Kompaktní servozesilovač AX8000 s technologií XFC

Jedná se o víceosý systém s kompaktními rozměry pro prostorově úspornou instalaci do rozváděčů. Umožňuje velmi přesné a dynamické polohování s extrémně krátkými řídicími cykly. Dalšími výhodami jsou rychlá instalace a bezproblémové uvedení do provozu, jednoduché zapojení osových modulů, technologie One Cable Technology (OCT) a přímá integrace bezpečnostních funkcí a síťových filtrů. Speciální vlastností je implementovaná technologie XFC (eXtreme Fast Control) od firmy Beckhoff. Tato technologie zajišťuje v kombinaci se sběrnicí EtherCAT výkonný nástroj pro časově kritické úlohy v celé řadě průmyslových odvětví.

Modulární systém

AX8000 je modulární systém, kterým lze řešit široké spektrum aplikací. Výhodou je velký rozsah výkonu od 0,2 do 120 kW a také krouticího momentu servomotorů od 0,2 do 180 Nm. Základem jsou 4 varianty napájecího modulu:

1. AX8620-1000 – 10 A, napětí 100…240 V AC (1~) nebo 20 A 200…230 V AC (3~)
2. AX8640-1000 – 40 A, napětí 200…240 V AC (3~)
3. AX8620-0000 – 20 A, napětí 400…480 V AC (3~)
4. AX8640-0000 – 40 A, napětí 400…480 V AC (3~)

Součástí napájecího modulu je komunikační rozhraní EtherCAT pro připojení k průmyslovému PC a případně k dalším EtherCAT modulům. K napájecímu modulu jsou připojeny jednokanálové nebo dvoukanálové osové moduly:

• AX8108-0000 – modul pro jednu osu 1 × 8 A
• AX8118-0x00 – modul pro jednu osu 1 × 18 A
• AX8206-0x00 – modul pro dvě osy 2 × 6 A

Uvedené hodnoty jsou pro nominální proud. Špičkový proud jednoho kanálu je dvojnásobný. V nabídce je také kombinace napájecího modulu a jednokanálového osového modulu s nominálním výstupním proudem 25 A nebo 40 A.

Osový modul

Osový modul obsahuje DC-Link a střídač pro napájení motoru. V závislosti na požadovaném počtu os jsou osové moduly připojeny k napájecímu modulu pro vytvoření víceosého servosystému. Aby bylo možné optimalizovat návrh jednotlivých os, lze kombinovat moduly s různým nominálním proudem. Možnost širokého rozsahu napájecího napětí od 100 do 480 V AC umožňuje připojit osový modul k libovolnému napájecímu modulu AX86xx. Tato flexibilita zjednodušuje konfiguraci stroje pro jakýkoli typ síťového napájení. Elektrické připojení jednotlivých modulů k sobě je možné bez použití nástrojů. Automaticky se připojuje DC-Link, 24 V DC a komunikace EtherCAT mezi moduly. Připojení DC-Linku umožňuje výměnu energie při akceleraci a brzdění. Brzdná energie je primárně uložena ve společném DC-Linku. Modul kondenzátoru AX8810 rozšiřuje kapacitu DC-Linku a je vhodný zejména v kombinaci s jednofázovým napájením AX8620-1000. Energie, která se generuje při brzdění, je primárně ukládána v kapacitním modulu. Tím se snižují ztráty energie, protože je méně využíván brzdný odpor. Pomocí kondenzátorového modulu lze snížit celkovou připojenou zátěž a také zmenšit velikost pojistky. Novinkou pro letošní rok bude rozšíření portfolia o modul AX8820 pro rekuperaci energie.

Technologie OCT

Servozesilovač AX8000 podporuje technologii připojení servomotorů OCT (One Cable Technology). Pro napájení servomotoru a pro zpětnovazební signály je použitý pouze jeden kabel. Toto řešení umožňuje jednak snížit náklady na kabeláž, zmenšit prostorové nároky v kabelových žlabech a řetězech a také eliminovat chyby při zapojení. Servomotory s technologií OCT mají integrovaný elektronický štítek, který obsahuje parametry servomotoru, informace o zpětné vazbě a základní nastavení pro regulátory servozesilovače. Kompatibilní servomotory pro AX8000 jsou označeny AM8000, AM8500, AM8700 a AM8800.  

Integrované safety funkce pro řízení pohybu

Všechny osové moduly AX8000 jsou dostupné ve třech variantách dle DIN EN ISO 13849-1: 2008 (kategorie 3, kategorie 4, PL c, d, e):

• Bez safety funkcí (koncové označení -0000)
• V provedení STO/SS1 (koncové označení -0100)
• V provedení se všemi safety funkcemi (koncové označení -0200)
• funkce pro zastavení STO, SOS, SS1, SS2
• funkce pro bezpečnou rychlost SLS, SSM, SSR, SMS
• poziční funkce SLP, SCA, SLI
• funkce pro zrychlení SAR, SMA
• funkce směru otáčení SDIp, SDIn
• funkce brzdy SBC
• funkce pro omezení krouticího momentu SLT

Technologie eXtreme Fast Control (XFC)

AX8000 s komunikací EtherCAT kombinuje výkonnou technologii FPGA s vícejádrovými ARM procesory. Nová multikanálová regulace proudu umožňuje extrémně krátké časy vzorkování a odezvy. Hardwarově implementovaný proudový regulátor kombinuje výhody analogové a digitální řídicí technologie. Reakce na aktuální odchylku od žádané hodnoty proudu je do 1 μs. Čas cyklu rychlostního regulátoru je 16 μs při spínací frekvenci 32 kHz. Zpracování procesních dat EtherCAT (skutečné a požadované hodnoty) probíhá bez procesoru téměř bez prodlení v hardwaru, takže minimální doba cyklu sběrnice EtherCAT je pouze 62,5 μs.

Zpracování signálů v AX8000

Při použití sběrnice EtherCAT není obtížné dosáhnout doby cyklu 62,5 µs. Je ovšem obtížné zajistit, aby tak rychle reagovaly výkonové polovodiče. To znamená jednotky µs poté, co servoměnič přijal rámec EtherCATu, který se spouští se signálem distribuovaných hodin (Distributed Clocks – DC).

Víceosý servosystém AX8000 tyto požadavky splňuje. Směrem k průmyslovému PC komunikuje AX8000 přes napájecí modul pomocí EtherCATu se standardní ethernetovou technologií. Interně používá AX8000 sběrnici EtherCAT Terminal System bus (E-bus), která zpožďuje ethernetové rámce pouze o několik nanosekund. Klíčovou součástí osových modulů je výkonný FPGA, který v sobě na jednom křemíkovém čipu kombinuje programovatelnou logiku a dvoujádrový procesor ARM. Programovatelnou logiku používají především 3 moduly VHDL IP (Intellectual Property):

1. Servoměnič (IP Core), vektorové řízení motoru, naprogramováno ve VHDL
2. EtherCAT (IP Core), zpracování rámců sběrnice EtherCAT metodou „on-the-fly“
3. Zpětná vazba (IP), OCT pro připojení enkodérů, EnDAT

Servoměnič (IP Core), vektorové řízení motoru, naprogramováno ve VHDL

Proudový regulátor, který je implementován do hardwaru (VHDL), spojuje výhody analogové a digitální regulační techniky. To umožňuje reakci na regulační odchylky v rámci jediné mikrosekundy, a to bez vypnutí systému z důvodu nadproudu.

EtherCAT (IP Core), zpracování rámců sběrnice EtherCAT metodou „on-the-fly“

Jádro EtherCATu IP umožňuje implementaci komunikační funkce sběrnice EtherCAT v rámci FPGA. Funkcionalita průmyslové sběrnice EtherCAT, včetně několika FMMU a SYNC Manageru, velikost DPRAM atd. jsou nakonfigurovány podle požadavků AX8000. Tyto vlastnosti jsou kompatibilní se specifikací EtherCATu a EtherCATu ASIC (ET1100, ET1200).

Zpětná vazba (IP), OCT pro připojení enkodérů, EnDAT

Všechny servomotory Beckhoff z řady AM8000 jsou standardně vybaveny jednokabelovou technologií (OCT). Komunikace s enkodéry integrovanými do motorů probíhá prostřednictvím OCT zpětné vazby implementované do FPGA, kde dochází k interní synchronizaci se signálem EtherCAT DC (Distributed Clock). Volitelně lze také použít enkodéry EnDAT.

Flexibilní jednotka DMA

Namísto připojení těchto IP modulů pomocí velkého množství signálů a multiplexorů jsou v rámci FPGA podporovány dvě možnosti. Datová slova jsou buď čtena, nebo zapisována pomocí procesoru anebo jsou nezávisle na procesoru kopírována jednotkou DMA s přesností v nanosekundách. Obrázek 2 znázorňuje zjednodušené blokové schéma funkce FPGA. Tímto způsobem lze přenášet nastavené hodnoty, které se během několika nanosekund spouštějí signálem DC, například z duálního portu RAM ethercatové IP do IP registrů pohonu. Podobně lze kopírovat skutečnou hodnotu – rovněž časově spouštěnou – z enkodéru do duálního portu RAM ethercatové IP, která je dále odeslána do řídicí jednotky, přičemž příště dojde opět ke zpracování odpovídajícího rámce EtherCATu.

Obrázek 2

Mimořádně nízká doba latence v kombinaci s řídicí technologií VHDL (tj. v hardwaru) umožňuje, aby byly z důvodu přenosu skutečných hodnot ethercatové rámce s nastavenými hodnotami zpracovány těsně před signálem DC anebo krátce po signálu DC. Extrémně nízká doba latence poskytuje algoritmům IPC více času. Alternativně lze snížit dobu cyklu, jak vidíme na obrázku 3.

Obrázek 3

V praxi to znamená, že AX8000 může v jednom cyklu zpracovat dva rámce, i když je doba cyklu pouhých 62,5 µs. Nicméně je třeba poznamenat, že tak vysokého výkonu lze dosáhnout pouze u poměrně malých subsystémů s relativně krátkými ethernetovými rámci. U větších systémů lze požadované doby cyklu dosáhnout rozdělením komunikace průmyslové sběrnice EtherCAT do několika paralelních částí.

IP řízení pohybu

V posledních letech se mnoho týmů zabývalo výzkumem a vývojem inovativních algoritmů pro synchronní, reluktanční a asynchronní motory či konkrétními projekty z oblasti kinematiky. Vzhledem k nedostatku otevřených, standardizovaných rozhraní a času se jednotlivé hardwarové komponenty vytváří v malých množstvích.

Koncepce duševního vlastnictví (IP) nebyla až dosud aplikována na řízení pohonů. Výrobci hardwaru obvykle ani firmám, které stroje staví, ani koncovým zákazníkům neposkytují informace o architektuře zařízení. Je to především z důvodu nízkého výpočetního výkonu mikrokontrolérů nebo DSP, které se používaly v minulosti a které jsou obvykle naprogramovány v Assembleru anebo hardwarově orientovaném „C“.

Použití koncepce IP je dobrou volbou, nicméně hovoříme zde o servozesilovači na bázi TwinCATu. Díky dnešní dostupnosti hardwaru je programování servozesilovače mnohem méně časově náročné. Počet požadovaných úloh v rámci servozesilovače je zredukován, a to především díky skutečnosti, že některé z algoritmů uvnitř FPGA jsou implementovány ve VHDL. Složité algoritmy lze vypočítat pomocí vysoce výkonné jednotky ARM CPU s FPU. Kromě toho se díky využití kompilační technologie výkon instalovaného procesoru využívá daleko efektivněji.

MATLAB^®/Simulink^® od firmy MathWorks je standardním nástrojem pro simulaci systémů s uzavřenou smyčkou. Prakticky všechna vývojová oddělení mají alespoň jednu licenci. Připojení MATLAB^®/Simulinku^® umožňuje vytváření modulů TwinCATu, které byly generovány jako modely v simulačním prostředí Simulink^®. Díky integraci s TwinCATem lze parametry a proměnné zobrazit v grafickém uživatelském rozhraní TwinCATu 3 a lze je také prohlížet a upravovat v reálném čase za běhu.