Дизайн сцени, приводу та кодера.

Компоненти, які складають вашу високоточну систему позиціонування — підшипники, система вимірювання положення, система двигуна та приводу та контролер — повинні працювати разом якомога краще. Частина 1 охоплює основу системи та підшипники. Частина 2 охоплює вимірювання позиції. Тут ми обговорюємо конструкцію сцени, приводу та кодера; підсилювач приводу; і контролери.

Три широко використовувані методи складання лінійних каскадів при використанні лінійних кодерів:
• Привід і кодер розташовані в центрі маси слайда або якомога ближче до нього.
• Привід розташований у центрі мас; кодер кріпиться з одного боку.
• Привід розташований з одного боку; кодер, з іншого боку.

Ідеальна система має привід у центрі повзунка з кодувальником. Однак зазвичай це непрактично. Звичайний компроміс розташовує привід трохи збоку; кодер, трохи зміщений до іншого. Це дає гарне наближення до центрального приводу із зворотним зв’язком руху поруч із системою приводу. Центральні приводи є кращими, оскільки рушійна сила не вводить небажаних векторів сили в затвор, щоб викликати скручування або зведення. Оскільки підшипникова система щільно обмежує ковзання, зведення призведе до збільшення тертя, зносу та неточності положення навантаження.

Альтернативний метод використовує портальну систему з двома приводами, по одному з кожного боку ковзання. Результуюча рушійна сила емулює центральний привід. За допомогою цього методу ви можете розташувати зворотний зв’язок позиції в центрі. Якщо це неможливо, ви можете розташувати кодери з обох боків і керувати столом за допомогою спеціального програмного забезпечення приводу порталу.

Підсилювач приводу
Підсилювачі сервоприводу отримують керуючі сигнали, як правило, ±10 В постійного струму, від контролера та забезпечують вихід робочої напруги та струму на двигун. Загалом існує два типи підсилювачів потужності: лінійний підсилювач і підсилювач із широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ).

Лінійні підсилювачі малоефективні і тому застосовуються в основному на малопотужних приводах. Основними обмеженнями вихідної потужності лінійного підсилювача є теплові характеристики вихідного каскаду та характеристики пробою вихідних транзисторів. Розсіювана потужність вихідного каскаду є добутком струму та напруги на вихідних транзисторах. ШІМ-підсилювачі, навпаки, є ефективними і зазвичай використовуються для потужностей понад 100 Вт. Ці підсилювачі перемикають вихідну напругу на частотах до 50 МГц. Середнє значення вихідної напруги пропорційне командній напрузі. Перевага цього типу полягає в тому, що напруга вмикається та вимикається, що значно збільшує потужність розсіювання.

Після того, як ви вибрали тип підсилювача, наступним кроком є ​​переконатися, що підсилювач може забезпечити необхідний безперервний струм і вихідну напругу на необхідних рівнях для максимальної швидкості обертання двигуна (або лінійної швидкості для лінійних двигунів) програми.

Для безщіткових лінійних двигунів можна зробити інше розрізнення між підсилювачами. Зазвичай використовуються два типи комутації двигунів: трапецієподібна і синусоїдальна. Трапецієподібна комутація — це цифровий тип комутації, у якому струм для кожної з трьох фаз вмикається або вимикається. Зазвичай це роблять датчики Холла, імплантовані в двигун. Зовнішні магніти запускають датчики. Однак взаємозв’язок між датчиками Холла, обмотками котушки та магнітами є критично важливим і завжди передбачає невеликий допуск положення. Таким чином, час відповіді датчиків завжди відбувається дещо зміщеним по фазі з справжнім положенням котушки та магніту. Це призводить до невеликої зміни в застосуванні струму до котушок, що призводить до неминучої вібрації.

Трапецієподібна комутація менш підходить для дуже точного сканування та додатків із постійною швидкістю. Однак це дешевше, ніж синусоїдальна комутація, тому широко використовується для високошвидкісних систем «точка-точка» або в системах, де плавність руху не впливає на обробку.

При синусоїдальної комутації перемикання On-Off не відбувається. Натомість за допомогою електронного перемикання фазовий зсув струму на 360 градусів трьох фаз модулюється за синусоїдальною схемою. Це призводить до плавної, постійної сили від двигуна. Таким чином, комутація синусоїдальної форми добре підходить для створення точних контурів і для застосувань, які потребують точної постійної швидкості, таких як сканування та візуальне використання.

Контролери
Існує більше класів контролерів, ніж ми можемо обговорити тут. В основному, контролери можуть бути розбиті на кілька категорій залежно від мови програмування та логіки керування.

Програмовані логічні контролери (PLC) використовують логічну схему «драбини». Вони використовуються в основному для керування декількома дискретними функціями введення/виведення (I/O), хоча деякі з них пропонують обмежені можливості керування рухом.

Системи числового керування (NC) програмуються за допомогою мови галузевого стандарту RS274D або іншого варіанту. Вони можуть виконувати складні рухи, такі як сферичні та гвинтові форми з керуванням кількома осями.

Системи, відмінні від NC, використовують різноманітні фірмові операційні системи, включаючи прості у використанні інтерфейсні програми для основних профілів руху. Більшість цих контролерів складаються з базового модуля контролера без монітора чи клавіатури. Контролер спілкується з хостом через порт RS-232. Хост може бути персональним комп’ютером (ПК), німим терміналом або кишеньковим пристроєм зв’язку.

Майже всі сучасні контролери є цифровими. Вони забезпечують рівень надійності та простоти у використанні, який був нечуваним для аналогових контролерів. Інформація зворотного зв'язку за швидкістю зазвичай виходить із сигналу положення осі. Усі параметри сервоприводу налаштовуються за допомогою програмного забезпечення, а не через копітку настройку «горщиків» підсилювача приводу, які мають тенденцію дрейфувати після використання та зі змінами температури. Більшість сучасних контролерів також пропонують автоналаштування всіх параметрів сервоприводу осі.

Досконаліші контролери також включають розподілену обробку та керування віссю цифрового процесора сигналів (DSP). DSP, по суті, є процесором, спеціально розробленим для дуже швидкого виконання математичних обчислень (принаймні в десять разів швидше, ніж мікропроцесор). Це може забезпечити час вибірки сервоприводу порядку 125 мс. Перевагою є точне керування віссю для контролю постійної швидкості та плавного контуру.

Алгоритм пропорційно-інтегрально-похідної (PID) фільтра, швидкість і прискорення посилюють сервокерування віссю. Крім того, програмування S-кривої профілів прискорення та уповільнення контролює ривок, який зазвичай виникає при запуску та зупинці руху столу. Це забезпечує більш плавну, більш контрольовану роботу, що призводить до швидшого часу встановлення як положення, так і швидкості.

Контролери також мають широкі цифрові або аналогові можливості вводу/виводу. Програма або підпрограма користувача може бути змінена залежно від інформації про позицію, час або статус, значень змінних, математичних операцій, зовнішніх або внутрішніх подій вводу-виводу або переривання помилок. Процес користувача можна легко автоматизувати.

Крім того, більшість контролерів можуть збільшити роздільну здатність зворотного зв'язку за допомогою електронного множення. Хоча множення 4× є звичайним, деякі вдосконалені контролери можуть множити до 256×. Хоча це не забезпечує підвищення точності, воно має реальне збільшення стабільності положення осі та — що більш важливо у багатьох випадках — повторюваності.

У вашому загальному підході, окрім факторів, згаданих вище, ви повинні враховувати інші фактори, які можуть змінити рішення щодо компонентів, такі як бюджет, навколишнє середовище, очікувана тривалість життя, простота обслуговування, MTBF та вподобання кінцевого користувача. Модульний підхід дозволяє складати систему зі стандартних, легкодоступних компонентів, які відповідатимуть навіть найскладнішим вимогам додатків, якщо систему аналізувати від основи до загальної сумісності компонентів.