Серия EPOS4 — новое семейство контроллеров положения maxon motor

Опубликовано в номере:
PDF версия
Компания maxon motor выпускает целый ряд контроллеров для управления двигателями. Эти устройства можно разделить на две группы: контроллеры скорости и контроллеры положения, различающиеся по степени сложности и выполняемым функциям. До последнего времени контроллеры положения были представлены в каталоге maxon motor двумя сериями: EPOS2 и MAXPOS. Однако три года назад появилась еще одна серия — EPOS4. Ее особенности и рассмотрены в данной статье.

Серия контроллеров EPOS2, впервые появившаяся в каталоге maxon motor 2008–2009 гг., представлена семью моделями различной мощности, которые позволяют работать практически со всеми двигателями, в настоящее время перечисленными в каталоге maxon. Из промышленных шин контроллерами EPOS2 поддерживается только шина CANopen, что позволяет реализовывать сложные многоосевые системы.

Серия контроллеров положения MAXPOS входит в состав каталога с 2014 г. и содержит контроллеры положения повышенного быстродействия с поддержкой высокопроизводительной промышленной шины EtherCAT, однако выпускается пока в очень ограниченном количестве моделей.

Новая серия контроллеров положения EPOS4, чей выпуск начался три года назад, занимает промежуточное место по производительности между EPOS2 и MAXPOS и не уступает им по функциональности. В этой серии выпускаются контроллеры в четырех типоразмерах нескольких разных исполнений. Кроме этого, контроллерами данной линейки поддерживаются различные промышленные шины: и CANopen, и EtherCAT.

При разработке серии контроллеров EPOS4 одним из приоритетных требований, наряду с улучшением характеристик и унификацией возможностей по всем устройствам серии, было обеспечение гибкости решения. С этой целью в рамках серии все типоразмеры изготавливаются в нескольких конструктивных исполнениях. Исполнения различаются конструкцией, способом подключения электрических цепей, а также поддержкой ряда функций и возможностей.

У контроллеров EPOS4 исполнение Module имеет вид открытой печатной платы с двумя линейками штыревых разъемов (рис. 1). Контроллер такого исполнения может помещаться на специально разведенную базовую плату с установленными ответными разъемами, а базовая плата должна разводиться силами самого клиента. С одной стороны, это требует дополнительных затрат времени и ресурсов, с другой — есть возможность учесть размеры и геометрию пространства, доступного для размещения контроллера, а также установить разъемы определенного количества и вида, необходимые для конкретного проекта. В результате можно получить контроллер положения с испытанной и отлаженной функциональностью серийного продукта, который оптимально вписывается в конструкцию конечного изделия.

EPOS4 Module

Рис. 1. EPOS4 Module

Исполнение Compact (рис. 2) является более удобной в практическом повседневном использовании версией Module. К контроллеру EPOS4 в исполнении Module добавляется плата разъемов, на которой установлены разъемы, подходящие для подключения при помощи кабелей. В большинстве случаев контроллер EPOS4 Module сохраняет габаритные размеры по ширине и длине, увеличиваясь лишь по высоте. Плата разъемов доступна и в качестве самостоятельного изделия, которое можно закупить отдельно и установить на контроллер исполнения Module своими силами. Такая конструкция позволяет клиенту удобно подключаться к контроллеру при помощи проводов и кабелей, что предусматривает быстрое начало работы, без проектирования своих печатных плат. Это важно при освоении данного семейства контроллеров, при прототипировании, макетировании и отладке. С другой стороны, размеры такого решения больше, чем в исполнении Module, особенно с учетом места для размещения подключаемых кабелей и ответных частей разъемов.

EPOS4 Compact

Рис. 2. EPOS4 Compact

Помимо двух названных вариантов исполнения, контроллеры EPOS4 выпускаются и в металлическом корпусе (рис. 3), аналогичном применявшимся в старших моделях предыдущего поколения контроллеров — EPOS2. Кроме наружного корпуса, в контроллерах данного исполнения предусмотрена установка плат расширения, увеличивающих возможности контроллера. Так, в контроллер может быть добавлена поддержка промышленной сети EtherCAT или таких интерфейсов абсолютных энкодеров, как BiSS или EnDat. Контроллер в этом исполнении так же, как и в исполнении Compact, оснащается удобными разъемами для подключения кабелей.

EPOS4 в металлическом корпусе

Рис. 3. EPOS4 в металлическом корпусе

Основные различия исполнений EPOS4 приведены в таблице 1.

Таблица 1. Различия исполнения контроллеров EPOS4

Параметр

Module

Compact

В корпусе

Шина CANopen

Есть

Есть

Есть

Шина EtherCAT

Есть
(нужна плата расширения
и разводка слота)

Есть

Есть
(нужна плата расширения)

Интерфейс энкодера BiSS-C

Есть
(нужна плата расширения
и разводка слота)

Нет

Есть
(нужна плата расширения)

Интерфейс энкодера EnDat 2.2

Нет

Встроенные дроссели
в цепи двигателя

Нет

Есть

Есть

Кроме конструктивного исполнения, модели контроллеров различаются по значениям номинального тока и напряжения, а контроллеры исполнения Compact — еще и типом поддерживаемой локальной сети.

Достаточно большое количество выпускаемых вариантов контроллеров EPOS4 вместе с возможностью переходить от одной версии контроллера к другой простой заменой платы разъемов или платы расширения, поддерживаемой во всей серии, дает большую гибкость семейству контроллеров EPOS4 при построении приводных систем.

 

Возможности контроллеров EPOS4

Контроллеры семейства EPOS4 оснащены всеми необходимыми режимами работы. Как и в предшествующем поколении, в EPOS4 имеются режимы профиля положения и профиля скорости, а также режим выхода в начальное положение. К ним добавлена группа циклических синхронных режимов: положения, скорости и момента.

Различие между обеими группами режимов работы — в способе организации взаимодействия между ведущим устройством и ведомыми контроллерами EPOS4.

Режимы профиля положения и профиля скорости ориентированы на применение в одноосевых приводных системах. В такой приводной системе с ведущего устройства на ведомые задание передается по последовательному интерфейсу или промышленной шине только в виде координаты конечной точки перемещения, максимальной скорости и ускорения. Задающее воздействие на контуры управления контроллера формируется внутри ведущего устройства при помощи генератора траектории. Генератор траектории позволяет получать промежуточные точки на каждом такте работы контроллера, для узкого набора предварительно запрограммированных типовых траекторий.

Режим интерполяции положения, присутствовавший в контроллерах предыдущего поколения EPOS2, может решать более сложные задачи в многоосевых приводных системах. Для каждой оси траектория, которую должен отработать привод, предварительно обрабатывается, выделяется набор опорных точек, и для каждой опорной точки формируются тройки значений — положение, скорость, время. Именно массив троек значений и передается с ведущего устройства на ведомые контроллеры при настройке режима. На ведомом контроллере при помощи сплайн-интерполяции исходно заданная траектория восстанавливается, и рассчитывается задающее воздействие на контуры управления на каждом такте работы контроллера. Такое построение позволяет с минимальной нагрузкой на сеть гибко формировать различные траектории. Низкая загрузка сети позволяет широко использовать данный режим работы в многоосевых приводных системах с системной шиной с низкой пропускной способностью (например, CANopen).

Новые режимы, появившиеся в EPOS4, — циклические синхронные режимы работы — позволяют реализовать другой подход к построению многоосевых систем. В рамках этого подхода задающее воздействие на каждом такте работы ведомого контроллера для всех ведомых контроллеров, включенных в систему, формируется на ведущем устройстве. На ведомом устройстве не ведется интерполяция и не включен генератор траектории. Задающее воздействие поступает на контроллер непосредственно на вход контуров регулирования и воспроизводится двигателем. Здесь обращает на себя внимание необходимость часто передавать задание на все ведомые контроллеры в системе. Это создает достаточно большую нагрузку на системную шину, даже если количество контроллеров относительно невелико, что является одной из причин, по которой циклические синхронные режимы работы чаще всего присутствуют в контроллерах, оснащенных промышленной сетью высокого быстродействия, например EtherCAT.

Контроллеры семейства EPOS4 могут работать со всеми типами двигателей, выпускаемыми maxon: с коллекторными и бесколлекторными двигателями постоянного тока. Переключение между типами двигателей осуществляется программно — изменением настроек контроллера.

В рамках серии контроллеров EPOS4 имеются модели, рассчитанные на различные номинальные токи и напряжения. В настоящее время изготавливается пять типоразмеров контроллеров EPOS4: от моделей на 24 В и 1,5 А до устройств на 70 В и 15 А. Ассортимент выпускаемых исполнений и типоразмеров представлен в таблице 2. Можно видеть, что количество вариантов достаточно велико, хотя, например, модели в корпусированном исполнении выпускаются не для всех типоразмеров.

Таблица 2. Типоразмеры контроллеров серии EPOS4 и их исполнения

EPOS4

24/1.5

50/5

50/8

50/15

70/15

Module

Есть

Есть

Есть

Есть

 

Compact

Есть

Есть

Есть

Есть

 

В корпусе

 

Есть

 

 

Есть

Ассортимент доступных моделей контроллеров EPOS4 по номинальным токам и номинальным напряжениям полностью соответствует номенклатуре двигателей, представленных в каталоге. Здесь можно видеть отличие от предыдущего поколения контроллеров — EPOS2, в котором номинальные токи контроллеров были ограничены 10 А, что было недостаточно для некоторых самых мощных моделей двигателей с низким номинальным напряжением.

Силовая часть контроллеров EPOS4 выполнена по мостовой схеме с ШИМ-модуляцией. Частота ШИМ равна 50 кГц для всех моделей, кроме EPOS4 24/1.5, у которой она составляет 100 кГц. Такая высокая частота коммутации выбрана, поскольку контроллеры EPOS4 рассчитаны на работу с двигателями с низкоиндуктивными обмотками без стального сердечника, в частности с двигателями maxon. Высокая частота ШИМ-модуляции позволяет чаще обновлять значение управляющего воздействия — напряжения, подаваемого на двигатель, благодаря чему появляется возможность для увеличения быстродействия контуров регулирования контроллера и привода в целом. Так, частота выборки контура тока контроллеров EPOS4 увеличилась до 25 кГц по сравнению с 10 кГц у EPOS2. Кроме того, высокая частота ШИМ позволяет лучше сглаживать пульсации тока с частотой ШИМ за счет собственной индуктивности обмотки. Это помогает несколько снизить уровень дополнительных потерь от высших гармоник тока и уровень электромагнитных помех. Тем не менее в контроллерах EPOS4 (во всех исполнениях, кроме Module) в цепи обмоток двигателя устанавливается сглаживающий дроссель, чтобы максимально сгладить ток и минимизировать дополнительные потери в двигателе.

С точки зрения системы управления серия контроллеров EPOS4 реализует систему подчиненного управления с внутренним контуром тока и охватывающим его контуром скорости или контуром положения (применяется или один, или другой в зависимости от режима работы). Все три контура одновременно используются только в режиме работы с двумя датчиками положения. При этом датчик, установленный на валу двигателя, применяется в контуре скорости, а датчик, установленный на валу редуктора или на валу полезной нагрузки, — в контуре положения. Такое включение датчиков необходимо в тех случаях, когда между двигателем и валом полезной нагрузки имеется одна или несколько механических передач, привносящих погрешности в процесс передачи движения. Включение в контур регулирования положения датчика, расположенного после дополнительных механических передач, позволяет контролировать перемещение целевой оси, включая все неточности и погрешности, а значит, дает возможность полностью или частично их скомпенсировать. В то же самое время наличие в контуре скорости датчика, установленного непосредственно на валу двигателя, позволяет качественно регулировать скорость и производить коммутацию обмоток бесколлекторных двигателей.

Работа с датчиками положения и скорости электроприводов является непременной функцией контроллеров положения. Но работа с ними невозможна, если интерфейс датчиков не поддерживается контроллером. Поэтому всегда при работе с контроллерами положения актуален вопрос о поддерживаемых типах датчиков. В контроллерах EPOS4 предусмотрена одновременная работа с двумя разными датчиками и, соответственно, есть два порта подключения датчиков. Порт основного датчика поддерживает только инкрементные энкодеры с прямоугольными выходными импульсами. Порт дополнительного датчика наряду с инкрементными энкодерами поддерживает и другие типы датчиков: абсолютные энкодеры с интерфейсом SSI и энкодеры с аналоговым выходом sin/cos. Также запланирована поддержка абсолютных энкодеров с интерфейсами EnDat 2.2 и BiSS. Все эти датчики поддерживаются в качестве датчиков обратной связи в контурах скорости и положения. Еще одна функция контроллера, для которой требуется информация с датчиков положения, — определение моментов переключения обмоток бесколлекторных двигателей. Особенно это важно в тех случаях, когда предполагается работать в режиме синусоидальной коммутации. Для этого нужен или абсолютный датчик высокой точности, или сочетание — датчики Холла и инкрементный датчик высокой точности. Оба варианта могут обеспечить достаточно информации для работы алгоритмов коммутации обмоток в EPOS4. В качестве примеров допустимых датчиков и сочетаний датчиков можно привести следующие варианты: абсолютный энкодер с интерфейсом SSI, датчики Холла + инкрементный энкодер, датчики Холла + энкодер sin/cos.

 

Возможности входов и выходов контроллера

Контроллер, управляющий электродвигателем, не всегда может ограничиться в своей работе лишь датчиками обратной связи. В ряде случаев возникает необходимость подключать и другие датчики: цифровые или аналоговые датчики, а также получать с контроллера цифровые или аналоговые сигналы для местного управления периферийными устройствами в составе приводной системы. Для того чтобы предоставить пользователю приводов такие возможности, контроллеры EPOS4 оснащены цифровыми входами и выходами. Все контроллеры семейства имеют четыре цифровых входа и два цифровых выхода с открытым коллектором, которые выдерживают ток до 500 мА и могут использоваться для непосредственного управления тормозной муфтой. Два аналоговых входа способны обрабатывать как несимметричные, так и дифференциальные сигналы с разрешением 12 бит. Аналоговые выходы — их также два — могут формировать только несимметричные сигналы с тем же разрешением. Кроме этого, контроллеры оснащены входами защитных блокировок STO. При срабатывании датчиков, подключенных к этим входам, происходит аварийная остановка электродвигателя. Типовой сценарий использования данных входов — датчики, срабатывающие при открывании защитного ограждения рабочей зоны станка.

Для работы с входами и выходами в контроллерах EPOS4 имеется возможность использовать ряд предварительно сконфигурированных функций. Эти функции определяют, как будет использована информация, поступающая на входы, или то, как формируется информация, поступающая на выходы. Цифровые входы можно сконфигурировать на выполнение следующих функций: концевой выключатель положительного или отрицательного направления, выключатель начального положения, быстрый останов или вход разрешения. В этом случае сигналы, поступающие на такие входы, будут обработаны и использованы локально на контроллере для выполнения соответствующих функций. В случае если для входа выбрана функция — вход общего назначения, то величина поданного сигнала может быть прочитана по сети и передана на ведущее устройство, локального использования для выполнения иных функций в данном случае не будет. Аналогичным образом обстоит дело и с цифровыми выходами: для них доступна функция управления удерживающим тормозом, функция сигнализации «Готов/Ошибка» или функция выхода общего назначения.

Для связи с внешним миром контроллеры серии EPOS4 оснащены рядом последовательных интерфейсов. В первую очередь это промышленные шины EtherCAT и CANopen, выполняющие роль основного рабочего интерфейса. В контроллере может присутствовать только одна из этих двух шин. Корпусированные контроллеры, а также контроллеры исполнений Module имеют поддержку интерфейса CANopen, а для получения поддержки шины EtherCAT к контроллерам нужно добавить плату расширения для этого интерфейса, также имеющуюся в каталоге maxon (рис. 4). И если у корпусированных контроллеров плата расширения устанавливается в специальный слот внутри корпуса контроллера, то для исполнения Module слот нужно поместить на материнскую плату, сделав соответствующую разводку. В случае исполнений Compact дело обстоит несколько проще: контроллеры с поддержкой CANopen и EtherCAT одного типоразмера различаются лишь коммутационной платой и имеют разные коды заказа.

Контроллер EPOS4, снабженный платой расширения для интерфейса EtherCAT

Рис. 4. Контроллер EPOS4, снабженный платой расширения для интерфейса EtherCAT

Помимо промышленной шины, контроллеры EPOS4 оснащены и интерфейсами для прошивки и наладки: USB и RS-232. Каждый контроллер имеет на борту оба этих интерфейса.

Работать с контроллерами EPOS4 можно при помощи ПО EPOS Studio, которое позволяет провести настройку, обслуживание и проверить все режимы функционирования контроллера (рис. 5).

Настройка контроллера в EPOS Studio

Рис. 5. Настройка контроллера в EPOS Studio

 

Разъемы и кабели

Перед началом работы с контроллерами необходимо позаботиться о том, как будет подключаться контроллер к электрическим цепям окружающей его системы (разрабатываемой системы). И если в случае контроллеров исполнения Module ответ прост и решение очевидно — две двухрядные розетки с установкой на печатную плату с подходящим шагом (1,27 мм) и количеством контактов, то в случае контроллеров исполнения Compact и в корпусе дело обстоит несколько сложнее, поскольку в них установлен широкий ассортимент разъемов. В них применяется четыре серии разъемов компании Molex: Mega-Fit, Mini-Fit Jr., Micro-Fit 3.0 и CLICK-Mate. Для того чтобы подключиться, необходимо использовать готовые кабельные сборки maxon или, используя ответные части разъемов, изготавливать собственные кабели. Применение готовых кабельных сборок очевидно проще и быстрее, но они не всегда соответствуют требованиям конкретного применения (гибкость кабелей, длина, допустимые внешние воздействия на сами кабели и разъемы). Изготовление кабельных сборок своими силами очевидно лишено этих недостатков, однако не следует забывать, что все перечисленные серии разъемов предполагают использование специального обжимного инструмента для установки контактов разъема на провода. Чаще всего обжимной инструмент различается для каждой серии разъемов и имеет достаточно внушительную цену. Подобные обстоятельства могут сделать затраты на изготовление кабельных сборок своими силами неоправданно большими при малом количестве изготавливаемых кабельных сборок. Тем не менее у разработчика системы всегда есть выбор по крайней мере из этих двух вариантов.

В заключение хочется остановиться на достаточно важном вопросе — о совместимости новых контроллеров EPOS4 и контроллеров предыдущего поколения EPOS2.

С одной стороны, контроллеры EPOS4 были серьезно оптимизированы, что вызвало весьма значительные различия между этими контроллерами в габаритных и присоединительных размерах. С другой стороны, контроллеры остаются совместимыми на уровне выполняемых функций и в значительной степени — на уровне режимов работы (о чем речь шла ранее). Остались такими же разъемы, используемые для подключения двигателей и датчика обратной связи на валу двигателя, хотя типы разъемов для подсоединения дополнительных входов/выходов и порта второго датчика были изменены. Чуть изменилось распределение электрических цепей и функций по разъемам: например, на отдельный разъем было выведено подключение второго датчика положения.

С точки зрения настроек контроллера ситуация аналогичная: настройки частью сохранились на прежних местах (например, касающиеся функций и режимов работы, оставшихся без изменений, а также объектов, стандартизованных поддерживаемыми стандартами, в том числе профилями устройств CANopen), а частью изменились (изменившиеся или вновь появившиеся режимы работы). Такие настройки контроллера, как значения параметров регуляторов в контурах положения, скорости и тока, должны были измениться, поскольку изменились частоты выборки в этих контурах и их динамика.

Из сказанного можно сделать вывод, что контроллеры EPOS4 хотя и не являются абсолютно совместимой заменой для более старых контроллеров EPOS2, однако достаточно близки к ним, чтобы рассматриваться в качестве первого варианта для замены при обновлении системы, построенной на контроллерах EPOS2.

Вопрос об обновлении систем, построенных на EPOS2, становится все более актуальным. Контроллеры EPOS2 были выведены из каталога уже в 2019 г. и получили статус NRND («Не для новых разработок»). В дальнейшем, по мере перехода потребителей на новые модели контроллеров, доступность старых устройств снизится, а затем производство будет прекращено. Обычно этот процесс занимает не меньше нескольких лет, что не значит, будто этого не произойдет никогда. Кроме того, есть вопрос цены, поскольку цены на контроллеры также говорят сами за себя: разница в стоимости между контроллерами EPOS2 и EPOS4 одинаковых номиналов составляет до 50% в зависимости от исполнения контроллера, и нет оснований полагать, что в дальнейшем она станет меньше.

 

Заключение

Контроллеры EPOS4 — новое семейство продуктов компании maxon motor, и в этом году в нем появились все изначально запланированные изделия. Основательно переработанная и значительно улучшенная начинка контроллеров позволяет им выступать в качестве надежного и технически привлекательного средства решения привод­ных задач. Официальный дистрибьютор группы компаний maxon в России, Беларуси и Казахстане — компания «Иннодрайв».

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *