnikow pradu stalego DC i silnikow uniwersalnych do sprzetu AGD i narzedzi, ktorych produkuje sie pol miliarda sztuk rocznie rocznie.
Maly silniczek DC zastosowano w Walkmanie. Przed I Wojna swiatowa moc poteznych napedow DC najwiekszych – najnowoczesniejszych walcarek doszla do 10 MW ! Typowa moc silnika DC konwencjonalnej lokomotywy wynosi 500-800 kW przy napieciu 1500 Vdc. Wada silnika komutatorowego jest niska trwalosc szczotek i komutatora ale postep w tej mierzy byl duzy. Silnik DC jest ciezszy, wiekszy i drozszy niz silnik pradu zmiennego AC. Bezpieczny dla komutatora prad spada wraz z szybkoscia obrotowa silnika. Ma wiec on obszar pracy bezpiecznej SOA.
Wzgledne straty mocy na tarcie szczotek o komutator maleja z moca jednostki.
Spadek napiecia na szczotkach i kontakcie z komutatorem rowniez powoduje spadek sprawnosci.
Iskrzenie na styku komutator szczotki powoduje powstawanie zaklocen radiowych i jest niebezpieczne w srodowisku wybuchowym.
W niektorych zastosowaniach powstajacy z tarcia szczotek i komutatora pyl jest bardzo niepozadany.
Wlasciwosci wszystkich silnikow elektrycznych a w tym serwomechanizmowych sa pochodna optymalnosci projektu i cech uzytych w nim materialow.
Opracowywane sa nowe, lepsze materialy.
1.Podstawowym materialem dla przemyslu sa stale. Postep w tej dziedzinie jest powolny ale jednak trwa. Normy krajow i normy miedzynarodowe wymieniaja setke gatunkow stali weglowych, niskostopowych i wysokostopowych. Dodatkami stopowymi sa nikiel, chrom, mangan, wolfram, miedz, molibden, tytan, niob i rzadziej inne. Zanieczyszczenia - tlenki siarki i fosforu, tlen, azot – maja negatywny wplyw na parametry stali.
Z wysokogatunkowych stali produkowane sa drogie wyroby.
Dodatki stopowe sa z reguly drogie. Nikiel na rynku swiatowym moze kosztowac 20 x tyle co stal
Generalnie wyroby stalowe walcowane na zimno maja do 20% wyzsza wytrzymalosc niz walcowane na goraco. Zimnowalcowana blacha transformatorowa ma zorientowane domeny magnetyczne i znacznie nizsze straty ale w silniku kierunki pola magnetycznego sa rozne i blachy anizotropowej sie nie uzywa.
„Czy to sens ma klac ze ten swiat z kiepskiego zrobiony surowca,
bo dobry Bog juz robil co mogl teraz trzeba zawolac fachowca...”
Z pustego i Salomon nie naleje. Samochody zrobione z polskiej blachy rdzewieja jak szalone. Elementy samochodow zuzywaja sie przedwczesnie. Samochody staja sie niesprzedawalne za dewizy. Z kiepskiego surowca trudno jest cos dobrego zrobic. Z czego wynika niska jakosc produkowanej w Polsce stali ? Z mechanizmu promujacego miernoty a tlumiacego innowatorow i wynalazcow oraz z anty-innowacyjnosci calego systemu. Emigrant Tadeusz Sedzimir nazywany jest Edisonem Metalurgii. Jego opracowania kupujemy bardzo drogo z drugiej i trzeciej reki a on sam jest na cenzurze.
Polska nie jest w stanie uruchomic wlasnej ( one sa zautomatyzowane ) linii Ciaglego Odlewania Stali mimo iz linie te w swiecie pracuja od lat szescdziesiatych. Jest Akademia Gorniczo - Hutnicza. Na Politechnikach sa Wydzialy Budowy Maszyn, ktore niczego nie projektuja i nie buduja.
Stalinowski ZSRR kupil od US Stell ogromna hute zbudowana w Magnitogorsku. Maszyny z niej skopiowane w zakladach maszynowych na Uralu dostala Huta im. Lenina. Trudno aby dobra stal ( wedlug obecnych wymagan ) produkowac technologia z lat dwudziestych. Oddawana do uzytku Huta Katowice jest mocno przestarzala !
Tak wiec blednie pretensje o duze straty energii elektrycznej w przesyle i dystrybucji adresowane sa do energetykow. Powinny byc adresowane do hutnikow co to nie produkuja dobrej blachy na transformator !
To wyjasnia dlaczego polskie silnik elektryczne sa ciezsze i mniej sprawne od Zachodnich. Marny jest surowiec, wykonanie ( m.in. zadziory na sztancowej prasa blasze powiekszaja straty ) i projekt !
Zachodnie inwestycja w hute zintegrowana jest droga przy inwestycji w „Mini Mill” 1000 / 200 dolarow / ton na rok ale koszt jest tez w elektrowni dostarczajacej energii do pieca lukowego Mini Mill. Mini Mill zawsze ma automatyczna linie Ciaglego Odlewanie Stali.
Technologie ultranadkrytyczna w energetyce najwczesniej zastosowano w USA, bowiem tam stopy zaroodporne stosowane byly juz od lat w silnikach lotniczych i technologia byla opanowana. Ale zarodporna stal jest droga a niedopracowana technologia ultranadkrytyczna byla awaryjna co spowodowalo odejscie od niej wobec bardzo taniego wydobycia w USA wegla kamiennego metoda odkrywkowa. W Polsce wegiel jest wydobywany glebinowo bardzo drogo ale nie mozemy wdrozyc technologii nadkrytycznej bo m.in. jest bardzo drogi jest potrzebny w duzej ilosci nikiel i inne dodatki stopowe. Nie jest wcale pewne czy zadaniu wyprodukowania odpowiedniej stali podolalyby polskie huty.
W ZSRR produkowano serie silnikow pradu stalego P zastapiona przez serie 2P. Jak podano skutkiem zastosowania nowych materialow (!) oraz optymalizacji ich wage zmniejszono 2-3 krotnie (!), zmniejszajac moment bezwladnosci o okolo 40%, podwajajac czas pracy i obnizajac szumy i wibracje. Silniki maja wbudowane Tacho i moga miec sensor kata.
Zwiazek Radziecki sprzedaje surowce i cenne metale za dolary z tego samego powodu z jakiego Polska nieoplacalnie eksportuje wegiel – rozpaczliwie potrzebuja dolarow na zakupy na rynku swiatowym, takze technologii.
Tak jak drogi jest transport kazdego kilograma masy samolotu czy rakiety tak samo drogie jest przemieszczanie masy ramienia robota czy konstrukcji maszyny CNC na co skladaja sie masy silnikow z przekladnia i ramion oraz przedmiotu . Oczywiscie trzeba stosowac odpowiednie materialy.
2.Metale lekkie maja lepszy iloraz wytrzymalosci do masy niz stale ale najlepszy w tej mierze jest tytan, ktory w zasadzie nie jest metalem lekkim. Wysoka wytrzymalosc maja tez stopy tytanu.
Aluminiowy, ozebrowany, poczerniony korpus silnika BLDC malej – sredniej mocy obejmujacy blachy stojana dobrze odprowadzi cieplo nawet bez wymuszonego chlodzenia.
3.W maszynach synchronicznych ( do nich tez nalezy BLDC ) malej i sredniej mocy stosowane sa magnesy stale. Stosowane sa tez w silnikach komutatorowych DC i w hybrydowych silnikach krokowych. Magnes jest scharakteryzowany energia wlasciwa (B x H)max/m3.
Magnesy zelazne mialy bardzo mala energie wlasciwa. Pierwsze magnesy Alnico opracowano na przelomie lat 30/40 doskonalono do przelomu lat 60/70 wprowadzajac magnesy o strukturze anizotropowej. Maja on duza indukcje poczatkowa ( do 1.34 T ) i niewielkie pole magnetyczne powsciagajace czyli sa wrazliwe na rozmagnesowanie. Odwrotnie magnesy ferrytowe barowe i strontowe ktore sa tansze od stopow Alnico – maja mniejsza indukcje poczatkowa ale duze pole magnetyczne powsciagajace. Na poczatku lat siedemdziesiatych pojawily sie magnesy samarowo – kobaltowe SmCo. Zamiast Samaru moze byc tez zastosowana inna kompozycja metali ziem rzadkich. Magnesy te maja wieksza energie niz wczesniejsze ale sa okolo 3 razy drozsze od magnesow Alnico, ktore tez nie sa tanie Ostatnim odkryciem sa jeszcze silniejsze magnesy neodymowe NdFeB. Ten ostatni o masie 7 gram wytwarza takie pole magnetyczne jak wazacy kilogram elektromagnes !
Metale Ziem Rzadkich nie sa az takie rzadkie w skorupie Ziemi jak wskazuje ich nazwa ale ich produkcja jest bardzo uciazliwa srodowiskowo i energozerna co wyznacza wysokie ich ceny.
Gdyby nie gospodarcza blokada USA i Zachodu polskie firmy moglyby kupowac potrzebne im surowce ale nie moga a krajowe sa kiepskie.
Serwomotor stosowany jest w maszynach CNC, robotach i wielu innych urzadzeniach. Ma ekranowany kabel mocy i osobno kabel sygnalowy.
Zintegrowany serwomotor obrotowy ( moze tez byc liniowy ) moze zawierac:
-Silnik komutatorowy DC lub silnik synchroniczny AC takze jako BLDC a w przyszlosci silnik asynchroniczny
-Trzy komutacyjne sensory Halla do okreslenia kata wirnika silnika BLDC
-Tacho generator DC lub AC, bezlozyskowy
-Sensor kata: resolver, kwadratowy inkrementalny z indexem lub absolutny sensor optyczny, bezlozyskowe
-Hamulec (bezpieczenstwa ) czyli luzownik odpuszczajacy dopiero po podaniu napiecia stalego 24Vdc, bezlozykowy
-Przekladnie redukujaca. Sprawnosc szlifowanych przekladni dochodzi do 99.5% a prymitywniejszych jest ponizej 90%
-Sensor temperatury NTC / PTC w uzwojeniu
-Wentylator ze swoim niezaleznym napedem
Specyfika pracy silnika serwonapedu wynika z wlasnosci maszyny, ktorej jest czescia, i dalece odbiega od pracy silnika roboczego. Najczesciej szybki i malo dokladny jest znaczny ruch po czym nastepuje powolna dokladna faza z malym lub srednim obciazeniem
W silniku asynchronicznym namagnesowanie rotora, z jego niemala stala czasowa, daje skladowa Id pradu stojana. Iloczyn wektorowy pradu Iq statora z namagnesowaniem rotora daje moment mechaniczny. Silnik asynchroniczny nie generujacy zadnego momentu obrotowego musi pobierac prad aby rotor byl namagnesowany. Bez namagnesowania rotora silnik indukcyjny nie jest dyspozycyjny to znaczy wpierw trzeba chocby polowicznie namagnesowac rotor aby silnik generowal w ogole uzyteczny moment napedowy. Maly wspolczynnik mocy cos phi jest szczegolnie szkodliwy – kosztowny przy zasilaniu maszyny z kosztownego invertera. Nagrzewanie stojacego silnika nie oddajacego zadnego momentu tez jest minusem. W zakresie malych obrotow maszyna synchroniczna ma wieksza sprawnosc niz asynchroniczna.
Dla najlepszego wykorzystania drogiego inwertera maszyna synchroniczna ( takze BLDC ) powinna pracowac ze wspolczynnikiem mocy bliskim jednosci. Mozliwe sa odstepstwa. Troche wieksze namagnesowanie rotora pozwala uzyskac przy malych obrotach wiekszy moment a odmagnesowanie pozwala zwiekszyc maksymalna szybkosc rzecz jasna tylko przy zmniejszonym momencie obrotowym.
Silnik BLDC moze miec typowo rotor z magnesem stalym wewnetrzny lub rzadziej zewnetrzny, szczegolnie w malych jednostkach do dziedziny Office Automation.
W rotorze maszyny synchronicznej z magnesem stalym straty mocy sa niewielkie i gro mocy wydziela sie w uzwojeniu statora i zelazie statora. Cieplo z nich jest wzglednie dobrze odprowadzane do obudowy silnika, ktora aluminiowa moze byc ozebrowana i czarna dla dobrego odprowadzenia ciepla.
Silnik serwomechanizmu moze miec chlodzenie wymuszone niezaleznie pracujacym wentylatorem zewnetrzne gdy chlodzi zasysane swieze i czyste (!) powietrze lub wewnetrzne gdy tylko powietrze przeplywa w silniku co jest uzyteczne w silniku komutatorowym gdzie cieplo wydziela sie glownie w uzwojeniu wirnika i w silniku asynchronicznym gdzie nagrzewa sie aluminiowa klatka w rotorze.
W przypadku maszyn synchronicznych i silnikow DC z magnesem stalym wlasnosci magnesu wprost przekladaja sie na parametry silnika a zwlaszcza bezwladnosc i mase. Stad uzasadnione jest uzycie nawet drogich magnesow stalych o duzej energii wlasciwej. Bezwladnosc silnika ma dominujacy udzial w bezwladnosci calej maszyny i stad pasozytniczy mechanizm samo - powiekszania mocy napedu o duzej bezwladnosci, ktory glownie sam napedza swoja bezwladnosc!
Najprostszy serwonaped bez sprzezenia zwrotnego silnikiem krokowym moze miec sile powiekszona wzmacniaczem hydraulicznym. Skrajne /spoczynkowe polozenie moze wskazywac transoptor szczelinowy. Aktualne polozenie po zaniku zasilania lub wylaczeniu moze byc zapisane w pamieci nieulotnej.
Sterowanie silnika krokowego ma wielki wplyw na osiagany moment napedowy i maksymalna szybkosc pracy.
Silniki pradu stalego lub synchroniczne ( takze w odmianie BLDC ) malej i sredniej mocy sa z magnesami trwalymi. Silniki DC ze wzbudzeniem elektromagnetycznym obnizonym napieciem wzbudzenia mozna znacznie podniesc obroty kosztem maksymalnego momentu.
Nazwa bezszczotkowy silnik pradu stalego ( Brush Less DC) wprowadza w blad bowiem jest to silnik synchroniczny ale o nabiegunnikach uksztaltowanych tak ze napiecie miedzyfazowe jest trapezoidalne a nie sinusoidalne co pozwala uproscic uklad sterowania. W praktyce ten trapez moze sie niewiele roznic od sinusoidy. Mozna generowane napiecie obserwowac oscyloskopem po pokreceniu walem silnika. Gdy nie ma z sensora kata koniecznej do komutacji informacji o kacie walu silnik musi miec wbudowane trzy hallotrony podajace inverterowi sygnaly do komutacji. Tylko hipotetycznie silnik BLDC moze dostarczac 15% wieksza moc niz synchroniczny. Mankamentem BLDC sa pewne pulsacje momentu napedowego , ktorych praktycznie nie ma w silniku synchronicznym.
W inverterze do BLDC w istocie odwrocono idee pracy diodowego mostka trojfazowego. Przewodzi jeden klucz z zasilania „+” i jeden z zasilania „-” tak samo jak diody mostka i podobnie jak inverter pradu CSI z silnikiem AC.
Resolver moze pracowac w systemie z:
-Pomiarem fazy gdy uzwojenia SIN i COS sa zasilane bardzo dokladna kwadratura napiec
-Pomiarem amplitud
-Systemem z sledzacym z obserwatorem kata ktory jednoczesnie dostarcza sygnalu predkosci co jest ogromna zaleta jako ze uzyskanie sygnalu szybkosci z sygnalu polozenia droga rozniczkowania prowadzi do mocnego zwiekszenia szumow co moze byc niedopuszczalne i wymaga zastosowania Tachogeneratora .
Resolver dostarczajacy rownolegle sygnalow inverterowi zasilajacemu silnik ma zawsze tyle par biegunow co silnik synchroniczny a mechaniczne przesuniecie fazy miedzy silnikiem a resolverem jest zerowe.
Resolvery produkowane sa od dawna i od lat modele bezszczotkowe sa dosc trwale. Generalnie interfejs wspolpracujacy z resolverem jest drogi. Fanuc do swoich sterowan taki interfejs scalil w ukladzie w obudowie DIP40 niedostepnym handlowo.
Induktosyn mierzy przesuniecie liniowe. Z uwzglednieniem roznych impedancji ( bardzo male w induktosynie sa podniesione transformatorkami ) interfejsy sa takie same jak do resolvera.
Scalony kwadraturowy optyczny impulsowy sensor kata z indeksem jest niedrogi ( wzor na tarczy wykonany jest fotolitografia ) a jest nadzieja ze mikrokontrolery zostana wyposazone w interfejs do bezposredniej wspolpracy co radykalnie uprosci uklad wspolpracy. Aby miec niezawodna informacje o kacie walu silnika dla invertera silnika synchronicznego i BLDC sygnal informujacy przerwaniem procesor o nadchodzacym braku zasilania powoduje spuszczenie hamulca silnika i zapisanie w pamieci nieulotnej aktualnego „zahamowanego” kata. Miedzy tym sygnalem a resetem musi byc wystarczajaca ilosc czasu na zahamowanie silnika i zapis danych o kacie. Po podjeciu pracy mozliwa jest poprawna komutacja ale dla pewnosci przy pojawieniu sie sygnalu Index sprawdza sie i ewentualnie koryguje cyfrowy sygnal polozenia. Optyczne sensory absolutne z wielobitowym wyjsciem mierzonego kata sa logicznie proste w zastosowaniu ale drogie.
Tachogenerator DC ma trwalosc ograniczona szczotkami. Trojfazowy Tachogenerator AC wymaga prostownika fazoczulego (prosta realizacja z multiplekserami z taniej rodziny CMOS 4000) sterowanego sygnalami komutacji z invertera maszyny synchronicznej /BLDC.
Rozpietosc wydajnosci maszyn do montazu elementow przewlekanych i SMD ( Surface Mount Device ) na PCB jest duza. W najprostszych malych maszynach mozna stosowac nawet naped silnikami krokowymi ale musza byc optymalnie sterowane dla uzyskania najwiekszego momentu i szybkosci pracy. Caly czas rosnie rozdzielczosc technologii monolitycznej ale takze technologi produkcji plyt drukowanych. W ukladzie hybrydowym stosowane sa struktury elementow polprzewodnikowych. Ich montaz jest znacznie trudniejszy niz elementow obudowanych. W pierwszej polowie lat siedemdziesiatych rozpoczeto produkcje elementow elektronicznych w malych obudowach „for Hybrids” Poniewaz wzrosla gestosc PCB pozniej montowano je na plytach drukowanych a technologie quasi - hybrydowa nazwano SMD.
Jest wiele zastosowan serwomechanizmow malej mocy. Maszyny do montazu IC i maszyny do montazu PCB sa nawet z silnikami krokowymi.
Niektore koncerny mikroelektroniczne montaz wyprodukowanych struktur ukladow scalonych i tranzystorow przeprowadzaja na przyklad na Filipinach i Malezji bo tam sila robocza jest bardzo tania. Cena struktury prostego elementu wynosi okolo 50% ceny elementu obudowanego.
Niektore koncerny mikroelektroniczne oferuja produkowane struktury diod, tranzystorow i ukladow scalonych. W katalogach podano ich wyglad i bardzo szerokie zakresy parametrow, ktore struktury maja. Omowiono technologie ich montazu. Mozna w specjalnym quasi hermetycznym opakowaniu kupic tylko ilosci hurtowe. Struktura diody rodziny 1N400X jednego z producentow wazy przykladowo zaledwie 93 mikrogramy !
Na drugim koncu skali mocy serwonapedow sa na przyklad napedy wciagania w dzwigach do przeladunku kontenerow. Dzwigi te maja naped hydrauliczny lub elektryczny mocy do 200 KW.
Kontenery wygodne w calym procesie transportu od „drzwi do drzwi” przyczyniaja sie do wzrostu handlu miedzynarodowego.
Tyrystorowe invertery do zasilania silnikow DC serwomechanizmow produkowano juz pod koniec lat szescdziesiatych. Swiatowym liderem w dziedzinie sterowan CNC jest japonski Fanuc. Dostepne (!) sa kserokopie schematow jego sterowania. Sa to nowoczesne, dobre, poprawne rozwiazania warte nasladowania ale Fanuc stosuje w malej czesci wlasne, niekomercyjne uklady scalone. Fanuc na poczatku lat osiemdziesiatych zaczal przechodzic w napedach DC z tyrystorow na mostki z tranzystorami Darlingtona a w 1983 roku wprowadzil pierwszy naped AC.
Fanuc stosowal moduly tyrystorow a do wyzwalania ich uzywal malych transformatorkow. W sterowniku fazowym uzyto nieznakowanych ukladow scalonych ale sa to znane uklady Siemensa.
Pasmo sterownika tyrystorowego zalezy od ilosci pulsow „m” w okresie napiecia sieciowego . Dla m=6 czyli szesciu tyrystorow w jednym inverterze jest dwa razy szersze niz dla m=3. Sterownik o szerszym pasmie ma dwa odwrotnie rownolegle polaczone invertery i jest w nim az 12 tyrystorow.
Mankamentem produkcyjnym sterownikow tyrystorowych jest duzy naklad pracy ludzkiej. W malych - srednich jednostkach mozna ja zmniejszyc stosujac tyrystory w „platikowych” obudowach TO220 i TOP3 montowane na plycie drukowanej PCB i wspolnie dociskane do wspolnego radiatora. Produkowane na Zachodzie tyrystory w obudowach TO220 sa na prad do 25 A a w obudowach TOP3 na prad do 40 A.
Choc przewroty inverterow i zwarcie miedzyfazowe nie powinny wystapic to dla bezpieczenstwa prad zwarcia miedzyfazowego musi byc ograniczony dlawikami sieciowymi lub lepiej transformatorami. Temperatura radiatora musi byc kontrolowana bowiem wraz z rosnaca temperatura spada maksymalna stromosc napiecia du/dt tyrystora i gwaltownie wzrasta podatnosc na zaklocenia.
Zaleta inverterow tyrystorowych sa ogromne moce oferowanych jednostek i ich rozsadna cena.
Kolejna powazna wada inverterow tyrystorowych jest wprowadzanie do sieci energetycznej pradow harmonicznych.
Tyrystorowy inverter fazowy do serwomechnizmu jest jednak juz przestarzaly ale uruchomienie produkcji kopi scalonego ukladu sterownika fazowego Siemensa ma jak najbardziej sens. Sens maja tez tyrystory w obudowach TO220 ( mamy licencyjne szybkie tyrystory BT127-128 ale potrzebne sa na wiekszy prad tyrystory „fazowe” ) i TOP3
Zaleta grupy tranzytorowych inverterow jest wspolny dla nich zasilacz napiecia stalego co mocno ogranicza moc strat w rezystorze „hamowania” ktory musi byc zalaczony do wyjscia zasilacza dla absorbcji energii z intensywnie hamowanego napedu. W tym czasie hamowania pracuja jednak pozostale osie ( w robocie conajmniej 6 ) a oprocz tego wszystkie zasilane invertery PWM maja jalowe straty mocy.
Parametry tranzystorow Darlingtona stosowanych w mostkach mocy do sterowania PWM wszelkich silnikow ciagle ulegaja polepszeniu. Prad Ic struktur wysokonapieciowych tranzystorow Darlingtona jest nie wiekszy od 10-15A i laczy sie ich w module odpowiednio duza ilosc po selekcjonowaniu do pracy rownoleglej. Stosowana jest w module osobna bardzo szybka dioda antyrownolegla bowiem dioda scalona z tranzystorem wysokonapieciowym jest bardzo wolna. Montaz struktur Darlingtonow w modulach jest automatyczny. Moduly te nie sa masowo produkowane i stad ich wysoka cena. Doskonalone sa tez scalone uklady driverow do Darlingtonow mocy ale do perfekcji duzo im jeszcze brakuje
Potezny koncern General Electric w 1985 roku wprowadzil na rynek komercyjne tranzystory IGBT mocy – Insulated Gate Bipolar Transistor. Sa wygodnie sterowane bramka jak tranzystor Mosfet i maja juz dosc szeroki obszar pracy bezpiecznej. Podobnie jak w wylaczalnym bramka tyrystorze GTO wystepuje w nich przeciaganie pradu po wylaczeniu co daje duze dynamiczne straty mocy czym totalnie roznia sie od tranzystorow Mosfet. Produkcje tych tranzystorow IGBT (sa japonskim wynalazkiem) podjely tez inne koncerny i sa one doskonalone pod katem szybkosci wylaczania i pracy bez stratnych snubberow RCD.
Wymienione tu elementy elektroniczne podlegaja zachodnim ograniczeniom eksportowym COCOM i stad koniecznosc uruchomienia ich produkcji w krajach socjalistycznych
Komputer sterowania CNC / robota ma na wyjsciu przetworniki DAC i analogowy sygnal wyjsciowy jest wielkoscia zadana pradu silnika dla „Amplifier” zasilajacego silnik serwomechanizmu.
Sterowanie fazowe lub PWM moze wykonac wydajny mikrokontroler i w tym wypadku ma on informacje z przetwornika ADC o pradzie silnika, ktory musi byc probkowany dla miarodajnosci w odpowiednim momencie cyklu PWM lub cyklu 60 deg w sterowniku fazowym. Rozwiazanie to jest nowoczesniejsze ale wymagania na szybkosc mikrokontrolera sa bardzo wysokie. Niemniej mikrokontrolery sa coraz wydajniejsze i maja coraz lepsze wbudowane peryferia a w tym generator sterujacego sygnalu PWM
Poniewaz w serwomechanizmach najwieksza czesc jego bezwladnosci stanowi sam silnik stosowane jest dynamiczne forsowanie napedu. Stad konieczne jest umieszczenie w uzwojeniu silnika termistora PTC lub NTC aby silnika nie przeciazyc. Alternatywnym rozwiazaniem jest elektroniczny obserwator wyznaczajacy na postawie historii pradu silnika domniemana temperature jego uzwojen. Produkowane lakiery izolujace drut nawojowy silnika maja coraz wyzsze dopuszczalne temperatury pracy ale pamietac nalezy o tym ze zbyt wysoka temperatura pracy uzwojen i silnika mocno skroci zywot silnika a niektore magnesy ulegna oslabieniu.
Podsumowujac:
1.Automatyzacja trwa juz dekady. Powazne prace nad dalsza mechanizacja i automatyzacja prowadzono u Forda juz tuz przed wojna. Politycy do automatyzacji produkcji podchodza jak do Jerza bojac sie bezrobocia czyli okropnych klopotow gospodarczo - spolecznych.
2.Aksamitnie okupowane przez USA Japonia i Niemcy sa w grupie najnowoczesniejszych i najpotezniejszych gospodarek swiata. Japonia i Niemcy swoim eksportem prowadza wojne gospodarcza ze swiatem. Koncerny obu krajow wspolpracuja z ich rzadami. Mitsubishi seryjnie wyprodukowal robociki edukacyjne aby przygotowac kadry do zaprogramowania w fabrykach tych maszyn i integracji ich z procesem produkcyjnym. Japonia jest jedynym krajem swiata gdzie roboty sa stosowane rutynowo. Produkcje ulepszonej kopii tych robocikow mozna w Polsce uruchomic bazujac na nielegalnie kupowanych elementach.
Emigrujacy – uciekajacy z Polski na Zachodzie podejmuje najgorsze, slabo platne prace ktorych nie chca wykonywac miejscowi. Tymczasem w wielu dziedzinach brakuje tam kwalifikowanych inzynierow i technikow. Miedzy innymi do maszyn CNC ( tez CAD – CAM ) i robotow
3.Japonia chcac niszczyc w swiecie nowoczesna konkurencje musi tanio ( maly naklad ludzkiej pracy ) produkowac bardzo dobre wyroby. Automatyzacja produkcji byla i jest tam koniecznoscia.
Eksport jest potrzebny do zakupu surowcow jako ze kraj jest w nie dosc ubogi.
Japonska mikroelektronika jest jedna z najpotezniejszych w swiecie.
4.Kryzys z definicji nie jest zdarzeniem ktore trwa dlugo. Natomiast polski kryzys zadluzenia zagranicznego wzmocniony sankcjami za wprowadzenie stanu wojennego trwa i trwa.
Historia uczy ze sa rozne wyjscia z kryzysow. II Zimna Wojna wydaje sie dogasac. Porozumienie sie supermocarstw USA z ZSRR moze skutkowac lagodnym potraktowaniem polskiego dluznika tak jak wszystkich innych dluznikow ze swiata.
5.Rentowna jest tylko masowa produkcja mikroelektroniczna. Polska gospodarka jest za mala aby wiele rodzajow mikroelektroniki produkowac tylko na swoje potrzeby ale trwa wymuszajace technologiczne embargo. Cemi potrafi produkowac tylko stare, proste uklady scalone korzystajac z cudzych masek. Cemi nie potrafi nawet wyprodukowac wysokonapieciowych tranzystorow mocy co musi dziwic i zastanawiac bo przeciez produkowane sa one w 4 krajach socjalistycznych. Mozliwe ze kierownictwo chce ta firme doprowadzic do rozkladu w mysl hasla „Im gorzej, tym lepiej”
6.Polska jest duzym producentem statkow a na statkach jest duzo napedow elektrycznych. Nie wszystkie porty maja dzwigi kontenerowe i tam statek sam musi sie obsluzyc. Kontenerowce z wlasnymi dzwigami sa drogie i poszukiwane na swiatowym rynku. Sa tez inne poszukiwane rodzaje statkow ale polskie stocznie produkuja tylko jednostki prymitywne i najtansze. Co gorsza ich elektronike i automatyke kupujemy bardzo drogo (omijanie embarga ) za dewizy.
Drogi jest potezny dzwig - suwnica na nabrzeze portu kontenerowego. Bardzo szybko przeladowuje on kontenery ze statku na platformy kolejowe lub ciezarowki TIR.
7.Polska przerobila sie na prymitywna niewolniczo -panszczyzniana kolonie w XVI-XVII wieku co doprowadzilo w koncu do upadku panstwa.
Zboze w Gdansku bylo 2 x krotnie drozsze niz na polskich rynkach lokalnych, zas w Amsterdamie 2 x krotnie drozsze niz w Gdansku. Glowna korzysc z handlu w Polsce odnosily kupieckie rody niemieckie w Gdansku, ktory na tle polskich miast byl niewyobrazalnie bogaty i wielki oraz flota Holendrow. Gigantyczna „flota Amsterdamska” budzila dziki podziw w oczach polskiej szlachy. Zboze glownie wysylano do krajow, w ktorych na skutek nieurodzaju znacznie wzrosly ceny. W Amsterdamie magazynowano zboze w duzych spichrzach. Ceny zboza ustalone na gieldzie w Amsterdamie decydowaly o cenach w calej Europie – Genui, Madrycie, Lizbonie i Londynie. W owym czasie tylko Holendrzy mieli rozbudowana w swiecie, monopolistyczna siec bankowosci i operacji kredytowych. Tylko oni mogli zorganizowac duze przedsiewziecia w handlu miedzynarodowym.
Potezna Kompania Wschodnio - Indyjska handlowala ponad 100 towarami: zlotem, srebrem, miedzia, cyna, opium, a takze wszystkim, na czym byl duza marza. Za zloto i srebro ( duza czesc piracko zrabowana Hiszpanom ) z Holandii kupowano skory jelenie w Tajlandii, ktore sprzedawano dalej w Japonii. Za skory kupowano miedz, ktora sprzedawano w Indiach za materialy bawelniane. W Molukken (dzisiejsza Indonezja) za bawelne kupowano przyprawy (gozdziki, cynamon, pieprz, galka muszkatolowa) i z tym wracano do Europy. Po calym wielkim obiegu handlowym powiekszano kapital 10-krotnie!
8.Byle polskie obszary pod administracja zaborcow sporo sie gospodarczo podciagnely ale kapitalisci byli tam obcy narodowo. Za wladzy sanacyjnej zlodziejskiej dziczy nie powstala w Polsce ani jedna duza prywatna firma a gospodarka ulegla makabrycznej prymitywizacji. Niemcy Polske momentalnie podbili.
Polska i inne kraje slowianskie mialy byc dla Niemiec czyms takim jak eksploatowane brytyjskie kolonie dla Anglii. Ale po wojnie kolonializm zostal zastapiony przez znacznie perfidniejszy i bardziej oplacalny neokolonializm. Tym razem wojne gospodarcza prowadza znow Niemcy i Japonia.
Teraz wojuje sie technologia i pieniadzem. Ale z podobnie oplakanym skutkiem dla pokonanych.
Zatem wszystko sprowadza sie do miejsca w swiatowym podziale pracy.
9.Polskie silniki krokowe na tle silnikow japonskich tylko smiesza. Z braku dobrej stali ( takze metali lekkich i tytanu ) i magnesow nie mozna wyprodukowac dobrych silnikow krokowych i silnikow BLDC. Parszywa stal ma za duzo siarki i fosforu. Z tego powodu wszystko rdzewieje a korozja powoduje gigantyczne szkody gospodarcze. Dodatki stopowe sa drogie a nie mamy (we wspolnym worze ) dolarow i dlatego stali dobrej jakosci nie produkujemy. Kolo patologi z hutnikami sie zamyka.
10.Automatyzacja ( z nieodlacznie wysokimi wynagrodzeniami pracownikow ) jest w dodatnim sprzezeniu zwrotnym z sama automatyzacja i wzrostem gospodarczym na wiele sposobow. Miedzy innymi sprzedaz na rynku swiatowym nowoczesnych wyrobow pozwala kupowac wszelkie potrzebne materialy i surowce oraz elementy jako zaopatrzenie produkcyjne.
Prymitywna gospodarska z tanimi wyrobami i Tania Sila Robocza zadnej automatyzacji nie potrzebuje i jej na nia nie stac skoro tanszy jest niewolnik.
Sukces rodzi kolejny sukces a porazka kolejna porazke.
Zapozniona Japonie pierwszym razem z powodzeniem modernizowala w XIX wieku dynastia Meiji a drugim razem Japonia wziela sie do galopu w latach piecdziesiatych po druzgocacej klesce wojennej. Japonia wpierw przyswoila zachodnie technologie a potem uczen stal sie lepszy od mistrza.
Niestety Polska nie potrafi modernizowac i rozwijac drogo zakupionych zachodnich technologii.
Zalacznik.
1.Schemat ideowy ( czesc ) i blokowy ( reszta ) robocika edukacyjnego Mitsubishi.
2.Schemat blokowy robota Asea z napedem silnikami AC
3.Schemat ideowy IV kwadrantowego sterownika do silnika BLDC serwo. Uklad jest zbudowany z prostych ukladow scalonych ( logika, wzmacniacze operacyjne, komparator ) i elementow dyskretnych i nadaje sie do scalenia. Gorne klucze mocy („Hall motor” jest malej mocy i innego nie ma ) to tranzystory Darlingtona PNP a dolne NPN czyli w rozwiazaniu na wysokie napiecia potrzebne sa odpowiednie drivery. Prad mierzony jest tylko jednym rezystorem.
Napieciowym sygnalem zadanym ( ma pochodzic z DAC komputera CNC / Robota ) jest prad silnika.
Testowa ( tylko testowa ) petla predkosciowa jest dosc prymitywna. Oba zbocza 3 sygnalow sensorow Halla sa zrozniczkowane bramkami EXOR z obwodem RC na jednym wejsciu a szpilki podane do timera a sygnal predkosci DC z timera wygladzony obwodem RC. Podano go do regulatora PI petli predkosci ( nadrzednej w kaskadzie w stosunku do pradu ) a sygnal zadany jest z generatora.
Dzialanie obserwowane oscyloskopem jest bardzo dobre. Mniejsze niz mozna sie spodziewac ( taka jest uroda silnika BLDC ) sa pulsacje predkosci.
4.Schemat drivera do tranzystora Darlingtona zbudowanego ze zwyklych tranzystorow BUX48A ( 450/1000 V, 15 A). Napiecie zasilania jest ograniczone napieciem Uceo i napieciem ( wybranego na najwieksze Uceo ) tranzystora - przesuwnika poziomu BF459.
Do zasilania driverow jest uzyta przetwornica i to w dodatku z wieloma izolowanymi uzwojeniami wtornymi.
Przy zasilaniu z prostownika jednofazowego „310” Vdc klucz obciazony elektrycznym czajnikiem z indukcyjnoscia wygladzajaca ( warunki przelaczania jak w trojfazowym inverterze ) bez snubbera pracuje znakomicie.
Tranzystor bipolarny to nie jest jednak dla energoelektroniki „klucz marzen”. Kompletny inverter bylby okropnie skomplikowany.
Ciekawy artykuł
OdpowiedzUsuńWitam Fizyka jest niezmienna i to jest jej zaletą.
Usuń