Diplomski radServo regulator Lexium LXM32MMentor:dr Miroslav BjekiStudent:Stevanovi Zoran 545/2009

SADRAJTeorijske osnove- Upravljanje- ServomehanizmiOpis AC servo sistema sa kontrolerom LXM32M firme Schneider-electric- Karakteristike ureaja Lexium LXM32M- Komunikacioni konvertor- AC servo motorPredlog laboratorijskih vebi- Laboratorijska veba 1- Laboratorijska veba 2- Laboratorijska veba 3

UpravljanjeUpravljanje je dejstvo na sistem ili u sistemu usmereno na postizanje odreenog cilja. Upravljanje bez povratne sprege.

Kod sistema upravljanja bez povratne sprege upravljako dejstvo ne zavisi od izlazne promenljive. Kod ovog sistema izlazna promenljiva se ne meri i ne uporeuje sa ulaznom promenljivom.

Upravljanje sa povratnom spregom.

Upravljanje u zatvorenoj sprezi se esto naziva regulacijom. Kod ovog sistema izlazna veliina se meri i uporeuje sa ulaznom. Blok ema sistema automatskog upravljanja sa povratnom spregom

ServomehanizmiServomehanizam ili servo, je sistem upravljanja sa povratnom spregom kod koga je upravljana promenljiva mehanika pozicija ili kretanje. Osnovna funkcija servomehanizma je da njegov izlaz brzo i precizno prati promene ulaza.Blok ema servomehanizma

Servosistem obezbeuje tri povratne petlje: Pozicionu Brzinsku Strujnu

Servosistem sa servo kontrolerom Lexium LXM32M

Servo kontroler Lexium LXM32M

LXM32...U45M2...Nominalni napon[V]230 (1 ~)Ograniena polazna struja[A]3,5Maksimalna struja osiguraa1[A]25Prekidna mo pri kratkom spoju[kA]5Trajna izlazna struja[Arms]1,5Vrna vrednost struje (za 1s)[Arms]4,5Minimalna induktivnost motora[mH]5,5Vrednosti bez glavnog kalemaNominalna snaga[kW]0,3Ulazna struja pri nominalnoj snazi i naponu[Arms]2,9Ukupno harmonijsko izoblienje THD ulazne struje[%]181Snaga disipacije[W]10Maksimalna polazna struja[A]142Vreme maksimalne polazne struje[ms]1,1Vrednosti sa glavnog kalemaGlavni kalem[mH]5Nominalna snaga[kW]0,5Ulazna struja pri nominalnoj snazi i naponu[Arms]3,4Ukupno harmonijsko izoblienje THD ulazne struje[%]100Snaga disipacije[W]11Maksimalna polazna struja[A]42Vreme maksimalne polazne struje[ms]3,5

(CN1) Mreni prikljuak(CN2) Prikljuak za:- 24V napajanje kontrolera- bezbednosna funkcija STO(CN3) Prikljuak za enkoder motora(CN4) Prikljuak za PTO (Pulse Train Out)(CN5) Prikljuak za PTI (Pulse Train In)(CN6) Ulazi i izlazi:- 6 podesivih digitalnih ulaza- 3 podesiva digitalna izlaza(CN7) Modbus(CN8) Prikljuak za spoljni koioni otpornik(CN9) DC bus prikljuak(CN10) Prikljuak faza motora(CN11) Prikljuak motorne konice(Slot 1) Slot za bezbednosni modul(Slot 2) Slot za enkoderski modul(Slot 3) Slot za fieldbus modulPregled konektora

SignaliDigitalni ulazi i izlazi mogu biti povezani kao logiki tip 1 ili logiki tip 2. Na slici su predstavljena oba naina povezivanja, gde se jasno vidi da u prvom sluaju struja tee prema ulazu dok u drugom sluaju struja tee iz ulaza. Logika nula za digitalni ulaz: -3...+5 Vdc Logika jedinica za digitalni ulaz: +15...+30 Vdc

ModuliDodatni modul CANopenSlobodni slot za dodatne module

Slot 1Sigurnosni modul eSMI/O modul IOM1Slot 2Enkoderski modul RSR (interfejs za rezolver)Enkoderski modul DIG (interfejs za digitalni)Enkoderski modul ANA (interfejs za analogni)Slot 3Fieldbus modul CANopenFieldbus modul Profibus DPFieldbus modul DeviceNetFieldbus modul EtherNet/IPFieldbus modul EtherCAT

Funkcija STO (Safe Torque Off)Bezbednosna funkcija STO iskljuuje moment motora bez iskljuivanja napajanja. Prema standardu IEC 60204-1 postoje dve kategorije zaustavljanja. Zaustavljanje kategorije 0 karakterie trenutni prekid napajanja (nekontrolisano zaustavljanje). Zaustavljanje kategorije 1 karakterie kontrolisano zaustavljanje uz postojanje napajanja koje nije prekinuto u trenutku zaustavljanja.

Prikljuci servo kontrolera Prikljuak motora na servo kontroler (CN10)

Prikljuci servo kontrolera Prikljuak konice na servo kontroler (CN11)

Prikljuci servo kontrolera Prikljuak napajanja servo kontrolera (CN1)

Prikljuci servo kontrolera Prikljuak enkodera (CN3)

Prikljuci servo kontrolera Prikljuak DC napajanja i STO (CN2)

Prikljuci servo kontrolera Prikljuak digitalnih ulaza/izlaza (CN6)

Prikljuci servo kontrolera Prikljuak za modbus (CN7)

Prikljuci servo kontrolera Prikljuak za PTI (CN5, Pulse Train In) 5 V

Prikljuci servo kontrolera Prikljuak za PTI (CN5, Pulse Train In) 24 V

Kontrolni panel HMI1) Led diode indikacije stanja2) 7-segmentni displej3) ESC taster4) Navigacioni taster

Upravljanje servo kontrolerom programom SoMoveProgram SoMove se koristi za konfiguraciju i monitoring servo kontrolera u windows okruenju.

Ovaj program omoguava:

definisanje ureaja, upravljanje i prikazivanje odgovarajuih podeenja i komunikacionih parametara pripremanje konfiguracionog fajla u offline modu podeavanje i prenoenje konfiguracionih fajlova povezivanje sa kontrolisanim ureajem u cilju upravljanja njime, podeavanje i nadgledanje njegovog rada

Poetni prozor ovog programa je prikazan na sledeoj slici.

(1) Za kreiranje konfiguracionog fajla unapred odreenog ureaja, koji se moe sauvati radi kasnije upotrebe. U ovom sluaju ne postoji veza sa ureajem.

(2) Dobijaju se podeenja prikljuenog ureaja na raunar, koji ostaje povezan tokom itavog rada u programu. Postoji stalna veza sa ureajem.

(3) Omoguava otvaranje postojeeg konfiguracionog fajla snimljenog na raunaru. U ovom sluaju ne postoji veza sa ureajem.

(4) Dobijaju se podeenja prikljuenog ureaja na raunar.

(5) Vri se prebacivanje konfiguracionog fajla na prikljueni ureaj, sa postojeeg projekta snimljenog na raunar.

(6) Omoguava razmenu konfiguracionih fajlova konvertovanjem u kompatibilne formate.

(7) Izvrava se testiranje povezanosti izmeu ureaja i raunara.

Modbus komunikacioni protokolProgram SoMove koristi modbus protokol za komunikaciju sa ureajem. Mogui naini veze raunara i ureaja kojim se upravlja su:

Veza kablovima (hardware) Beina veza (wireless)

Podeavanje vezaMogu je izbor veze putem kablova (hardware) opcija Modbus Monodrop Connection i Modbus TCP Connection ili beino (wireless) opcija Bluetooth Connection.

TipKarakteristikeUSB/RJ45 kabalDuina: 2,5mRS232/RJ45 kabalDuina: 0,1mModbus TCPDuina: 100mBluetooth Modbus adapterDomet: 10mUSB Bluetooth adapterDomet: 10m

Komunikacioni konvertorDC 232/422-485 je komunikacioni konvertor koji omoguava povezivanje serijskih industrijskih magistrala i ureaja sa RS 422-485 prikljukom, na serijski port raunara.

Komunikacioni prikljuciRS 232 (enski DB9)RS 422-485 (razdvojiva raf klema, 8 ica)Brzina i format podatakaDo 115,2 kb/s, podrava sve formate (9-12 bita)Terminacija linije 422/485120,ukljuenje/iskljuenje pomou DIP prekidaaPrelazak: prijem-predajaRTS ili automatskiMaksimalno rastojanje1,2km @9600b/sLED indikatoriPWR, TxD, RxDGalvanska izolacija1,5kV DCNapajanjeIzvor jednosmernog napona 7-32V, max 2,5WRadna temperatura-25 do 70CMontaaNa 35mm DIN inuDimenzije90 x 35 x 70mm

AC servo motor1 - kuite; 2 - flana za privrivanje motora; 3 - osovina; 4 - konektor za energetski kabal; 5 - konektor za kabal enkodera. Sinhroni AC servo motori sa permanentnim rotorskim magnetom dizajnirani su za aplikacije sa visokim zahtevima po pitanju brzine i preciznosti. Obrtni moment dobija se kao rezultat sinusoidalne trofazne strujne pobude statora u kombinaciji sa magnetnim poljem rotorskih permanentnih magneta. Enkoder je integrisan u motoru, i on obezbeuje informaciju o poziciji motora, rezolver SinCos Hiperface sa rezolucijom 131072 taaka.

Predlog laboratorijskih vebiLaboratorijska veba 1- Povezivanje sistema za upravljanje radom AC servo motora, prepoznavanje svih prikljuaka

Laboratorijska veba 2 - Konfigurisanje ureaja za konkretan primer u programu SoMoveLaboratorijska veba 3- Demonstracija osnovnih funkcija upravljanja AC servo motorom

Laboratorijska veba 1- Povezivanje sistema za upravljanje radom AC servo motora, prepoznavanje svih prikljuakaOpis opremeServo kontroler LXM32M U45 M2

Laboratorijska veba 1Opis opremeServo kontroler LXM32M U45 M2Komunikacioni konvertor DC232/422-485

Laboratorijska veba 1Opis opremeServo kontroler LXM32M U45 M2Komunikacioni konvertor DC232/422-485AC/DC napajanje 110-240V/24V, 10A

Laboratorijska veba 1Opis opremeServo kontroler LXM32M U45 M2Komunikacioni konvertor DC232/422-485AC/DC napajanje 110-240V/24V, 10ARelej 24V

Laboratorijska veba 1Opis opremeServo kontroler LXM32M U45 M2Komunikacioni konvertor DC232/422-485AC/DC napajanje 110-240V/24V, 10ARelej 24VGrebenasti prekida (0-1)

Laboratorijska veba 1Opis opremeServo kontroler LXM32M U45 M2Komunikacioni konvertor DC232/422-485AC/DC napajanje 110-240V/24V, 10ARelej 24VGrebenasti prekida (0-1)Tasteri START i STOP

Laboratorijska veba 1Opis opremeServo kontroler LXM32M U45 M2Komunikacioni konvertor DC232/422-485AC/DC napajanje 110-240V/24V, 10ARelej 24VGrebenasti prekida (0-1)Tasteri START i STOPTaster EMERGENCY STOP

Laboratorijska veba 1Opis opremeServo kontroler LXM32M U45 M2Komunikacioni konvertor DC232/422-485AC/DC napajanje 110-240V/24V, 10ARelej 24VGrebenasti prekida (0-1)Tasteri START i STOPTaster EMERGENCY STOPAC servo motor

Elektrina ema napajanja

Elektrina ema veze

Povezivanje napajanja (CN1)

Povezivanje napajanja kontrolera i STO (CN2, DC napajanje i STO)

Povezivanje motora (CN10, CN11)

Povezivanje enkodera (CN3)

Prikljuci na servo motoruCN1 motorni prikljuak M23CN2 enkoderski prikljuak M23

Povezivanje raunara sa servo kontrolerom (CN7)Potreban komunikacioni konvertor DC232/422-485Opciono USB/RS232 (za sluaj nepostojanja serijskog porta)

Laboratorijska veba 2- Konfigurisanje ureaja za konkretan primer u programu SoMoveKreiranje projekta i offline modu

- Selektovati tip ureaja

- Definisati karakteristike ureaja

- Glavni prozor sa raznim opcijama rasporeenim u vidu tabova, za postavljanje parametara nadgledanje i upravljanje odreenim veliinama

- Podeavanje raznih parametara organizovanih u tabu Parameters list

- Nakon izvrenih podeavanja snimiti projekat na raunaru klikom na dugme Save As u toolbar-u- Prenoenje konfiguracionog fajla na ureaj, realizuje se u radnom okruenju programa, klikom na dugme Store to Device u toolbar-u- Postojei projekat, odnosno konfiguracioni fajl koji je predhodno sauvan na raunaru, moe se jednostavno menjati i prilagoavati parametre podeenja prema novim zahtevima i uslovima za upravljani ureaj u pogonu.

Kreiranje projekta i online modu- Kada je ostvarena komunikacija raunara sa servo kontrolerom, mogue je podeavati, menjati parametre i upravljati ureajem bez prekidanja veze (online).- Na poetnom prozoru izabrati opciju Connect za povezivanje sa ureajem- Nakon uspenog povezivanja pojavljuje se glavni prozor sa postojeim podeenjima koja se mogu menjati

Najpre izvriti podeavanja vezana za jedinice i skaliranje

Definisati prema slici broj taaka po jednom obrtaju (usr_p)

Proveriti dali su digitalni ulazi podeeni kao na sliciDefinisati logiku graninih prekidaa LIMP i LIMN

U tabu Error mogu je pregled greaka koji su se desile u sistemu po hronolokom redu

U tabu Scope omoguena je funkcija osciloskopa za praenje osnovnih parametara motora

U tabu Monitoring moe se videti trenutno stanje digitalnih ulaza i izlaza kao i status sigurnosne funkcije STO

Podeavanje regulatora po brzini i poziciji (odziv sistema)U tabu Tuning postoje tri naina za podeavanje kontrolnih petlji sistemaEasy Tuning: Automatsko podeavanje bez intervencije korisnika,Comfort Tuning: Poluautomatsko podeavanje sa deliminim podeenjima korisnika, koji moe podesiti parametre za smer i koenjeManual (Expert mode): Korisnik moe da podeava parametre kontrolnih petlji

Autotuning odreuje moment trenja, kao da je konstantan moment optereenja, i uzima ga u obzir pri prorainu momenta inercije celokupnog sistema. Autotuning optimizuje podeenja parametra kontrolne petlje.Za optimizaciju kontrolera, treba izabrati mod Expert Tuning. Za odziv brzinske petlje podeenja su data na slici

Za optimizaciju pozicione petlje, prikazati odziv sistema sa podeenjima koja su data na sledeoj slici

Na osnovu snimljenih odziva sistema, mogu se vriti dodatna podeavanja PID parametara regulatora, prema zahtevima servo pogona. Na primer, ako je potrebno poveati brzinu postizanja referentne veliine, potrebno je poveati vrednost parametra P (pojaanje).

Laboratorijska veba 3- Demonstacija osnovnih funkcija upravljanja AC servo motorom1. Priprema servo kontroleraUkljuiti prekida za napajanje komandnog ormanaPostaviti glavni grebenasti prekida S1 u poloaj jedanPritisnuti taster START za dovoenje kontaktora u provodno stanje, iji kontakti ukljuuju napajanje servo kontrolera na konektoru CN1Prekidanje radnog reima i dranja kotvi kontaktora je pritiskom na taster STOP

Status servo kontrolera bie prikazan na displeju

Laboratorijska veba 3

Pokrenuti program SoMove na raunaru, uz uslov da je ostvarena komunikaciona veza izmeu raunara i servo kontrolera,

Na poetnom prozoru izabrati opciju Connect,

Pritisnuti dugme ON najpre u delu Excl. zatim i u delu Power radnog prozora,

U odeljku Operating state bie oznaeno POWER ENABLED, znai da je ukljueno napajanje ureaja

2. Reim rada po pozicijiZadatak:Podesiti servo kontroler da izvri pozicioniranje osovine motora prema sledeim zahtevima pogona, izvriti pomeranje osovine za jedan obrtaj odnosno za ugao 360 pri brzini od 5 min-1 a nakon toga jo jedan pomeraj za ugao od 360 ali pri brzini od 20 min-1.,

Podeenja za radni reim pozicioniranja za upravljanje pozicijom motora, prikazana su na slici

Faktor pozicionog skaliranja je prikazan jednainom:Prema zahtevu zadatka da se izvri jedan obrtaj, u polju Target position zadaje se:Korisniki definisana jedinica za poziciju (usr_p) predstavlja broj taaka za koji treba da se pomeri osovina motora.

Fabriko podeenje je da 1 obrtaju motora odgovara 16384 korisnikih jedinica. U ovom sluaju predhodno izabrana vrednost je 100000.Nakon zavretka svih podeenja pritisnuti dugme Start za pozicioniranje sa prvom brzinom, a nakon toga ponoviti sa drugom brzinom.

Grafik pozicioniranja snimiti upotrebom funkcije osciloskopa u programu SoMove na sledei nain. U tabu Scope odabrati parametar koji treba snimiti, klikom na znak plus u odeljku Channels,

Oznaiti parametar Actual position in internal units, Podesiti parametre osciloskopa prema datoj slici,

Sampling rate: (100ms) Trigger: (Standard) Mode: (Single)

Grafik koji treba da se dobije upotrebom funkcije Scope, za praenje pozicioniranja pri razliitim brzinama.

Napomena: U sluaju da motor nije tano izvrio ovu operaciju, proveriti podeenja za Scaling/ScalePOSdenom, ija vrednost treba da bude 100000.

Video zapis Upravljanje po poziciji

3. Reim rada po brziniZadatak:Podesiti servo kontroler prema sledeim zahtevima elektromotornog pogona: referentna brzina obrtanja motora treba da bude 300 min-1, vreme polaska odnosno vreme za koje je potrebno da motor postigne zadatu brzinu je 5s, a vreme usporenja odnosno vreme za koje treba da brzina motora bude nula, treba da bude 2,5 s. Reim rada pogona prikazan je sledeim dijagramom.

Podeenja za radni reim po brzini za upravljanje brzinom motora, prikazana su na sliciFaktor skaliranja po brzini je prikazan jednainom:Fabriko podeenje je 1 obrtaj motora u minutu odgovara 1 korisniki definisanoj jedinici (usr_v).Faktor skaliranja za ubrzanje je prikazan jednainom:

Prema zahtevu zadatka vreme postizanja referentne brzine dato je i iznosi 5s, dok je vreme usporenja 2,5s. Nain prorauna vrednosti korisniki definisane jedinice za ubrzanje i usporenje je:U poljima Max.Acc i Max.Decel zadaju se vrednosti 60 odnosno 120 respektivno, korisniki definisanih jedinica, to odgovara ubrzanju od 1 1/s2, odnosno 2 1/s2.Nakon zavretka svih podeenja pritisnuti dugme Start za pokretanje motora pri zadatim parametrima pogona.

Grafik brzine snimiti upotrebom funkcije osciloskopa u programu SoMove na sledei nain. U tabu Scope odabrati parametar koji treba snimiti, klikom na znak plus u odeljku Channels,

Oznaiti parametar Actual speed of rotation, Podesiti parametre osciloskopa prema datoj slici,

Sampling rate: (100ms) Trigger: (Standard) Mode: (Single)

Grafik koji treba da se dobije upotrebom funkcije Scope, za snimanje ostvarene vrednosti brzine i vremena ubrzanja i usporenja.

Uzlazna rampa brzine

Silazna rampa brzine

Na datim graficima moe se izmeriti vreme polaska i koenja i uporediti sa podeenim vrednostima.

Video zapis Upravljanje po brzini

4. Reim rada po momentuZadatak:Podesiti servo kontroler prema sledeim zahtevima elektromotornog pogona: Referentna vrednost momenta treba da iznosi 2,25 Ncm a ubrzanja 10 1/s2. Prikazati na osciloskopu trenutnu vrednost momenta korienjem funkcije Scope u programu SoMove.

Podeenja za radni reim po momentu za upravljanje momentom motora, prikazana su na sliciNapomena: Zbog nepostojanja optereenja na vratilu motora, razvija se moment samo na savlaivanje sopstvenog momenta usled trenja koji je mali i iznosi oko 1,5% od nominalnog momenta (0,675 Ncm). Da motor ne bi ubrzavao do maksimalnih vrednosti, procentualna vrednost koju ne treba prelaziti u ovom reimu je 5%.

Vrednost momenta u procentima i ubrzanja u (usr_a) jedinicama, se rauna prema sledeim jednainama:Nakon zavretka svih podeenja pritisnuti dugme Start za pokretanje motora pri zadatim parametrima pogona.

Grafik momenta snimiti upotrebom funkcije osciloskopa u programu SoMove na sledei nain. U tabu Scope odabrati parametar koji treba snimiti, klikom na znak plus u odeljku Channels,

Oznaiti parametar Actual torque value, Podesiti parametre osciloskopa prema datoj slici,

Sampling rate: (10ms) Trigger: (Standard) Mode: (Single)

Grafik koji treba da se dobije upotrebom funkcije Scope, za snimanje ostvarene vrednosti momenta.

Na grafiku se moe videti da u poetku motor razvija moment ubrzanja, koji na grafiku iznosi oko 1,25 %, dok zadati moment oko 5 %. Tanost prikaza na grafiku zavisi od vremena uzorkovanja (sampling rate).

Video zapis Upravljanje po momentu

Po stopiranju radnog reima, potrebno je iskljuiti napajanje u programu. Pritisnuti dugme Off najpre u delu Power zatim i u delu Excl. radnog prozora.

Time e se omoguiti bezbedno iskljuenje ureaja, klikom na opciju Disconnect from Device iz padajueg menija Communication.

Nakon toga moe se bezbedno izai iz radnog okruenja programa SoMove.

ZakljuakU diplomskom radu su opisane osnovne funkcije servo kontrolera serije Lexium 32M, firme Schneider-electric. tehnike karakteristike mogunosti ureaja konfiguracija za rad pri raznim radnim reimima

Jedna od preporuka za dalje radove je: primena ovog servo kontrolera u vieosnim sistemima uz primenu digitalne kontrole bez brzinske i strujne petlje, kao i daljinsko upravljanje servo pogonom putem raunarske mree ili interneta.

Povezivanje i upravljanje putem industrijske magistrale CANopen.

Velike su i mogunosti podeavanja samog regulatora putem PID parametara u zavisnosti od zahtevanog odziva veliina u servo sistemu.

*