3-osiowy zestaw uservo drive

Charakterystyka :

• Precyzyjne pozycjonowanie z ustawianym PID
• Praca w pętli zamkniętej z enkoderem inkrementalnym
• Zabezpieczenie przeciwzwarciowe
• Zabezpieczenie przed przegrzaniem
• Nieustawiany limit prądu silnika 6,5A
• Wbudowany przełącznik dla małej inercji serva oraz mnożnik kroku x4
• Ustawialny limit błędów enkodera
• Zintegrowany radiator
• Miniaturowe wymiary mechaniczne

Wstęp

Uservo drive to sterownik servosilnika DC drugiej generacji, wyprodukowany przez firmę CNCdrive. Sterownik może pozycjonować jeden servosilnik komutatorowy DC w pętli zamkniętej. Zwrotny sygnał pozycji musi dostarczać enkoder inkrementalny z kanałami A i B. Sterownik umożliwia sterowanie servosilnikiem z napięciem 30V oraz 5A prądu ciągłego. Jest idealny do sterowania małymi tokarkami i frezarkami, może być użyty w robotyce i innych aplikacjach, wszędzie tam gdzie istnieje potrzeba sterowania w pętli zamkniętej oraz duża prędkość pozycjonowania. Poniższa instrukcja opisuje specyfikację elektryczną, sygnały, złącza oraz ich piny.

Złącza i piny

Pin 1 - Kanał A enkodera
Sygnał o poziomie TTL (0..5V) musi być doprowadzony do tego wejścia

Pin 2 - Kanał B enkodera
Sygnał o poziomie TTL (0..5V) musi być doprowadzony do tego wejścia

Pin 3 - Zasilanie Vdd enkodera (+)
Pin 4 - Masa zasilania enkodera (-)
Jak pin 6.

Pin 5 - Wejście sygnału STEP (KROK)
Silnik obraca się o jedną jednostkę enkodera przy każdym zboczu
narastającym sygnału enkodera.
Sygnał o poziomie TTL (0..5V) musi być doprowadzony do tego wejścia

Pin 6 - Masa wejścia sygnałów STEP/DIR (KROK/KIERUNEK)
Sygnały STEP i DIR muszą być w odniesieniu do tego poziomu.

Pin 7 - Wejście sygnału DIR (KIERUNEK)
Ustala  kierunek  obrotów  silnika,   odczytywany  na  każdym  narastającym
zboczu sygnału z Pin 5.

Pin 8 - Zasilanie 5 V części logicznej sterownika
Zasilanie musi mieścić się w granicach opisanych w specyfikacji elektrycznej.
Przekraczanie tych wartości może trwale uszkodzić sterownik!

Pin 9 - Dwukierunkowe wyjście (stan błędu) oraz wejście (reset)
Podczas normalnej pracy pin 9 jest wewnętrznie zwarty do Vdd. W przypadku błędu, sterownik zwiera pin do masy.
Ten pin może być zwierany do Vdd zewnętrznie poprzez np. przycisk. W tym przypadku przycisk będzie resetował sterownik.
Pin 9 może być również zwierany do masy, w tym przypadku sterownik przechodzi w tryb stop i odłącza napięcie silnika.

Pin 10 - Masa
Jak pin 6.

Złącze zasilania silnika

Opis złącza
1.   Zasilanie silnika +
Podłączyć zasilacz silnika, biegun dodatni (+)
2.   Zasilanie silnika -
Podłączyć zasilanie silnika, biegun ujemny (-)

• Szczotka silnika 1
• Szczotka silnika 2

Sygnały i błędy

Na płytce drukowanej znajdują się dwie diody LED, jedna czerwona oraz jedna zielona. Podczas normalnej pracy sterownika, zielona dioda LED miga z częstotliwością ok. 2Hz, natomiast czerwona dioda jest wyłączona.

Zabezpieczenie nadprądowe oraz/lub zabezpieczenie przed przegrzaniem

Urządzenie uaktywnia zabezpieczenie nadprądowe typowo przy 6,5A. Jeżeli silnik jest przeciążony lub występuje zwarcie w obwodzie silnika sterownik odłącza zasilanie automatycznie.
Jeżeli temperatura stopnia mocy osiągnie 160°C, wydajność prądowa sterownika jest ograniczana. Jeżeli stopień mocy osiągnie 175°C, sterownik odcina zasilanie sterownika. Praca zabezpieczenia temperaturowego odznacza się histerezą, która wynosi 15°C. Sterownik nie może być zrestartowany, jeżeli temperatura stopnia mocy nie opadnie poniżej 160°C.
Obydwa zabezpieczenia (temperaturowe oraz nadprądowe) powodują miganie czerwonej diody LED.

Przekroczenie limitu błędów

Limit błędów może być ustawiany mikroprzełącznikami (typu DIP-SWITCH) jako 128, 512, 2048 lub 8192 jednostek enkodera.
Kiedy wartość limitu jest osiągnięta, tzn., gdy pozycja zadana - pozycja aktualna > limit błędu, sterownik odłącza zasilanie silnika.
Oznaczeniem tego błędu jest świecąca ciągle czerwona dioda LED.
W przypadku wystąpienia któregokolwiek z w/w błędów, Pin 9 w złączu głównym jest zwierany do masy, informując o błędzie inne sterowniki lub zewnętrzne urządzenia, podłączone do tego pinu.
Błąd może być skasowany poprzez podanie Vdd (5 V) do Pin 9, lub wyłączenie i ponowne włączenie sterownika.

Funkcje Reset i Stop

Funkcje te obsługuje tylko jeden Pin 9 w złączu głównym. Podczas normalnej pracy sterownika, pin ten jest wejściem, lecz jest podciągnięty wewnętrznie do Vdd poprzez rezystor. Sterownik pracuje normalnie, jeżeli pin 9 nie jest podłączony do żadnego napięcia.
Jeżeli pin 9 jest zwarty do masy, sterownik zatrzymuje pracę, zielona dioda przestaje migać, czerwona dioda pozostaje wyłączona, stopień mocy zostaje odłączony, silnik nie pracuje. Ten stan utrzymuje się, aż do pin 9 zostanie podane napięcie Vdd, lub jeżeli linia zostanie odłączona od jakiegokolwiek potencjału a sterownik zostanie zrestartowany poprzez wyłączenie i włączenie zasilania.
Wyjście/wejście jest dwukierunkowe, co znaczy, że sterownik może zewrzeć pin także do masy w przypadku wewnętrznych błędów (zwarcie, przegrzanie).

Jeśeli do pin 9 zostanie podane napięcie Vdd, sterownik restartuje się.

Ustawienia przełączników DIP SWITCH

DIP SWITCH zawiera 4 przełączniki On/Off (wł./wył.) Znaczenie przełączników opisano poniżej:
.     SWITCH 1

0 - Kompensacja niskiej bezwładności On (Low inerthia On)

1 - Kompensacja niskiej bezwładności Off (Low inerthia Off)

.     SWITCH 2
0  - mnożnik kroku 1x
1 - mnożnik kroku 4x
.     SWITCHES 3-4

00 - limit błędów = +- 128 kroków

01 - limit błędów = +- 512 kroków

10- limit błędów = +- 2048 kroków

11- limit błędów = +- 8192 kroki

Ustawienia przełączników są odczytywane przez sterownik TYLKO podczas startu. Nowe ustawienia będą odczytane i zaakceptowane tylko po restarcie urządzenia.
Uwaga:
Pozycje przełączników: 0=góra, 1=dół

Analogowy pomiar błędu

Na płytce  drukowanej   znajduje  się  punkt testowy,  za pomocą którego  można zmierzyć analogowo sygnał proporcjonalny do aktualnego błędu pozycji servosilnika. W tym celu, należy podłączyć sondę oscyloskopu do w/w punktu oraz do masy (GND).
Kiedy aktualny błąd jest równy 0, napięcie punktu testowego wynosi 2,5V (Vdd/2). Kiedy aktualny błąd jest równy limitowi ustalonemu przy pomocy przełączników DIP-SWITCH, napięcie punktu testowego wynosi 5V (Vdd). Kiedy aktualny błąd jest równy -limit błędów, napięcie punktu testowego wynosi 0V.

Ustawienia PID

Ustawianie   parametrów   PID   odbywa   się   za   pomocą   trzech   potencjometrów
umieszczonych na płytce drukowanej.
Odczytywanie ustawień potencjometrów odbywa się "w locie" podczas działania
sterownika.
Użytkownik powinien ustawić parametry PID, aby dopasować cechy sterownika do
aktualnych warunków (servosilnik+mechanika urządzenia).
Funkcje potencjometrów:
Potencjometr P
Zwiększanie wartości powoduje zmniejszanie ilości błędów, szybką odpowiedź systemu, lecz także obniża stabilność pętli sprzężenia.
Potencjometr D
Zwiększanie tłumienia powoduje wolniejszą odpowiedź serva, lecz zwiększa stabilność systemu.
Potencjometr I
Wzmocnienie powoduje obcinanie błędu do 0. Parametr ten jest odpowiedzialny za ustawienie zadanej pozycji. Zwiększenie wzmocnienia powoduje zmniejszenie ilości błędów, szybsze i precyzyjniejsze ustawienie pozycji, lecz także stabilność systemu jest zmniejszona.

UWAGA:
Zastosowane potencjometry są typu jednoobrotowego, co znaczy, iż należy uważać, aby nie przekręcić potencjometru zbyt daleko (nie używać zbyt dużej siły).

Interfejs STEP/DIR (Krok/Kierunek)

Wejścia STEP (Pin 5) i DIR (Pin 6) znajdują się w złączu głównym. Podczas narastania zbocza sygnału  STEP,  sterownik obraca servosilnik o jedną jednostkę enkodera w lewo lub prawo, zależnie od stanu logicznego wejścia DIR. Wejścia te  nie  są izolowane  od  napięcia zasilania logiki,  więc zalecane jest optoizolowanie tych wejść w przypadku podłączenia do komputera (LPT). Alternatywnie, można zasilić logikę sterownika np. z 5V komputera PC (USB port). Jest to bezpieczne, ponieważ stopień mocy jest odizolowany od części logicznej sterownika.

Interfejs enkodera inkrementalnego

Pętla sterowania jest zamknięta w pozycji. Enkoder inkrementalny, który zwykle jest
zamontowany na tylnej osi silnika, zapewnia sygnał zwrotny położenia do sterownika.
Enkoder musi być inkrementalny, przynajmniej z kanałami A i B. Niektóre enkodery
posiadają   wyjście   Index,    które   to   nie   może   być   wykorzystane   (pozostaje
niepołączone).
Enkoder musi mieć wyjścia na poziomie TTL, z kanałami A i B. W innym przypadku
potrzebny jest układ przekształcający poziomy napięć.

Ograniczenie prądu

Prąd ciągły jest ograniczony przez sterownik do 5A, prąd szczytowy (tzw. peak current) jest ograniczony typowo na 6.5A. Kiedy prąd w uzwojeniach silnika przekroczy 6.5A, wyjście stopnia mocy jest odłączane na krótki czas, aż wartość prądu opadnie poniżej 5A.
Jeżeli obciążenie wyjścia jest zbyt duże lub jeżeli występuje zwarcie, sterownik nie będzie mógł ograniczyć prądu i prąd wzrośnie powyżej 10A, w tym przypadku zostanie załączone zabezpieczenie nadprądowe. W tym przypadku sterownik przestaje pracować. Stan błędu może być skasowany poprzez podanie sygnału RESTART.

Opcjonalne wyłączniki krańcowe

Istnieje możliwość podłączenia dwóch wyłączników krańcowych do sterownika. Złącze programowania mikrokontrolera, posiada dwa piny (1 i 2, patrz zdjęcie), które są wejściami i mogą być użyte do zablokowania ruchu w jedną lub drugą stronę.
Przełącznik  NO   (normally  open,   normalnie   otwarty)   może  być  użyty  w  tym
przypadku. Kiedy maszyna wjedzie na wyłącznik krańcowy jeden z pinów powinien
być zwarty do masy (GND na zdjęciu). W tym przypadku jeden kierunek ruchu jest
zablokowany.
Ze względu na zablokowanie tylko jednego kierunku ruchu (zwarty np. pin 1 i GND)
oś można przesunąć w kierunku przeciwnym.
Ważnym   jest,   aby   użyć   właściwych   pinów   dla   właściwych   krańcówek.   W
przeciwnym wypadku niemożliwe będzie zjechanie z krańcówki.

UWAGA!
Nigdy nie podłączaj napięcia do dwóch pozostałych pinów w złączu do programowania. Podłączenie napięcia do tych pinów spowoduje nieodwracalne uszkodzenie urządzenia!

Ważne informacje! Co może uszkodzić sterownik?

1. Przekroczenie maksymalnego dopuszczalnego napięcia zasilania logiki
2. Przekroczenie maksymalnego dopuszczalnego napięcia zasilania silnika
3. Zmiana polaryzacji zasilania logiki
4. Zmiana polaryzacji zasilania silnika
5. Przekroczenie dopuszczalnego napięcia na złączu enkodera lub innych pinach logiki

Zawsze sprawdź połączenia pod względem właściwego napięcia oraz właściwej polaryzacji przed podłączeniem zasilania!

Rozwiązywanie problemów (FAQ)

Pytanie: Kiedy włączę zasilanie, próbuję obrócić oś silnika. Silnik gubi pozycję, wykonuje kilka obrotów, a następnie zatrzymuje się oraz zaświeca się czerwona dioda LED.
Odpowiedź: Kanały enkodera są podłączone w odwrotnym kierunku. Zamień miejscami kanały A i B w złączu głównym.

Pytanie: Na moim silniku jest zamontowany enkoder absolutny. Czy mogę go użyć ze sterownikiem uservo?
Odpowiedź: Nie, enkoder musi być inkrementalny z poziomem napięć TTL. Resolvery z wyjściem sin/cos także nie będą działać.

Pytanie: Jakie oprogramowanie CNC powinienem użyć?
Odpowiedź: Jakiekolwiek oprogramowanie sterujące za pomocą sygnałów STEP i DIR będzie działać.

Pytanie: Posiadam silnik, którego parametry (prąd oraz napięcie) przekraczają dozwolone parametry dla uservo drive. Czy mogę go użyć?
Odpowiedź: Tak, lecz zasilanie silnika musi być niższe lub równe 30V. Prąd zostanie automatycznie ograniczony do 6.5A, więc otrzymamy niższy moment niż znamionowy dla tego silnika.

Pytanie: Chciałbym sterować uservo drive za pomocą sterownika PLC/ Czy to możliwe?
Odpowiedź: Sterowniki PLC często mają wyjścia 24V, natomiast uservo drive akceptuje tylko sygnały TTL (0..5V). W tym przypadku niezbędne jest zastosowanie translacji poziomów napięć (z 24V na TTL).

Specyfikacja elektryczna

Zasilanie logiki

Zasilanie silnika

Zabezpieczenie temperaturowe

Enkoder inkrementalny

Wejścia STEP i DIR

(1) Zabezpieczenie nadprądowe jest uaktywniane, jeżeli sterownik nie może regulować prądu poniżej progu jego zadziałania, przez dłużej niż 100us. Zadziałanie zabezpieczenia może być spowodowane zbyt dużym obciążeniem silnika lub zwarciem.
(2) Temperatura mierzona w rdzeniu stopnia mocy. Temperatura radiatora jest niższa od mierzonej.
Powierzchnia radiatora stopnia mocy osiąga ok. 60oC. Należy zwrócić uwagę na możliwość oparzenia
przy dotknięciu gołą ręką.
(3) Enkoder musi dostarczać sygnały na poziomie TTL oraz pojedyncze kanały A i B (sygnał
prostokątny)
(4) Cyfrowe filtry zapewniają zabezpieczenie przed szumem/zakłóceniami. Filtr pracuje do 1MHz.
(5) Sygnał DIR musi być na właściwym poziomie napięcia, po wystąpieniu zbocza narastającego sygnału
STEP, przez przynajmniej 1us.