Проектування сцени, приводу та енкодера.

Компоненти, що складають вашу високоточну систему позиціонування — підшипники, система вимірювання положення, система двигуна та приводу та контролер — повинні працювати разом якомога краще. Частина 1 охоплювала основу системи та підшипники. Частина 2 охоплювала вимірювання положення. Тут ми обговорюємо конструкцію платформи, приводу та енкодера; підсилювач приводу; та контролери.

Три поширені методи складання лінійних ступеней при використанні лінійних енкодерів:
• Привід та енкодер розташовані в центрі мас повзуна або якомога ближче до нього.
• Привід розташований у центрі мас; енкодер кріпиться з одного боку.
• Привід розташований з одного боку, а енкодер — з іншого.

В ідеальній системі привід розташовується в центрі маси повзуна разом з енкодером. Однак це зазвичай непрактично. Звичайний компроміс розташовує привід трохи з одного боку, а енкодер — трохи з іншого. Це дає хороше наближення центрального приводу зі зворотним зв'язком по руху поруч із системою приводу. Центральні приводи є кращими, оскільки сила приводу не вносить небажаних векторів сили в повзун, що може спричинити скручування або зведення. Оскільки система підшипників щільно обмежує повзун, зведення призведе до збільшення тертя, зносу та неточності положення навантаження.

Альтернативний метод використовує систему портального типу з двома приводами, по одному з кожного боку санчат. Отримана рушійна сила емулює центральний привід. За допомогою цього методу можна розташувати зворотний зв'язок про положення в центрі. Якщо це неможливо, можна розмістити енкодери з кожного боку та керувати столом за допомогою спеціального програмного забезпечення для портального приводу.

Підсилювач драйвера
Підсилювачі сервоприводу отримують керуючі сигнали, зазвичай ±10 В постійного струму, від контролера та забезпечують робочу напругу та вихідний струм для двигуна. Загалом існує два типи підсилювачів потужності: лінійний підсилювач та підсилювач з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ).

Лінійні підсилювачі неефективні, тому використовуються переважно в малопотужних приводах. Основними обмеженнями щодо вихідної потужності лінійного підсилювача є теплові характеристики вихідного каскаду та характеристики пробою вихідних транзисторів. Розсіювання потужності вихідного каскаду є добутком струму та напруги на вихідних транзисторах. ШІМ-підсилювачі, навпаки, є ефективними та зазвичай використовуються для потужностей понад 100 Вт. Ці підсилювачі перемикають вихідну напругу на частотах до 50 МГц. Середнє значення вихідної напруги пропорційне командній напрузі. Перевагою цього типу є те, що напруга вмикається та вимикається, що призводить до значного збільшення розсіювання потужності.

Після вибору типу підсилювача наступним кроком є ​​переконання, що підсилювач може забезпечити необхідний безперервний струм і вихідну напругу на необхідних рівнях для максимальної швидкості обертання двигуна (або лінійної швидкості для лінійних двигунів) застосування.

Для безщіткових лінійних двигунів можна провести ще одну різницю між підсилювачами. Зазвичай використовуються два типи комутації двигуна: трапецієподібна та синусоїдальна. Трапецієподібна комутація – це цифровий тип комутації, при якому струм для кожної з трьох фаз або вмикається, або вимикається. Зазвичай це роблять датчики Холла, імплантовані в двигун. Зовнішні магніти запускають датчики. Однак взаємозв'язок між датчиками Холла, обмотками котушок та магнітами є критичним і завжди передбачає невеликий допуск положення. Тому час реагування датчиків завжди відбувається дещо поза фазою з істинним положенням котушки та магніту. Це призводить до незначної зміни подачі струму до котушок, що спричиняє неминучу вібрацію.

Трапецієподібна комутація менш придатна для дуже точного сканування та застосувань з постійною швидкістю. Однак вона дешевша за синусоїдальну комутацію, тому її широко використовують для високошвидкісних систем типу "точка-точка" або в системах, де плавність руху не впливає на обробку.

При синусоїдальній комутації не відбувається перемикання. Натомість, за допомогою електронної комутації, 360-градусний фазовий зсув струму трьох фаз модулюється за синусоїдальною схемою. Це призводить до плавної, постійної сили від двигуна. Тому синусоїдальна комутація добре підходить для створення точних контурів та для застосувань, що вимагають точної постійної швидкості, таких як сканування та зір.

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

Програмовані логічні контролери (ПЛК) використовують логічну схему «рейки». Вони використовуються переважно для керування кількома дискретними функціями вводу/виводу (I/O), хоча деякі з них пропонують обмежені можливості керування рухом.

Системи числового керування (ЧПК) програмуються за допомогою стандартної промислової мови RS274D або її варіанта. Вони можуть виконувати складні рухи, такі як сферичні та гвинтові форми, з багатоосьовим керуванням.

Системи, що не є ЧПУ, використовують різноманітні власні операційні системи, включаючи прості у використанні програми інтерфейсу для базових профілів руху. Більшість цих контролерів складаються з базового модуля контролера без монітора чи клавіатури. Контролер зв'язується з хостом через порт RS-232. Хостом може бути персональний комп'ютер (ПК), цифровий термінал або портативний комунікаційний пристрій.

Майже всі сучасні контролери є цифровими. Вони забезпечують рівень надійності та простоти використання, про який раніше не було чути в аналогових контролерах. Інформація про зворотний зв'язок щодо швидкості зазвичай отримується з сигналу положення осі. Усі параметри сервоприводу налаштовуються за допомогою програмного забезпечення, а не трудомістким налаштуванням «потенціометрів» підсилювача керування, які мають тенденцію до дрейфу після використання та зі зміною температури. Більшість сучасних контролерів також пропонують автоматичне налаштування всіх параметрів сервоприводу осі.

Більш просунуті контролери також включають розподілену обробку та керування осями за допомогою цифрового сигнального процесора (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 контурування.

Алгоритм пропорційно-інтегрально-диференціальної (PID) фільтрації та зворотний зв'язок за швидкістю та прискоренням покращують сервокерування віссю. Крім того, S-подібне програмування профілів прискорення та уповільнення контролює ривки, які зазвичай супроводжують запуск та зупинку руху столу. Це забезпечує плавнішу та більш контрольовану роботу, що призводить до швидшого встановлення як положення, так і швидкості.

Контролери також мають розширені можливості цифрового або аналогового введення/виведення. Програму користувача або підпрограму можна змінювати залежно від положення, часу або інформації про стан, значень змінних, математичних операцій, зовнішніх або внутрішніх подій введення/виведення або переривань від помилок. Процес користувача можна легко автоматизувати.

Крім того, більшість контролерів можуть збільшити роздільну здатність зворотного зв'язку за положенням за допомогою електронного множення. Хоча множення на 4× є поширеним явищем, деякі вдосконалені контролери можуть множити до 256×. Хоча це не забезпечує покращення точності, це дійсно збільшує стабільність положення осі та — що ще важливіше в багатьох випадках — повторюваність.

У вашому загальному підході, окрім факторів, згаданих вище, ви повинні враховувати інші фактори, які можуть впливати на рішення щодо компонентів, такі як бюджет, навколишнє середовище, тривалість терміну служби, простота обслуговування, MTBF та уподобання кінцевого користувача. Модульний підхід дозволяє збирати систему зі стандартних, легкодоступних компонентів, які відповідатимуть навіть найвимогливішим вимогам застосування, якщо систему аналізувати з нуля на загальну сумісність компонентів.