Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Dvouosé digitální servozesilovače TGZ

Dosud vyráběné servozesilovače zpravidla nabízejí buď velký stupeň univerzality, nebo jen omezený soubor funkcí. Univerzální servozesilovače umožňují připojení různých motorů a snímačů zpětné vazby, analogové nebo digitální řízení a připojení k různým komunikačním sběrnicím, mají velké množství nastavitelných funkcí a možnost programování. Při jejich uvedení do provozu však uživatelé narážejí na problémy: integrovanou funkci obvykle pro danou úlohu potřebují upravit a vlastně jim plně nevyhovuje, volné programování pracuje ve smyčce s nízkou prioritou, která je pro rychlé děje mnohdy nepoužitelná, komunikace v některých stavech selhává. Velká univerzalita s sebou také nese velké požadavky na propojení, a tím i větší množství konektorů a větší rozměry. Naproti tomu servozesilovače bez speciálních funkcí mají omezenou možnost použití a vždy vyžadují výkonný nadřazený řídicí systém.

 

Servozesilovače řady TGZ

Řada TGZ (obr. 1) představuje nový koncept servozesilovačů, který v sobě zahrnuje moderní prvky digitálního řízení, jednoduché přednastavené funkce, které uživatel může volat ve vlastním uživatelském programu, propojení na rychlé digitální sběrnice, možnost připojit moderní digitální snímače zpětné vazby, malé ztráty výkonových prvků a unikátní chladicí systém. Díky využití těchto nových prvků a postupů se podařilo optimalizovat rozměry, snížit počet kolíků (pin) v konektorech a do stejného prostoru jako u předchozích servozesilovačů implementovat dvě výkonové jednotky pro řízení dvou servomotorů.
 
TGZ představuje hospodárné, ale vysoce kvalitní řešení řízení servomotorů.
 
V dalších odstavcích jsou popsány významné konstrukční prvky a hardwarové i softwarové komponenty servozesilovačů TGZ.
 

Procesor

Základem servozesilovače TGZ je kompaktní procesor se dvěma jádry a integrovanými funkcemi hradlového pole, což zajišťuje dostatečný výpočetní výkon pro řízení dvou motorů a rychlou komunikaci s nadřazenými a zpětnovazebními systémy. Dvoujádrové řešení umožňuje rozdělit procesy, což významně zlepšuje stabilitu systému, zvláště při komunikacích s externími systémy. Kompaktní procesor značně zvyšuje rychlost přenosu interních dat.
 

Komunikace

TGZ disponuje třemi komunikačními kanály:
  • Ethernetem 100/1 000 Mb/s s protokolem UDP, určeným pro nahrávání parametrů, monitorování, testování, ale i řízení on-line,
  • sběrnicí CAN, jejíž protokol je možné upravit podle požadavků zákazníků,
  • Ethernetem 100/1 000 Mb/s s volitelným protokolem, programovaným v hradlovém poli, který je určen pro řízení v reálném čase a rychlé průmyslové komunikační systémy založené na Ethernetu; aktuálně je toto rozhraní vybaveno protokolem EtherCAT, ale podle požadavků zákazníků může být modifikováno i na jiný typ protokolu.

Výkonový modul

Výkonový modul využívá moderní výkonové tranzistory s povrchovou montáží. Modul je optimalizován tak, aby měl i při vysoké frekvenci spínání tranzistorů (20 kHz) malé spínací ztráty a navíc aby unikátní systém odvodu tepla z desky do chladiče významně zjednodušil mechanickou konstrukci a přispěl ke zmenšení rozměrů servozesilovače.
 

Zpětná vazba

Servozesilovač TGZ umožňuje připojit moderní digitální absolutní snímače polohy s komunikací DSL nebo EnDat 2.2 (připravovány jsou také protokoly SSI a BISS). Snímače DSL navíc dovolují jednokonektorové (jednokabelové) připojení servomotorů, čímž se zvyšuje úspornost a efektivita řešení celého pohonu (obr. 2). Používané snímače mohou být jednootáčkové nebo víceotáčkové.
 

Regulátory

Digitální regulátory momentu, otáček a polohy mají rychlé regulační smyčky, proto zajišťují velmi kvalitní chod servomotoru. Proudová smyčka má frekvenci 40 kHz, rychlostní a polohová 20 kHz. Parametry motoru je možné číst ze snímačů zpětné vazby. Pro co největší hladkost pohybu jsou do snímačů motorů ukládány také hodnoty „krokování“, které může servozesilovač při chodu kompenzovat.
 

Ovládací software, monitorování

Ovládací (servisní) program TGZ GUI komunikuje se servozesilovačem přes rozhraní Ethernet protokolem UDP. Díky rychlé komunikaci je možné často aktualizovat parametry (obr. 3). Zvláště funkce osciloskopu umožňuje téměř on-line sledování grafů časových průběhů monitorovaných veličin (obr. 4).
 

Programování

Pro požadavky vytváření speciálních interních funkcí přímo v servozesilovačích TGZ je v nich implementován tzv. interpreter (překladač) jazyka C. Doba zpracování jedné instrukce přibližně 47 ns zajišťuje velmi rychlý běh uživatelského programu. Uživatelský program má přístup k pohybovým funkcím servozesilovače, interním parametrům (poloha, rychlost, proud apod.) i k digitálním a analogovým vstupům a výstupům. Odladění (debug) funkce a kontrola syntaxe jsou vykonávány ve vývojovém prostředí.
 

Provedení

Servozesilovače TGZ jsou v současné době nabízeny ve dvou provedeních: TGZ-48 je nízkonapěťová verze do 48 V DC, určená pro mobilní zařízení (obr. 5) nebo zařízení vyžadující bezpečné napětí, a TGZ-320 je verze pro připojení napětí 320 V DC z napájecího zdroje 1× 230 V/320 V DC (viz tab. 1).
 
 
Obr. 1. Dvouosý digitální servozesilovač řady TGZ
Obr. 2. Sestava servozesilovače TGZ s řídicím systémem a dvěma servopohony
Obr. 3. Prostředí softwaru TGZ GUI umožňuje nastavovat parametry pohonů
Obr. 4. Funkce osciloskopu v TGZ GUI umožňuje sledovat aktuální časové průběhy monitorovaných veličin
Obr. 5. Příklad použití servozesilovače TGZ – mobilní robot Orpheus
 
Tab. 1. Tabulka parametrů
Typ TGZ-D-48 TGZ-D-320
Ovládací napětí 24 V DC ± 10 %
Výkonové napájecí napětí 6 až 48 V DC 140 až 320 V DC
Instalovaný příkon pro provoz S1 2× 500 W 2× 1 600 W
Jmenovitý výstupní proud 2× 13 A 2× 5 A
Maximální výstupní proud (max. 5 s) 2× 26 A 2× 10 A