Přednáška 7 Inovace výuky předmětu Robotika v lékařství Senzory a aktuátory používané v robotických systémech. Regulace otáček stejnosměrných motorů (aktuátorů) Pro pohon jednotlivých os robota jsou často použity stejnosměrné motory s pevnými magnety. Plynulá regulace otáček stejnosměrných motorů se provádí změnou napětí na kotvě motoru, takže problém řízení otáček se transformuje na problém regulace napětí na kotvě motoru. Regulaci je možné realizovat dvěma způsoby a to lineární regulací nebo polovodičovým měničem. Lineární regulace Lineární regulátor pracuje jako sériový stabilizátor napětí, kdy je napětí na výkonovém prvku rovno rozdílu napájecího napětí a napětí výstupního. Výkonová ztráta je pak rovna součinu tohoto rozdílu a výstupního proudu a v případě, kdy je požadované výstupní napětí např. 10% napětí vstupního, je výkonová ztráta na regulátoru 90%, a tudíž účinnost klesá na 10%. Při předpokládaném výkonu motoru kolem 400W by pak výkonová ztráta představovala 360W. U takto vysokých ztrát je evidentní, že užití tohoto typu regulace je velice neefektivní a je velice náročné zajistit dostatečné chlazení výkonových prvků. Další problematikou je volba vhodných výkonových prvků, které snesou takto vysoké výkonové zatížení a dokáží množství produkovaného tepla přenést na chladící prvky. Polovodičový měnič Polovodičový měnič (dále jen měnič) pracuje v režimu, kdy se výkonový prvek nachází ve dvou možných stavech - sepnut nebo rozepnut. Ztráty na výkonových prvcích jsou pak dány hodnotou saturačního napětí jednotlivých prvků a procházejícím proudem. Tím nedochází k tak vysokým výkonovým ztrátám jako u lineárních regulátorů, zvyšuje se účinnost regulace a snižuje množství tepla vytvářeného výkonovými prvky. Měnič je v současné době standardním řešením při regulaci otáček jak stejnosměrných, tak i střídavých motorů, a měl by splňovat následující základní požadavky : zajištění práce motoru ve všech kvadrantech, malý a na proudu nezávislý výstupní odpor, aby neovlivňoval přirozené charakteristiky motorů, tvrdá zatěžovací charakteristika a malá setrvačnost, vysoká účinnost, dostatečná přetížitelnost pro dosažení potřebných charakteristik v přechodových režimech, odolnost proti poruchám a vysoká spolehlivost, malá hmotnost a malé rozměry, neovlivňování sítě. Stránka 1 z 8
Uvedeným požadavkům nejlépe odpovídá měnič, který dodává motoru potřebnou energii pomocí PWM (pulzně šířkové modulace). Řízení napětí kotvy stejnosměrných motorů se obvykle realizuje měničem, jehož základní uspořádání je na obr. 7.1. Motor je připojen do středu úplného můstku, kde je napětí připojováno pomocí výkonových prvků (spínačů) a můstek je napájen stejnosměrným napětím. Můstkové zapojení spínačů umožňuje při použití nesymetrického napájení změnu směru otáčení motoru a brzdění motoru. Jednotlivé spínače jsou ovládány řídícími signály, které jsou závislé na způsobu řízení. V praxi se používají tři způsoby řízení. Obr. 7.1 Základní zapojení polovodičového měniče. Symetrický způsob řízení Symetrický způsob řízení patří mezi nejjednodušší řízení pomocí PWM. Funkce tohoto způsobu je naznačena na obr. 7.2. Obr. 7.2 Princip symetrického způsobu řízení Stránka 2 z 8
V tomto módu se přepínají všechny výkonové prvky v měniči a z jeho výstupu přichází na kotvu řízeného motoru napětí s proměnlivým znaménkem. Je-li střída PWM signálu n = 0,5 ( t1 = t2 ), je střední hodnota napětí na kotvě rovna nule. Střída signálu je definována následujícím vztahem: t1 n = T (7.1) Směr otáčení motoru se pak provádí změnou střídy to znamená, že pro hodnoty střídy n < 0,5 se motor otáčí jedním směrem a pro hodnoty n > 0,5 se otáčí směrem opačným. Tento způsob řízení se používá zvláště u pohonů s malým výkonem. Jeho předností je snadná realizace řídícího systému a dále fakt, že nemá žádnou zónu necitlivosti v regulační charakteristice. Ovšem jeho nevýhodou je pulzace momentu, způsobena přiváděním napětí proměnlivé polarity na kotvu motoru. Nesymetrický způsob řízení Funkce nesymetrického řízení je naznačena na obr. 7.3. Při určité polaritě výstupního napětí je spínač S1 trvale otevřen a spínače S3 a S4 řídí střídu výstupního napětí (při opačné polaritě je trvale otevřen spínač S3 a střídu řídí spínače S1 a S2). Obr. 7.3 Princip nesymetrického způsobu řízení Nesymetrickým způsobem regulace přichází na kotvu motoru napětí stejné polarity a díky tomu nedochází k pulzaci momentu jako u symetrického způsobu. Vzniká zde však necitlivost v regulační charakteristice, zvláště při malých střídách řídícího signálu. Další nevýhodou nesymetrického způsobu řízení je, že spínače horní větve jsou zatíženy více než spínače větve dolní. Stránka 3 z 8
Postupný způsob řízení Funkce postupného řízení je naznačena na obr. 7.4. Při kterékoli polaritě výstupního napětí spínají všechny spínače, přičemž kmitočet přepínání každého z nich je poloviční než kmitočet výstupního napětí. Obr. 7.4 Princip postupného způsobu řízení Postupný způsob řízení odstraňuje nerovnoměrné zatížení spínačů, ke kterému dochází při nesymetrickém způsobu, při zachování ostatních parametrů. Jak jsem se již zmínil, ztráty na výkonových prvcích jsou u měniče dány hodnotou saturačního napětí jednotlivých spínačů a proudem jimi procházejícím. K největším ztrátám dochází při požadavku maximálního výkonu, což je dáno tím, že při požadovaném maximálním napětí jsou spínače sepnuty delší dobu než při napětí minimálním (princip PWM), a prochází jimi proud delší dobu, čímž narůstá výkonová ztráta. Důležitým požadavkem je najít výkonový prvek, který může pracovat ve stejnosměrném obvodu, bude mít v sepnutém stavu co nejmenší napětí na přechodu a je schopen spínat vysoké proudy. Pro potřeby spínání ve stejnosměrných obvodech se nedají použít tyristory, které se běžně používají pro spínání vysokých výkonů při regulaci ve střídavých obvodech. Pro spínání stejnosměrných obvodů se používají výkonové spínací tranzistory. V současnosti se již upouští od používání bipolárních tranzistorů ke spínání vysokých proudů, protože mají malé proudové zesílení, a tím vysoké energetické nároky na budící obvody, čímž se zvyšuje setrvačnost těchto spínačů. Pro rychlé spínání se používá dnes velice technologicky vyspělých tranzistorů řízených polem (FET), nebo bipolárních tranzistorů s izolovanou elektrodou (IGBT). Tranzistory řízené polem Tranzistory řízené polem (FET), v současnosti nahrazují běžné bipolární tranzistory. Tento trend je patrný zvláště ve výkonových aplikacích. Hlavním důvodem jsou jejich vynikající Stránka 4 z 8
spínací parametry, malý přechodový odpor v sepnutém stavu a snadnost řízení. Protože se řídí napětím a mají velmi vysoký vstupní odpor řídící elektrody, prakticky nezatěžují budící obvod, a tím zjednodušuje jeho návrh. U tranzistorů typu FET se odpor vodivého kanálu řídí napětím na řídící elektrodě. Pro řízení je však třeba symetrického napětí, a to hlavně při použití v obvodech s rychlými změnami stavu. Pro spínání větších výkonů se používají výhradně tranzistory s kanálem N, neboť technologie výroby tranzistorů s kanálem P není ještě tak dokonalá. Tranzistory s kanálem P s obdobnými parametry jakých, je dosaženo u tranzistorů s kanálem N, se nevyrábějí. U výkonových tranzistorů FET se odpor přechodového kanálu v sepnutém stavu pohybuje řádově v m Ω. Jestliže FET tranzistor má odpor kanálu v sepnutém stavu 150 m Ω a protéká jím proud 6,5A. Potom je výkonová ztráta, která vzniká na přenosovém kanálu, dána vztahem: P 2 = R DSon I DS = 0,15 6,5 2 6,34 [ W ] (7.2) kde R DSon je odpor přenosového kanálu v sepnutém stavu I DS je proud procházející přenosovým kanálem Bipolární tranzistory s izolovanou elektrodou IGBT tranzistory jsou kombinací bipolárního tranzistoru a tranzistoru řízeného polem. Řídícím vstupem je elektroda G jako u FET tranzistoru, která napětím ovládá otevírání přechodu kolektor - emitor bipolárního tranzistoru. Použitím řídící elektrody se bipolární tranzistor chová jako polem řízený. Výhodou bipolárních tranzistorů je malé saturační napětí, které není příliš závislé na procházejícím proudu. Tohoto efektu je využito při spínání velmi vysokých proudů až stovek ampér. U FET tranzistoru není přechodový odpor kanálu závislý na protékajícím proudu ale na hodnotě řídícího napětí. Tím na přechodovém kanálu vzniká úbytek napětí úměrný procházejícímu proudu, což ale u IGBT tranzistorů neplatí. Z uvedených důvodů jsou IGBT tranzistory předurčeny pro spínání velmi vysokých proudů. Při běžné hodnotě saturačního napětí kolem 2 V je pak ztrátový výkon: P D = U CEsat IC = 2 6,5 = 13 [ W ] (7.3) kde U CEsat je saturační napětí kolektor - emitor I C je proud procházející přechodem kolektor - emitor Stránka 5 z 8
Inkrementálních snímačů Pro odměřování polohy vůči referenčnímu bodu se používají optoelektrická inkrementální rotační čidla. Pro napájení čidla je zapotřebí přivést stejnosměrné napětí 5V. Pro snímání rotačního pohybu je uvnitř čidla použit skleněný kotouček s drobnými drážkami po obvodu. Tyto drážky jsou přes štěrbiny prosvětlovány a při vhodném natočení kotoučku vůči štěrbině prochází světlo do snímače na druhé straně štěrbiny. Štěrbiny jsou konstrukčně umístěny tak, aby výsledný signál byl posunut vzájemně o 90. Dále je zde signál nulové polohy, tedy signál, který generuje jediný impuls na jednu otáčku hřídele snímače a slouží pouze jako kontrolní nebo v některých aplikacích jako signál kompletní otáčky. Tyto signály jsou dále zpracovány na zesilovačích a budičích sběrnice a jsou přivedeny na výstup konektoru. Výstupem jsou tudíž dva signály A, B se vzájemným elektrickým posunutím 90 a jeden signál C. Průběh jednotlivých signálů je zobrazen na obrázku 7.5: 0 90 180 270 360 1 2 3 max. šířka min. šířka -50% obr. 7.5: Průběh signálů z inkrementálního čidla Počet impulsů na jednu otáčku může být od 100 do 2500 impulsů, podle provedení snímače. Vyhodnocení průběhů vede na tři základní informace: 1. Směr otáčení 2. Uražená úhlová dráha, po převodu i lineární dráha 3. Rychlost pohybu Tachogenerátor Na společné hřídeli od motoru bývá kromě inkrementálního snímače připojen i tachogenerátor. Tachogenerátor slouží pro snímání rychlosti pohybu, kdy mechanickou energii od hřídele převádí na elektrický analogový signál. Úroveň generovaného napětí je přímo úměrná rychlosti pohybu hřídele. Následují obr.7.6 ukazuje možné zapojení Stránka 6 z 8
servomechanismu který využívá senzorické informace z čidel (tachogenerátor úhlová rychlost hřídele, inkrementální snímač poloha hřídele) pro dosažení žádané polohy hřídele. TRANSFORMÁTOR ŽÁDANÁ POLOHA DIFERENČNÍ ČLEN POLOHY, REGULÁTOR POLOHY ŽÁDANÁ RYCHLOST DIFERENČNÍ ČLEN RYCHLOSTI, REGULÁTOR RYCHLOSTI, MĚNIČ M TD R SKUTEČNÁ RYCHLOST SKUTEČNÁ POLOHA BLOKOVÉ SCHÉMA POLOHOVÉHO SERVOSYSTÉMU Obr. 7.6 : polohový servomechanismus se ss. motorem RC servo V RC servu se vyhodnocují dva signály. Jeden přicházející z přijímače, druhý z oscilátoru uvnitř serva. Oba signály se v servu porovnávají - vyhodnocuje se vzájemně jejich délka a servo pak otáčí motorem-potenciometrem tak dlouho, dokud se délka impulsů nevyrovná, tzn. dokud se servo nenastaví do požadované polohy (záporná polohová zpětná vazba). Motor se točí vpravo nebo vlevo tak dlouho, dokud neotočí zpětnovazební potenciometr do takové polohy, až vnitřní oscilátor generuje stejně dlouhé impulsy, které jsou dodávány z přijímače. Následující obrázek (obr.7.7.) demonstruje princip PWM (pulzně šířkové modulace) signálu, použitého jako řídící signál pro servo, určující tak polohu hřídele. Stránka 7 z 8
Obr. 7.7: Závislost řídícího signálu na poloze serva. Vidíme, že poloha serva je dána střídou v rámci periody pulzu, přičemž opakovací perioda pulzů je 20 ms. Stránka 8 z 8