Überblick

Überblick über die Bewegungssteuerung

Was ist ein Servo?

Servosteuerung, auch als „Motion Control“ oder „Robotik“ bezeichnet, wird in industriellen Prozessen eingesetzt, um eine bestimmte Last kontrolliert zu bewegen. Diese Systeme können entweder pneumatische, hydraulische oder elektromechanische Betätigungstechnologie verwenden. Die Wahl des Aktuatortyps (dh des Geräts, das die Energie zum Bewegen der Last bereitstellt) basiert auf Leistungs-, Geschwindigkeits-, Präzisions- und Kostenanforderungen. Elektromechanische Systeme werden typischerweise in Hochpräzisions-, Niedrig- bis Mittelleistungs- und Hochgeschwindigkeitsanwendungen eingesetzt. Diese Systeme sind flexibel, effizient und kostengünstig. Motoren sind die Aktuatoren, die in elektromechanischen Systemen verwendet werden. Durch die Wechselwirkung elektromagnetischer Felder erzeugen sie Strom. Diese Motoren liefern entweder eine Dreh- oder eine Linearbewegung. Hier ist eine grafische Darstellung eines typischen Servosystems:

Diese Art von System ist ein Rückkopplungssystem, das zur Steuerung von Position, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung verwendet wird. Der Controller enthält die Algorithmen zum Schließen der gewünschten Schleife (normalerweise Position oder Geschwindigkeit) und handhabt auch die Maschinenschnittstelle mit Ein-/Ausgängen, Klemmen usw. Der Antrieb oder Verstärker schließt die innere(n) Schleife(n) (normalerweise Geschwindigkeit oder Strom) und repräsentiert die elektrischer Leistungswandler, der den Motor gemäß den Referenzsignalen der Steuerung antreibt. Der Motor kann vom bürstenbehafteten oder bürstenlosen Typ, rotierend oder linear sein. Der Motor ist der eigentliche elektromagnetische Aktuator, der die zum Bewegen der Last erforderlichen Kräfte erzeugt. Feedback-Elemente wie Tachometer, Lvdts, Encoder und Resolver werden am Motor und/oder an der Last montiert, um die verschiedenen Regelkreise zu schließen.

ADVANCED Motion Controls entwickelt und fertigt Servoantriebe und -verstärker für den Einsatz in Servosystemen. Servoantriebe und -verstärker werden in großem Umfang in Bewegungssteuerungssystemen verwendet, wo eine präzise Steuerung von Position und/oder Geschwindigkeit erforderlich ist. Der Antrieb/Verstärker übersetzt einfach die niederenergetischen Referenzsignale von der Steuerung in hochenergetische Signale, um Motorspannung und -strom bereitzustellen. In manchen Fällen ersetzt der Einsatz eines digitalen Antriebs die Regler/Antriebs- oder Regler/Verstärker-Steuerung. Die Befehlssignale stellen entweder ein Motordrehmoment, eine Geschwindigkeit oder eine Position dar und können entweder analoger oder digitaler Natur sein. Der analoge +/-10-VDC-Befehl ist immer noch das häufigste Referenzsignal, weicht jedoch schnell digitalen Netzwerkbefehlen.

Regler

Der Controller ist das „Gehirn“ eines Servosystems. Es ist verantwortlich für die Generierung der Bewegungspfade und für die Reaktion auf Veränderungen in der äußeren Umgebung. Steuerungen können etwas so Einfaches wie ein EIN/AUS-Schalter oder ein von einem Bediener gesteuertes Zifferblatt sein. Sie können auch so komplex sein wie ein Computer mit der Fähigkeit, mehrere Servoachsen aktiv zu steuern sowie E/A zu überwachen und die gesamte Programmierung für die Maschine zu verwalten.

Normalerweise sendet die Steuerung ein Signal an den Antrieb; der Antrieb versorgt den Motor mit Strom; und die Rückmeldung vom Motor wird an die Steuerung und den Antrieb zurückgesendet. Feedback von der Last wird ebenfalls an die Steuerung weitergeleitet. Der Controller analysiert die Rückkopplung und korrigiert Fehler, indem er das Signal an den Verstärker aktualisiert. Der Controller wird als intelligenter Teil des Servos betrachtet, der die Geschwindigkeits- und/oder Positionsschleifen schließt, während der Verstärker die Stromschleife schließt. Viele Verstärker schließen jedoch die Geschwindigkeits- und/oder Positionsschleifen, wodurch die Rechenanforderungen von der Steuerung reduziert werden.

Physische Formen von Controllern

Controller gibt es in einer Vielzahl von Formen, die Benutzer basierend auf Kosten, Leistung, Komfort und Benutzerfreundlichkeit auswählen. Die meisten Steuerungen fallen in die Kategorie der Mikrocontroller, SPS und Bewegungssteuerungen. Jede wird unten beschrieben.

Mikrocontroller

Dies ist ein kleiner und kostengünstiger Computertyp, der ein Programm ausführt, das in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert ist. Das Konfigurieren eines Mikrocontrollers für ein System erfordert im Allgemeinen einen erfahrenen Programmierer, und das Schließen von Schleifen wie Position und Geschwindigkeit kann ziemlich schwierig sein. Wenn man ein Servosystem mit einem Mikrocontroller entwirft, muss der Verstärker/Antrieb oft die gewünschten Schleifen schließen, während der Mikrocontroller einfach bestimmte Befehle an den Verstärker zurücksendet. Diese Befehle können von Eingaben in den Mikrocontroller (Sensoren, Schalter usw.) abhängen.

SPS

In den späten 1960er Jahren wurden erstmals speicherprogrammierbare Steuerungen (PLCs) verwendet, um das Durcheinander von Kabeln und die mit sequentiellen Relaisschaltungen verbundenen Alpträume bei der Fehlersuche zu beseitigen. SPS können mechanische Relais ersetzen, die eine begrenzte Lebensdauer haben. Diese Controller sind teurer als Mikrocontroller, aber aus gutem Grund.

SPS haben einen Prozessor und einen Speicher, damit Befehle programmiert, gespeichert und ausgeführt werden können. Es hat auch ein Rack und E/A-Steckplätze, so dass E/A-Module nach Bedarf zur SPS hinzugefügt werden können. Die Module können Funktionen wie Hochgeschwindigkeitszähler, Echtzeituhren oder Servosteuerungsfunktionen hinzufügen.

Zu den Vorteilen von SPSen gehören Erweiterbarkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber rauen Umgebungen. Der Preis ist in der Regel niedriger als der von Motion Controllern.

Motion-Controller

Bewegungssteuerungen werden speziell für die Steuerung von Bewegungen gebaut (daher der Name). Daher sind Befehle und E/A spezifisch für die Bedürfnisse derjenigen in der Bewegungsindustrie. Im Gegensatz zu den anderen sind Bewegungssteuerungen oft PC-basiert und ermöglichen eine grafische Benutzeroberfläche. Normalerweise gibt es erweiterte Funktionen, die eine einfache Abstimmung, Kommutierungserkennung und andere Funktionen ermöglichen. Ein Motion Controller wird Ihnen im Allgemeinen das Leben leichter machen als eine SPS oder ein Mikrocontroller. Aufgrund der zusätzlichen Funktionen sind sie in der Regel teurer.

Befehl

Der Befehl ist das Signal, das von der Steuerung an den Servoantrieb gesendet wird.

Digitale Servoantriebe können über verschiedene Netzwerke gesteuert werden, darunter CANopen, Ethernet, EtherCAT, Ethernet Powerlink, Synqnet, USB, RS232 und viele mehr, mit denen Sie den Motor steuern können, indem Sie den Verstärker direkt (oder fast direkt) an einen Computer anschließen. Netzwerksignale haben den Vorteil, dass sie mehr als nur den Ausgangsbefehl kommunizieren können, einschließlich E/A-Status, Antriebsstatus, Positionsinformationen und mehr.

Analoge Servoantriebe werden mit +/-10 V Analogsignalen und PWM- und Richtungssignalen gesteuert.

Antrieb

Der Servoantrieb ist das Bindeglied zwischen Steuerung und Motor. Auch als Servoverstärker bezeichnet, ihre Aufgabe besteht darin, die Niedrigenergie-Referenzsignale von der Steuerung in Hochenergie-Leistungssignale für den Motor umzuwandeln. Ursprünglich waren Antriebe einfach die Leistungsstufe, die es einer Steuerung ermöglichte, einen Motor anzutreiben. Sie begannen als Modelle mit einem Quadranten, die Bürstenmotoren antrieben. Später integrierten sie Vier-Quadranten-Fähigkeiten und die Fähigkeit, bürstenlose Motoren anzutreiben. Vier Quadranten bedeutet die Fähigkeit, einen Motor in beide Richtungen anzutreiben und zu regenerieren.

Der aktuelle Trend geht dahin, Laufwerken mehr Funktionen und Fähigkeiten hinzuzufügen. Heutzutage kann von Antrieben erwartet werden, dass sie das gesamte Systemfeedback verarbeiten, einschließlich Encoder, Resolver und Tachometer sowie Endschalter und andere Sensoren. Die Antriebe werden auch aufgefordert, den Drehmomentregelkreis, den Geschwindigkeitsregelkreis und den Positionsregelkreis zu schließen, und ihnen wird die Verantwortung für die Bahngenerierung übertragen. Da die Grenze zwischen Controller und Laufwerk verschwimmt, übernimmt das Laufwerk viele der komplexeren Steuerungsfunktionen, die früher die einzige Domäne des Controllers waren.

Die Zukunft der Antriebstechnik wird auch weiterhin auf den Anforderungen der Motion-Control-Branche aufbauen. Zu diesen Forderungen gehören:

• Höhere Bandbreite zur Steigerung des Produktionsdurchsatzes
• Erhöhte Geschwindigkeits- und Positionssteuerung, um eine kompliziertere und miniaturisiertere Fertigung zu ermöglichen
• Erhöhte Netzwerkfähigkeit, um Achsen innerhalb einer Maschine und Maschinen innerhalb einer Fabrik eng zu koordinieren
• Vereinfachte, benutzerfreundliche und universelle Bedienung

Motor

Der Motor wandelt den Strom und die Spannung, die vom Antrieb kommen, in mechanische Bewegung um. Die meisten Motoren sind Rotationsmotoren, aber auch Linearmotoren sind erhältlich. Es gibt viele Arten von Motoren, die in Servoanwendungen verwendet werden können.

Die folgende Liste von Motortypen findet sich häufig in Servoanwendungen.

Einzelphase

Einphasenmotoren haben zwei Stromkabel und sind sehr einfach einzurichten. Motoren in dieser Kategorie können Bürstenmotoren, induktive Lasten und Schwingspulen umfassen. Verstärker, die für Bürstenmotoren ausgelegt sind, werden normalerweise verwendet, um einphasige Lasten anzutreiben, obwohl die meisten dreiphasigen Antriebe von AMC diese Motoren auch betreiben können.

Bürste

Der gebräuchlichste Einphasenmotor. Die Bürsten sind eine Form der mechanischen Kommutierung, die den Strom zur richtigen Zeit in die richtigen Spulen leitet.

Linearantrieb

Linearantriebe verwenden einen Rotationsmotor, der mit einem Getriebe gekoppelt ist, um eine lineare Welle ein- und auszufahren. Der Motor im Aktuator ist oft ein Bürstenmotor.

Schwingspule

Eine Schwingspule ähnelt konzeptionell einem Lautsprecher. Die Bewegung ist linear und normalerweise auf weniger als 0,5 Zoll (13 mm) Hub begrenzt. Viele Schwingspulenanwendungen erfordern einen Hochleistungs-Servoantrieb und ADVANCED Motion Controls ist oft die erste Wahl.

Magnetlager

Magnetlager schweben eine rotierende Welle auf einem Magnetkissen, das mit Servos gesteuert wird. Sie werden eingesetzt, wenn eine geringe Reibung erforderlich ist oder wenn die Wellendrehzahlen für herkömmliche Lager zu hoch sind. Magnetlager verwenden Elektromagnete, um die rotierende Welle zum Schweben zu bringen, sodass nichts sie physisch berührt. Ein typisches Magnetlagersystem erfordert 4 oder 5 Antriebe – ein x und y auf jeder Seite der rotierenden Welle und ein optionales Axiallager, um zu verhindern, dass die Welle ein- und austreibt. Die Leistungsanforderungen an die Laufwerke können aufgrund der Dynamik des Systems extrem hoch sein.

Induktive Last

Induktive Lasten werden häufig von Universitäten und Wissenschaftlern verwendet, um Magnetfelder für ihre Experimente zu erzeugen. ADVANCED Motion Controls-Antriebe haben erfolgreich induktive Lasten mit weniger als 80 µH Induktivität bis über 1 H (1.000.000 µH) Induktivität gesteuert. Für die in einem großen Induktor gespeicherte Energie gibt es besondere Überlegungen, und unsere technische Supportabteilung bespricht diese gerne in Bezug auf Ihr Projekt.

Drei Phasen

Bürstenloser Rotator

Bürstenlose Permanentmagnet-Servomotoren haben eine höhere Leistungsdichte, eine bessere Wärmeableitung und erfordern weniger Wartung als Bürstenmotoren. Bürstenlose Motoren können aufgrund der erhöhten Verkabelung etwas schwieriger einzurichten sein, so dass unsere digitale Linie die Dinge einfacher macht, indem sie den Kommutierungsprozess automatisiert.

Linear

Der Aufbau eines Linearmotors ist derselbe wie bei einem Rotationsmotor, aber geöffnet und abgeflacht. Die Konfiguration eines Antriebs für einen Linearmotor ist identisch mit der Konfiguration eines Antriebs für einen Rotationsmotor. Linearmotoren werden in Direktantriebsanwendungen eingesetzt, bei denen die Geschwindigkeits- und Genauigkeitsanforderungen höher sind als ein Rotationsmotor und eine Kugelumlaufspindel leisten können.

Überlegungen zum Laden

Lastüberlegungen sollten das zu bewegende Objekt, die beweglichen Teile in der Maschine und alles, was unerwünschte Instabilitäten verursachen kann, wie Kupplungen und Spiel, umfassen. Die Gesamtmasse der beweglichen Teile in der Maschine haben alle Trägheiten, die auf den Motor reflektiert werden. Reibungspunkte wie z. B. von Lineartischen und Lagern erhöhen die Motorlast. Flexible Kupplungen fügen Resonanzen hinzu, die berücksichtigt werden müssen.

Feedback

In modernen Steuerungssystemen werden Feedback-Geräte verwendet, um sicherzustellen, dass der Motor oder die Last die befohlene Position oder Geschwindigkeit erreicht. Servoverstärker und -steuerungen verwenden dieses Feedback, um zu bestimmen, wie viel Strom zu jedem Zeitpunkt an den Motor geliefert werden muss, basierend auf seiner aktuellen Position und Geschwindigkeit im Vergleich dazu, wo er sein muss. Es gibt zwei Haupttypen von Feedback, absolut und relativ (auch bekannt als „inkrementell“).

Absolutes Feedback

Absolutgeräte liefern beim Einschalten (dh ohne Homing-Routine) die endgültige Position innerhalb eines bestimmten Bereichs.

Relatives Feedback (inkrementell)

Diese Geräte bieten nur inkrementelle Positionsaktualisierungen. Um die Position des Motors oder der Last zu kennen, muss eine inkrementelle Rückführung in Verbindung mit einer Art absoluter Rückführung (z. B. einem Endschalter) verwendet werden, um die Anfangsposition zu bestimmen. Sobald die Anfangsposition bekannt ist, kann relatives Feedback Positionsinformationen über den gesamten Bewegungsbereich liefern.

Innerhalb dieser beiden allgemeinen Feedback-Typen gibt es viele verschiedene Feedback-Geräte. Hier sind einige der Geräte, die am häufigsten in der Bewegungssteuerung verwendet werden.

Feedback-Typen

Quadratur-Encoder

Encoder sind das am weitesten verbreitete Positionsrückmeldungsgerät in der Bewegungssteuerung. Lineare Encoder können Auflösungen im Submikronbereich erreichen und Rotationsencoder können Auflösungen von über 100.000 Zählungen pro Umdrehung haben. Dies sind relative Feedback-Geräte.

Sinus-Encoder

Sinus-Encoder verwenden Sinuswellen anstelle der Rechteckwellen, die bei Quadratur-Encodern zu sehen sind. Dadurch können Zwischencodiererzählungen auf über 1024 Mal interpoliert werden. Auflösungen von über 4 Millionen Zählungen pro Auflösung sind möglich. Dies sind relative Feedback-Geräte.

Absoluter Sinus-Encoder

Diese verwenden die gleichen Sinus-Encoder wie oben zusätzlich zu einem mechanischen Gerät oder einer elektrischen Schaltung, die absolute Positionsinformationen über viele tausend Umdrehungen aufrechterhalten kann. Diese Geräte übertragen die Positionsinformationen über ein serielles Protokoll wie zB: Hiperface^®, EnDat^® und BiSS.

Hall-Sensoren

Dies ist eine Rückkopplung mit niedriger Auflösung, die häufig für die Kommutierungssteuerung erforderlich ist. Dies kann auch für Geschwindigkeitsfeedback bei höheren Geschwindigkeiten verwendet werden. Diese liefern 6 Einheiten absolutes Feedback innerhalb jedes elektrischen Zyklus.

Resolver

Ein Resolver ist im Wesentlichen ein Drehtransformator. Dieses Feedback ist für Auflösungen über 16 Bit geeignet. Resolver sind das Feedback der Wahl für Umgebungen mit hohen Temperaturen und starken Vibrationen. Diese liefern absolutes Feedback innerhalb einer Umdrehung.

Bewegungsprofile

Der Zweck aller Servosysteme besteht darin, eine Art Last zu bewegen. Die Art und Weise, wie die Last bewegt wird, wird als Bewegungsprofil bezeichnet. Ein Bewegungsprofil kann so einfach wie eine Bewegung von Punkt A nach Punkt B auf einer einzelnen Achse sein, oder es kann eine komplexe Bewegung sein, bei der sich mehrere Achsen präzise koordiniert bewegen müssen. Ein Beispielprofil ist in Abbildung 1 dargestellt. Die zurückgelegte Gesamtstrecke D wird durch Berechnung der Fläche unter der Kurve ermittelt. T ist die für die Bewegung benötigte Gesamtzeit. Die Steigung der Geschwindigkeitskurve repräsentiert die Beschleunigung oder Verzögerung zu diesem bestimmten Zeitpunkt. Es gibt verschiedene Arten von Bewegungsprofilen, die bei Servosteuerungssystemen verwendet werden. Die am häufigsten verwendeten sind Konstante Geschwindigkeit, Trapez, und S-Kurve Bewegungsprofile.

Dinge, an die Sie sich erinnern sollten:

• Geschwindigkeit proportional zu 1/T
• Beschleunigung proportional zu 1/T²
• Leistung (Peak) proportional zu 1/T³

Die Auswirkungen des letzten Aufzählungspunkts sind tiefgreifend. Wenn Sie beispielsweise ein bestehendes System haben und möchten, dass die Bewegungen doppelt so schnell ausgeführt werden, benötigt das System die 8-fache Leistung!

Konstante Geschwindigkeit

Dieses Bewegungsprofil behält zwischen den Punkten eine konstante Geschwindigkeit bei (siehe Abbildung 2a). Dies ist das grundlegendste Bewegungsprofil, da nur ein Geschwindigkeitsbefehl verwendet wird.

Konstante Geschwindigkeit würde in so etwas wie einem Förderband oder einem Ventilator verwendet.

Präzisionspositioniermaschinen verwenden das konstante Geschwindigkeitsprofil nicht, da eine reale Maschine die Geschwindigkeit nicht sofort ändern kann. Es wird eine Zeitverzögerung geben, die mit Änderungen in der Last und im System schwankt. In Abbildung 2B stellt die gepunktete Linie den tatsächlichen Geschwindigkeitsweg dar, den die Last nehmen wird. Ta und Td stellen die zum Beschleunigen und Abbremsen erforderliche Zeit dar. Diese Zeiten können bei Lastschwankungen variieren.

Trapez

Das trapezförmige Bewegungsprofil neigt die Geschwindigkeitskurve, um vorhersagbare Beschleunigungs- und Verzögerungsraten zu erzeugen. Ein trapezförmiges Bewegungsprofil ist in Abbildung 3 dargestellt. Die Zeit zum Beschleunigen und Abbremsen ist präzise und wiederholbar. Ta und Td existieren immer noch, aber sie sind jetzt spezifizierte Werte anstelle von zufälligen Werten.

• Wenn ta = td = T/3 für ein trapezförmiges Bewegungsprofil ist, ist die verwendete Gesamtleistung minimal
• Bei einer trapezförmigen Bewegung besteht immer noch ein Überschwingfehler, aber dieser Fehler ist für viele Systeme vernachlässigbar.
• Maschinen mit höherer Präzision erfordern ein anderes Bewegungsprofil.

S-Kurve

Das S-Kurven-Bewegungsprofil ermöglicht eine allmähliche Änderung der Beschleunigung. Dies trägt dazu bei, die durch Überschwingen verursachten Probleme zu verringern oder zu beseitigen, und das Ergebnis ist eine sehr viel geringere mechanische Vibration, die das System wahrnimmt. Die minimalen Beschleunigungspunkte treten zu Beginn und am Ende der Beschleunigungsperiode auf, während die maximale Beschleunigung zwischen diesen beiden Punkten auftritt. Dies ergibt ein Bewegungsprofil, das schnell, genau und gleichmäßig ist.

Drehmoment- und Leistungsberechnungen

Ausgehend vom Geschwindigkeitsprofil kann das Drehmomentprofil durch Ableitung der Geschwindigkeit abgeleitet werden. Eine positive Steigung im Geschwindigkeitsprofil ist ein positives Drehmoment und eine negative Steigung ist ein negatives Drehmoment. Die Steilheit des Slops entspricht der Größe des Drehmoments.

Als nächstes kann die Leistungskurve abgeleitet werden, indem die Geschwindigkeitskurve mit der Drehmomentkurve multipliziert wird (Drehmoment x Drehzahl = Leistung).

Entwerfen eines Systems

Die Informationen in diesen drei Profilen bilden die Grundlage des Systemdesigns.

• Anhand der Geschwindigkeits- und Drehmomentprofile können Sie Ihre Motorauswahl auf Modelle einschränken, die in der Lage sind, das erforderliche Drehmoment und die erforderliche Drehzahl bereitzustellen
  • Anhand der Motordaten (Kt - Drehmomentkonstante, Kv - Spannungskonstante, Rm Motorwiderstand) können Sie dann den Strom- und Spannungsbedarf des Systems ermitteln
    • Aus dem Spitzendrehmoment lässt sich der Spitzenstrom (I) berechnen. Ich = T / Kt
    • Aus der Spitzengeschwindigkeit können Sie die Spitzenspannung (V) berechnen. V = Drehzahl * Kv + I * Rm
• Wenn die Strom- und Spannungsanforderungen bekannt sind, können Sie einen Servoantrieb auswählen

Mehr Gleichungen

• Drehmoment ist proportional zum Strom.
• Drehmoment * Drehzahl = Leistung
• KT = Drehmomentkonstante (lb-in/A)
• Das RMS-Drehmoment ist wichtig für Versorgungs- und thermische Erwägungen.