מקסים אפנסנקו ובעז קרמר, ACS Motion Control
מערכות תעשייתיות רבות, כגון מערכות בחינה של מוליכים למחצה, מערכות בחינה של צגים שטוחים, דורשות ביצועי תנועה ודיוק גבוהים מאוד. עמידה עם JITTER קטן מננומטר ושגיאת עקיבה תוך תנועה במהירות קבועה של מספר ננומטרים. עד כה, לענות על דרישות אלה השתמשו במגברי סרוו לינאריים. מגברים אלו שקטים חשמלית, אך עם נצילות הספק נמוכה, יקרים וגדולי מימדים וסובלים מבעיות אמינות. מערכות בחינה חדשות של מוליכים למחצה (450 מ”מ) הינן גדולות יותר ודורשות הספקים גבוהים יותר. המגברים הלינארים הנדרשים הינם בעלי ממדים גדולים במיוחד, ומוגבלים בזרם ובמתח. הדבר מגביל את ביצועי ותפוקת המערכות המונעות, מייקר את מחירן ומוריד את אמינותן.
™ NanoPWM היא סדרה של מגברים ממותגים מסוג אפנון רוחב פולס (PWM) המבוססת על טכנולוגיה ייחודית שחברת ACS MOTION CONTROL פיתחה – טכנולוגיית PWMBoost. מגברי
™ NanoPWM מאפשרים ביצועי תנועה ודיוק טובים מאלה של מגברים לינאריים ללא כל החסרונות של האחרונים. המגבר קומפקטי יותר, בעל נצילות גבוהה מאד, אמין, מאפשר לדחוף מנועים עם הספק גבוה יותר וזאת בעלות נמוכה יותר.
סוגי מגברים ויתרונותיהם
ישנם שני סוגים עיקריים של מגברים: מגברים לינאריים ומגברים ממותגים (PWM) בתמונה 1 ניתן לראות תיאור סכמטי של מגבר לינארי. המגבר משמש כנגד משתנה המתאים את ערכו בהתאם לדרישות הזרם ולהתנגדות של העומס. מתח האספקה מחולק בין העומס למגבר. המגבר בעייתי במצבים בהם צריכת הזרם גבוהה יחסית, אך מפל המתח על העומס נמוך. בתנאים אלה מפל המתח על המגבר גבוה ופיזור ההספק עליו מרבי. התופעה בולטת במערכות בעלות חיכוך גבוה- כאשר המנוע בעמידה או נע במהירות נמוכה.
בתמונה 2 ניתן לראות תיאור סכמטי של מגבר ממותג (PWM). המגבר משמש כמתג והמתח על העומס ישתנה בהתאם למחזור העבודה (duty cycle) של המתג. פיזור ההספק על המגבר נמוך יחסית ונצילותו גבוה.
טבלה 1 מסכמת את היתרונות והחסרונות העיקריים של כל אחד מהם.
הגדרת הבעיה והפתרון
מערכות בחינה של מוליכים למחיצה דורשות דיוק מיקום וחלקות תנועה ברמה הגבוהה ביותר. כיום קוטר פרוסות המוליך למחצה הוא 300 מ”מ. הדור החדש של מוליכים למחצה בנוי על פרוסות בקוטר של 450 מ”מ. דרישות הדיוק וחלקות תנועה חמורות יותר.
לטיפול במערכות כאלו נדרש מגבר המשלב את כל היתרון של מגבר לינארי עם היתרונות של מגבר ממותג. כזה הוא מגבר ה-™ NanoPWM. פעולתו שקטה כמגבר לינארי. נצילותו ואמינותו גבוהים. הוא קומפקטי ועלותו נמוכה.
מאפייני המגבר מסוכמים בגרף 2 ובתמונה 3 (השוואת מימדים).
מערכת הניסוי כוללת: מנוע ליניארי בעל מיסבים מכניים מסוג cross-roller, המצויד באנקודר sin-cos בעל רזולוציה בסיסית של 0.4 מיקרון. שלושה מגברים שונים:
מגבר לינארי
מגבר ממותג מסוג PWM “רגיל”
מגבר ממותג מסוג ™ NanoPWM
המגברים כוונו לרמת ביצועים הטובה ביותר ורוחב סרט זהה.
נעשה שימוש במגברים עם מאפיינים דומים כמצויין בטבלה 2.
ניתן לראות שלמגבר הלינארי ולאלה הממותגים נתוני זרם שיא ומתח דומים, אך הזרם הרציף של מגברי ה-™ NanoPWM וה-PWM גבוה פי 2.
מגבר ™ NanoPWM מאפשר להעלות את תפוקת המערכת ע”י עבודה במחזור עבודה גבוה יותר.
הפרמטרים שנבדקו הם שגיאת המיקום בעמידה (jitter) ושגיאת העקיבה במהירות קבועה.
השוואת שגיאת מיקום בעמידה – מגבר לינארי,
מגבר NanoPWM
גרף 2 מראה את ביצועי שגיאת המיקום של שני המגברים. ניתן לראות כי עם מגבר ™ NanoPWM השגיאה המירבית
(peak to peak) היא 1.32 [ננו מטר], שליש מהשגיאה עם המגבר הלינארי.
השוואת שגיאת עקיבה תוך תנועה במהירות נמוכה – מגבר לינארי, מגבר
™ NanoPWM.
גרף 3 מראה את שגיאת העקיבה תוך כדי תנועה במהירות נמוכה של 1 [מ”מ/שניה]. ניתן לראות כי עם מגבר ™ NanoPWMהשגיאה קטנה יותר והתנועה חלקה יותר.
השוואת שגיאת מיקום בעמידה – מגבר PWM “רגיל”, מגבר ™NanoPWM
גרף 4 משווה בין ביצועי מגבר PWM “רגיל” בעלי מאפיינים חשמליים זהים לאלו של מגבר ה-™ NanoPWM. ניתן לראות כי עם מגבר ™ NanoPWM השגיאה קטנה פי 25 לעומת השגיאה בעמידה המתקבלת עם מגבר PWM רגיל.
הדבר מלמד שעם מגבר ™ NanoPWM ניתן לשפר ביצועים בצורה משמעותית גם במערכות בהם משתמשים במגברי PWM “רגיל”, כגון מערכות לבחינת צגים שטוחים. אלו מערכות גדולות מאוד, בעלות צריכת הספק גבוהה מעבר ליכולתם של מגברים לינאריים בעלות סבירה.
סיכום
מאמר זה מציג דור חדש של מגברים ממותגים – ™ NanoPWM המשלב את היתרונות של מגברים ליניאריים ומגברי PWM. המגבר הינו בעל ביצועים שווי ערך או טובים של מגבר ליניארי אך בעל יתרונות של גודל קומפקטי, אמינות גבוהה ומחיר נמוך.
מגבר ™ NanoPWM מחליף מגברים ליניאריים תוך שימור ואף שיפור רמת הביצועים. כמו כן הוא מאפשר לשפר ביצועים במערכות בהן נעשה שימוש במגברים ממותגים מסוג PWM רגילים.
מגבר ™ NanoPWM מוזיל עלויות ומשפר ביצועי סרוו במערכות דורשניות כגון מערכות בחינה של מוליכים למחצה מערכות בחינה של צגים שטוחים ועוד.
אבירי טכנולוגיות הינה נציגת ACS Motion Control בישראל.
