Die Geschichte der modernen Bewegungssteuerung

Die Bestimmung des Startdatums der Bewegungssteuerung hängt stark von Ihrer Definition von Bewegungssteuerung ab. Man könnte argumentieren, dass es mit der Erfindung der mechanischen Nocke begann. Andere könnten sagen, dass es erst mit der Einführung der PID-Regelung begann.

Es gibt keinen endgültigen Anfang, aber wir fangen einfach mit Elektromotoren an, vor knapp 150 Jahren. Sie können eine ausführlichere Geschichte der Bewegungssteuerung lesen Hier. In diesem Artikel werden wir die Entwicklung von Technologien untersuchen, die eine moderne Bewegungssteuerung möglich gemacht haben.

Alle richtigen Werkzeuge

Zenobe Gramme MaschineWährend der Elektromotor seit 1837 erfunden wurde, war er kommerziell nicht rentabel, bis Zenobe Gramme 1873 sein Design des Gleichstrommotors vorstellte. Jahre später brachte Tesla, der Verfechter des Wechselstroms selbst, seinen eigenen Wechselstrom-Induktionsmotor heraus. Seitdem finden in immer mehr Geräten Elektromotoren Verwendung.

Als das Jahr 1914 herumrollte, war die Verwendung von austauschbaren Teilen viel üblicher geworden, und Henry Ford hatte gerade das erste mechanisierte Fließband installiert. Effiziente Fertigung war auf dem Vormarsch. Und das war auch gut so, denn die Welt tauchte gerade in den Ersten Weltkrieg ein.

Mit dem Fließband, Elektromotoren und kriegsgetriebenen Innovationen rückte das Zeitalter der Automatisierung schnell näher, aber es fehlte eine Schlüsselkomponente für die Bewegungssteuerung …

Feedback: Das fehlende Stück

Harold Black - Gleichungen mit negativer Rückkopplung

In gewissem Sinne war das Kontroll-Feedback selbst bereits um 1900 implementiert worden. Thermostate und Fliehkraftregler wurden in den Jahrhunderten zuvor für Öfen bzw. Dampfmaschinen verwendet. Aber die Idee, eine negative Rückkopplungsschleife zu verwenden, um die Kontrolle zu verschärfen, war nicht wirklich ausgearbeitet, selbst als der Erste Weltkrieg endete und wir in das Jazz-Zeitalter eintraten.

Dann, eines Tages auf seiner Fahrt mit der Fähre im Jahr 1927, machte sich Harold Black einige Notizen über die Verwendung eines Teils des Ausgangs eines Leistungsverstärkers, um einen Teil des Eingangs zu negieren und die Signalverzerrung zu reduzieren, insbesondere für Langstreckenkommunikation. Seine Erfindung des Gegenkopplungsverstärkers legte den Grundstein für die Weiterentwicklung von Verstärkern. Bald wurden überall negative Rückkopplungsschleifen sowohl in pneumatische als auch in Kommunikationsgeräte eingeführt.

Im selben Jahr, in dem Harold Black seinen Artikel über den Verstärker mit negativer Rückkopplung veröffentlichte, erkannte Harold Hazen in ähnlicher Weise, dass negative Rückkopplung verwendet werden könnte, um die Antwortkurve eines Servomechanismus anzupassen. In Zukunft würden die Arbeiten der beiden Harolds für die Entwicklung von Techniken zur Motorsteuerung von entscheidender Bedeutung sein. Die elektrische Bewegungssteuerung war geboren.

Selbst mit einer negativen Rückkopplungsschleife wurden die Steuersysteme jedoch noch nicht verfeinert. Die Verwendung einer rein proportionalen Steuerung war sehr anfällig für ein anfängliches Überschießen der Zielausgabe und erforderte Zeit, um sich einzupendeln und Stabilität zu finden. Es reagierte auch nicht gut auf plötzliche Störungen. Bis die Servoverstärkertechnik so aussehen würde wie heute, war noch viel zu tun.

PID: Ein Game-Changer

Die Implementierung der PID-Regelung hat alles verändert. PID steht für Proportional, Integral und Derivative und bezieht sich auf die verschiedenen Verstärkungen, die in einem Verstärker angewendet werden, um Fehler in einem System mit geschlossenem Regelkreis zu korrigieren. Ein mit PID verstärktes Signal erzeugt eine viel gleichmäßigere Reaktion als ein Signal, das nur mit Proportionalsteuerung verstärkt wird. Die integrale Steuerkomponente eliminierte den Fehler im stationären Zustand und die Differentialkomponente verringerte das Ansprechüberschwingen. Die Idee der PID existierte als mathematische Theorie, seit JC Maxwell 1886 darüber schrieb. Es sollte jedoch etwa ein halbes Jahrhundert dauern, bis sie zumindest absichtlich in die Technologie integriert wurde.

Als der Zweite Weltkrieg zu Ende ging, wurden Steuerungen mit elektrischen Systemen immer üblicher. Diese würden sich in den nächsten Jahrzehnten stark verbessern. Mit dem Kalten Krieg trieben die Länder technologische Innovationen voran, da niemand benachteiligt werden wollte, wenn ein offener Krieg ausbrach. Schließlich würden PID-Steuerungstechnologie und Servoverstärker die Mission der Vereinigten Staaten unterstützen, einen Mann auf den Mond zu bringen.

Das analoge Zeitalter

Analoger Servoverstärker Geschichte Motion ControlDie technologischen Entwicklungen der 60er und 70er Jahre brachten Festkörperelektronik hervor, einschließlich Halbleitertransistoren, die Hochfrequenzschaltungen ermöglichten. Etwa zur gleichen Zeit wurde die Pulsweitenmodulation (PWM) entwickelt, um elektrische Signale wesentlich effizienter zu senden. Diese Fortschritte machten es möglich, mehrere Motorphasen kontrolliert zu aktivieren und zu deaktivieren. Wir waren in die Ära der bürstenlosen DC-Motorsteuerung eingetreten.

Analoge Servoverstärker wurden immer kompakter und fortschrittlicher zugleich. Funktionen wie Statusanzeigen, mehrere Betriebsmodi und Unterstützung für mehrere Feedback-Geräte wurden erstmals in Panelmontage und Servoverstärker für Leiterplattenmontage Pakete.

Es ist erwähnenswert, dass die Bewegungssteuerungsbranche (unserer Meinung nach) für immer verändert werden sollte, als Sandor Barta und Daniel Schoenwald 1987 ADVANCED Motion Controls gründeten und analoge Servoverstärker auf einem Küchentisch in Van Nuys bauten.

Der Aufstieg des Digitalen

digitaler Servoantrieb Geschichte BewegungssteuerungDie digitale Elektronik begann sich in den 1970er Jahren durchzusetzen. Integrierte Schaltkreise, Mikroprozessoren, nichtflüchtige Speicher und Internetzwerke begannen, die Landschaft der elektronischen Technologie, wie wir sie heute kennen, zu formen. Immer mehr Branchen begannen mit der Umstellung von analog auf digital.

Digital hat in den 1990er Jahren Einzug in die Bewegungssteuerungsbranche gehalten. Mit der Erfindung digitaler Servoverstärker oder digitaler Servoantriebe, wie sie heute allgemeiner genannt werden, wurden die Möglichkeiten in der Bewegungssteuerung stark erweitert. Digitale Servoantriebe könnten jetzt die Positionsrückmeldung verwenden, um den Rotor eines Motors in bestimmte Positionen zu bewegen, anstatt nur Drehmomente und Geschwindigkeiten. Digitale Servoantriebe könnten auch über ein Netzwerk betrieben werden und untereinander und mit anderen Geräten über E/A-Signale (Eingangs-/Ausgangssignale) kommunizieren.

In den letzten Jahren ist die Grenze zwischen Motorcontroller und Verstärker sehr verwischt worden. Servoantriebe haben jetzt ihre eigene Verarbeitungsleistung, wodurch sie mehr von der Arbeit erledigen können, die normalerweise von einer externen Steuerung benötigt wird. Ihr eingebauter Speicher ermöglicht es ihnen, Bewegungsprofile zu speichern, was wiederum die Arbeitsbelastung des Controllers reduziert und manchmal ganz überflüssig macht.

Ein erheblicher Teil des Bewegungssteuerungsgeschäfts bleibt analog, aber die Branche wird mit jedem Jahr digitaler. Sie können mehr darüber lesen Unterschiede zwischen digitalen und analogen Servoantrieben Hier.

Was kommt als nächstes?

Während die Basistechnologie der Bewegungssteuerung inzwischen sehr gut etabliert ist, wächst und entwickelt sich die Branche weiter. Wenn Sie neugierig sind, wohin sich die Bewegungssteuerungsbranche bewegt, dann lesen Sie Servoantriebstrends für 2020 Hier.

 

von Jackson McKay, Marketingingenieur

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