Многоканальные драйверы упрощают конструкцию станка
В течение долгого времени математика, применяемая для управления движением станка, была относительно простой: один двигатель на ось, один драйвер для каждого двигателя, подключенный кабелем и размещенный в корпусе. Увеличение числа осей означало увеличение числа драйверов и большее число электрических шкафов, а это в свою очередь вело к росту затрат на охлаждение, так как работающая силовая электроника выделяет много тепла. Многоканальные драйверы (или так называемые многоосевые) изменили этот порядок вещей, они объединяют задачи для нескольких приводов на уровне силовой шины или процессора. При правильно применении многоканальные драйверы могут сократить расходы, повысить производительность и сократить площадь занимаемую станком, одновременно с тем упрощая топологию производственной сети.
На протяжении десятилетий классический дизайн станка заключался в том, что ПЛК управляет всем, всеми портами ввода/вывода и временными интервалами передаваемых сигналов, все планирование, формирование и пересылка команд управления для драйверов лежало на ПЛК.
Рост требований к производительности вынудил разработчиков перенести вычислительную часть от контроллера (ПЛК) к драйверам. Такие «умные» драйверы имеют мощность достаточную для обработки данных одного контура регулирования (положение, скорость, крутящий момент), что позволяет сохранить вычислительные циклы контроллера для более сложного планирования движения. Принятые в промышленности стандартные сигналы могут быть аналоговые +/-10В или цифровые step/dir (шаг, направление), эти сигналы передают на драйвер данные о положении и скорости привода. Архитектура машины в целом остается централизованной, но производительность системы улучшается.
Появление цифровых шин, таких как CANopen и EtherCAT, в сочетании с более сложной прошивкой драйверов, позволило реализовать такие функции как хранение простых программ движения на уровне драйвера, это позволило использовать передачу команд движения от драйвера к драйверу. Эти «умные» драйверы могут быть установлены в станке, рядом с приводами осей и соединены последовательно в конфигурацию ведущий-ведомый, тем самым устраняется необходимость в централизованном контроллере движения, корпусе и большей части кабелей, что в свою очередь снижает стоимость и уменьшает количество точек возможного отказа. Для простых приложений с небольшим числом осей и без необходимости синхронизации, распределенная архитектура с использованием «умных» драйверов предоставляет разработчикам новые возможности, так, независимо от типа используемой архитектуры – распределенной или централизованной, каждый драйвер оставался дискретным.
В последние годы, с появлением многоканальных драйверов, положение дел изменилось, так как многоканальные драйверы объединяют эти возможности в одном устройстве, они включают в себя дискретные драйверы. Как правило, многоканальные драйверы представляют собой несколько дискретных драйверов установленных в одном корпусе или несколько печатных плат драйверов установленных на одну коммуникационную плату, которые используют вычислительные ресурсы одного процессора. Слабо интегрированные многоканальные драйверы состоят из блоков, каждый из которых представляет собой несколько драйверов объединенных в одном корпусе. Вариант многоканальных драйвера, в котором несколько дискретных драйверов интегрированы на одну плату, может отображаться как один узел в сети более высокого уровня, но может так же быть и частью подсети, например, один первичный драйвер и несколько драйверов нижнего уровня, которые обычно имеют меньшую достижимую производительность и синхронизацию. В случае же полностью интегрированного многоканального драйвера, драйвер отображается как единая сетевая нода, которая обеспечивает синхронизацию и управление несколькими двигателями.
Одним из подходов к интеграции включает в себя работу с отдельными драйверами и их подключение к общей шине питания через коммутационную плату. Хотя, строго говоря, все еще выполняется парадигма один двигатель – один драйвер, интеграция дает заметные преимущества. Привод постоянного тока требует наличия конвертора напряжения, которые преобразует переменный ток в постоянный. Использование общей шины позволяет одному преобразователю снабжать электричеством все драйверы, подключенные к шине. Результатом такого подхода является меньшее количество компонентов, меньшая стоимость и меньшие габариты. Такой подход очень гибкий и масштабируемый, так что установка дополнительного привода к текущей конструкции может быть достаточно простым.
Общая шина постоянного тока дает много преимуществ, чем простое уменьшение числа преобразователей. Такой подход позволяет снизить потребление электроэнергии при общей небольшой стоимости системы. Один преобразователь означает, что устройству нужно только одна схема защиты (предохранители, выключатели и т.д.) для одного входа, а не для каждого драйвера. Таким образом, получается, уменьшить количество компонентов и кабелей, а также стоимости труда для проведения проводки и обслуживания.
При правильном конструировании применение общей шины может повысить эффективность работы машины. Рассмотрим разматывающий или наматывающий модуль. При торможении вращающаяся ось генерирует мощность, которая обычно сбрасывается в шунтирующие резисторы, на которых она рассеивается в виде тепла, которое создает новую проблему – проблему управления тепловым потоком. С общей шиной постоянного тока эту избыточную мощность можно вернуть обратно в шину питания для других драйверов (рисунок 1). Вместо того, чтобы отбирать больше энергии от основного источника питания, вы можете воспользоваться этой регенеративной энергией, которая возвращена в общую шину для питания других двигателей. Вы можете использовать мощность, которая иначе будет потрачена впустую.
Рассмотрим систему с восемью осями. В любой момент времени одна из осей является регенерирующей, потребляющей или простаивающей. При использовании системы с общей шиной вы имеете возможность по-настоящему оптимизировать производительность. Если вы действительно понимаете, что делает ваша машина и время рабочего цикла каждого драйвера, вы можете рассчитать RMS значение тока, а следовательно рассчитать необходимую мощность преобразователя. Рассмотрим для примера упаковочную машину, выполняющую операцию закрытия коробки. Такая процедура требует быстрых, коротких движений с резкими пиками потребления, но с низкими требованиями к RMS. Если вы не используете всю мощность этих восьми осей одновременно, вы можете уменьшить размер преобразователя и тем самым экономить деньги.
Когда вы устанавливаете драйверы на общую шину питания, вы можете эффективно разделить емкость драйверов. Вы можете разработать гораздо более жесткую конструкцию шины. Для работы с агрессивными профилями ускорения жесткая шина обеспечивает энергию, необходимую для работы осей, что является еще одним преимуществом такого многоканального дизайна.
Важно выбрать приложение, для которого использование общей шины постоянного тока будет преимуществом. Не смотря на то, что обычным драйверам нужен преобразователь, общая многоканальная конструкция имеет определенную стоимость. Для машин с двумя или тремя осями такой подход не будет эффективным. И наоборот такой подход хорошо подходит для систем с десятком или сотней осей, например, для упаковочных линий или линий печати. Будьте открытыми к гибридному подходу. Имеет смысл запускать определенные оси по обычной схеме, с одним приводом, и использовать модульную систему для других осей.
Высокоуровневая интеграция
Некоторые задачи требуют производительности, которая может бросить вызов даже лучшим решениям с дискретными драйверами. В такой ситуации настоящие многоканальные драйверы дают альтернативу. Драйвер, который может управлять несколькими осями, может достичь уровней производительности, которые практически недостижимы с дискретными распределенными одноканальными (одноосевыми) драйверами. В таких конструкциях один процессор управляет отдельной силовой цепью с ШИМ модуляцией для каждого двигателя (см. рис. 2). Контроллер отправляет мультиплексированный сигнал на управляющий микропроцессор, где сигнал демультиплексируется в отдельные сигналы для каждого отдельного драйвера. В отличие от распределенной архитектуры или обычных централизованных схем с дискретными драйверами, уровень синхронизации больше не управляется коммуникационной шиной или сетью, вместо этого драйверы синхронизируются с процессорными часами, таким образом, достигается беспрецедентная точность.
Протокол EtherCAT позволяет синхронизировать устройств в сети с точностью до 0,1 мкс. В большинстве приложений промышленной автоматизации задержка 0,1 мкс между несколькими устройствами практически незаметна, но для отдельных приложений, таких как позионирование полупроводниковых пластин на уровне нанометров, наличие многоосеового узла позволяет вам синхронизировать оси с одним процессором с джиттером на уровне минее 1 нс.»
В настоящее время количество осей, которые могут быть подключены к такому типу драйверов, относительно невелико, тем не менее, они могут быть пригодны для использования во многих приложениях работающих в декартовой системе координат, таких как обработка полупроводниковых пластин, для которых время – деньги. Выход при производстве микрочипов напрямую связан с тщательным картированием и предотвращение дефектов на кремниевой подложке, и требует точного и быстрого контроля. Системы, работающие с 300 мм пластинами могут потребовать остановки после ошибки (джиттера) размером от 1 до 10 нм и динамической погрешности +/-10…20 нм при скорости менее 1 мм/с.
Требования к 450 мм пластинам следующего поколения даже еще более жесткие: джиттер на уровне менее 1 нм и менее +/-10 нм динамической погрешности при скорости более 1 мм/с. Конечно, системы становятся сложнее и одновременно с тем они становятся больше – они больше работают, имеют большую инерцию. И именно здесь многоканальные драйверы показывают себя лучше всего.
В качестве примера рассмотрим систему XXY или портальную систему, часто используемую при инспекции кремниевых пластин. В таких системах в центре портала находится ось Y. Портальные системы лучше всего моделируется как система с порталом, который приводится в движение с двух сторон подключенных стоек, требуется алгоритм с множеством входов и выходов (multiple-input, multiple output – MIMO). Для достижения точности на уровне нанометров система должна иметь замкнутые контуры управления для всех трех осей должна быть максимально синхронная. Поскольку многоканальный драйвер синхронизируется с тактовым циклом управляющего микропроцессора, он может проводить такую синхронизацию по мере необходимости. Другие применения этой технологии включают высокоскоростные печатные линии или высокоточные приложения, как коллимация пучка ускорителях частиц.
В зависимости от сложности машины решение, построенное на большом многоканальном драйвере, может стать проблемой. Многоканальные устройства коммерчески доступны для оперирования осями в количестве от 2 до 8. Проблема возникает, когда количество осей не подходит для вашего применения. Например, если вам необходимо управлять семью осями, а вы используете два четырёхосных драйвера и просто оставляете один драйвер без подключения ввода/вывода или используете четырехосный драйвер или три индивидуальных драйверов?
Потому неудивительно, что когда дело доходит до применения. Какие же требование к синхронизации? Какие ограничения по стоимости и геометрии? Даже в случае идентичной машинной платформы используемой в разных приложениях, может потребоваться две разных реализации. С точки зрения производительности, по крайней мере, это несложный выбор. Помимо стоимости обладания неиспользуемого порта ввода/вывода, не видно большого недостатка при использовании многоканального привода по сравнению с другими решениями для драйвера.
Пока этот тип многоосевых технологий драйверов по-прежнему является нишевым решением и требует очень мощных контроллеров. Тем не менее, по мере того как технологии становятся все более требовательными, ситуация может измениться.
Что все эти тенденции значат для интеллектуальных драйверов, «глупых» драйверов и распределенного управления? Конечно, это все еще надежная и популярная технология, но в тоже время. Тем не менее, также как и ограничения пропускной способности в сочетании с требованиями к повышению производительности, вызывают уменьшение управляемости драйверов, поэтому рост скорости связи может подтолкнуть разработку проектов к более централизованным решениям. Рост популярности глупых драйверов происходит быстрее, чем технологии распределенного управления, при которой каждый драйвер является частью интеллекта всей системы.
«Умные» драйверы, «глупые» драйверы, многоканальные драйверы, дискретные драйверы – современный рынок дает конструкторам широкий выбор возможностей для разработки оптимальной системы предназначенных для их конкретного применения. Для правильного использования технологии важно понимать свои требования и ограничения.