CC BY
77
УПРАВЛЕНИЕ ЛИНЕЙНЫМ СЕРВОПРИВОДОМ ПО ПРОТОКОЛУ ETHERCAT В
СРЕДЕ LABVIEW
Куц М.С.1, Мартынов Д.С.2 ®
1 Ассистент, каф. МТ-1, МГТУ им. Н.Э. Баумана;
Студент, каф. МТ-1, МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация
В статье рассматривается возможность управления сервоприводом по протоколу EtherCAT из среды разработки LabVIEW. Рассматриваются преимущества использования EtherCAT перед другими методами управления.
Ключевые слова: EtherCAT, управление, сервопривод, металлорежущий станок. Keywords: EtherCAT, control, servodrive, metalcutting machine tool.
В настоящее время широкое распространение получили станки с числовым программным управлением (станки с ЧПУ). Данные технологические машины контролируются подачей управляющих сигналов с ЭВМ, входной информацией для которой служит заранее разработанная программа управления. Данная программа содержит совокупность виртуальных кодов, каждый из которых интерпретируется системой ЧПУ как последовательность реальных действий, подлежащих исполнению [1].
В рамках данной статьи рассматривается прецизионный фрезерный станок, построенный на линейных сервоприводах и его управление в среде LabVIEW по протоколу EtherCAT.
Рис. 1. Макет технологического оборудования - прецизионный фрезерный станок
Данные сервоприводы позволяют осуществлять поступательное движение подвижных рабочих органов станка. Двигатель состоит из двух основных частей: подвижного якоря (1), несущего на себе сердечник с обмотками, и неподвижной части (2) с постоянными магнитами (3). Перемещение якоря относительно основания двигателя осуществляется последовательной коммутацией обмоток сердечника [2]. В рассматриваемом макете
® Куц М.С., Мартынов Д.С., 2017 г.
технологического оборудования применяются линейные серводвигатели Kollmorgen IL12075.
Рис. 2. Принципиальная схема линейного сервопривода: 1 - якорь; 2 - неподвижная
часть; 3 - постоянные магниты
В качестве устройств управления сервоприводом используются сервоконтроллеры AKD p0606. Датчики обратной связи представлены в виде линейных энкодеров ЛИР-7М-4-СНПС.
Основным элементом управления станком является промышленный контроллер National Instruments Compact RIO - 9074, предназначенный для приложений прогрессивного управления и мониторинга системы. Данный модуль представляет собой FPGA и Real Time процессор под управлением операционной системы NI Linux Real-Time OS [3]. Отличительной особенностью данного контроллера по сравнению с другими аналогами является возможность быстрого и простого подключения различных модулей расширения для выполнения тех или иных функций. NI cRI0-9074 имеет 2 порта RJ-45 Ethernet с возможностью подключения EtherCAT устройств, 9 последовательных портов RS-232 для работы с различной периферией и подключения модулей расширения.
Существует два основных способа управления линейными сервоприводами: step/dir управление, применение ШИМ аналогового сигнала ±10 В.
При использовании step/dir управления, управляющие сигналы от системы ЧПУ станка подаются на входы step (импульс), dir (направление) и enable (включение). Последовательной подачей дискретных импульсов на вход step контролируется частота коммутации обмоток электродвигателя, следовательно, и его скорость перемещения. Такая система управления является разомкнутой, в ней отсутствует возможность отслеживания текущего положения подвижного рабочего органа станка. При кратковременном отключении питания на входе enable, система ЧПУ отработает управляющую программу, при этом реальное положение инструмента не будет соответствовать требуемому, что приведет к ошибкам при изготовлении детали.
1_2 3_4
STEP i. I
DIR
Рис. 3. Вид управляющего сигнала протокола 81ер/Шг
Применение ШИМ аналогового сигнала ±10 В позволяет управлять сервоусилителями за счет преобразования ШИМ сигнала в аналоговый конвертером ШИМ сигнала. Преобразование аналогового сигнала на сервоусилителе осуществляется встроенным модулем аналого-цифрового преобразователя, который имеет ограниченное быстродействие, невысокую разрешающую способность и наличие паразитных
составляющих в спектре выходного сигнала, что требует применения дополнительных фильтров [4]. Поэтому использование такого вида управления в прецизионных прикладных задачах станкостроения нецелесообразно (невозможно реализовать Real-Time систему управления).
1 1 1 1.
т 1 1 1 1 1 1 1 1 ' 1 1 1 1 \ 1 1 Ч1 1 \ 1 IV. 1 1 "---• - 1 1 1 1 > 1 1
j .
Скважность О - -—
Рис. 4. Преобразование ШИМ сигнала в аналоговый ±10 В, видны колебания
выходного управляющего сигнала
Решением проблемы управления линейными сервоприводами является применение современного промышленного протокола EtherCAT. Данный протокол относится к семейству Industrial Ethernet и технологиям распределенного управления в режиме реального времени. Применение данного протокола востребовано в случаях автоматизации станочных приложений, требующих частого обновления времени при низком дрожании связи и малыми затратами на аппаратное обеспечение [5].
Реализация интерфейса управления по протоколу EtherCAT осуществляется в программно - инструментальной среде National Instruments LabVIEW. Это среда разработки прикладных программ, в которой используется язык графического программирования G и не требуется написания текстов программ. Среда LabVIEW дает огромные возможности как для вычислительных работ, так и для построения виртуальных приборов, способных управлять системой линейных сервоприводов станка. Источником кода виртуального инструмента служит блок - схема программируемой задачи [6].
ЁаЭ а
Рис. 5. Реализация системы управления прецизионным станком в формате графического языка G в среде разработки LabVIEW
Рис. 6. Оформление панели виртуального прибора для управления прецизионным
станком по протоколу EtherCAT
Выводы:
Разработанная логическая схема передается в промышленный контроллер, который управляет сервоусилителями по протоколу EtherCAT. Применение такого интерфейса между устройствами внешней среды системы управления позволяет снизить ошибку удержания выходного параметра до нескольких микрометров, повысить быстродействие системы и реализовать Real-Time систему управления. Все это позволяет использовать среду разработки LabVIEW совместно с протоколом передачи данных EtherCAT в прикладных задачах прецизионного станкостроения.
Литература
1. Сосонкин В. Л., Мартинов Г.М. - Системы числового программного управления: Учеб. пособие. - М.: Логос, 2005. - 296с.
2. Цилиндрический линейный двигатель - новый этап эволюции электроэрозионных станков [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.abamet.ru/press/article/provolochno-vyreznye/cilindricheskii-lineinyi-dvigatel/
3. Compact RIO Controller [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ni.com/ru-ru/support/model.crio-9066.html
4. Цифровые эксперименты [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://vrtp.ru/index.php? CODE=article&act=categories&article= 1803
5. EtherCAT [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/EtherCAT
6. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе LabVIEW 7/ Под ред. Бутырина П. А. -М.: ДМК Пресс, 2005.-264с.: ил.
