Grundlagen des Servoantriebs

"Wir entwickeln und bauen Servoantriebe für Bewegungssteuerungssysteme."

Das ist eine Antwort, die wir geben könnten, wenn jemand fragt: "Was macht ADVANCED Motion Controls?"

Für manche Leute ist das alles, was sie wissen müssen. Für andere könnte es mehr Fragen als Antworten aufwerfen. Wir müssen uns daran erinnern, dass nicht jeder einen Hintergrund in Bewegungssteuerung oder Elektronik oder sogar in Wissenschaft und Technik hat.

Deshalb werden wir die Grundlagen der Servoantriebe auf verschiedenen technischen Ebenen durchgehen, damit jeder ein wenig verstehen kann, was wir tun. Sie können aufhören, wann immer Sie sich wohl fühlen.

Grundlagen des Servoantriebs für einen 5-Jährigen erklärt

Servoantriebe sind wie kleine Computer, die Strom an Motoren senden und sie rund und rund drehen lassen.

Kopie der Servoantriebs- und Motorskizze

Grundlagen des Servoantriebs für einen 12-Jährigen erklärt

Bisher folgen? Das hoffe ich doch. Gehen wir etwas mehr ins Detail.

Servoantriebe sind elektronische Geräte, die aus Leiterplatten, Mikrochips, Drähten und Steckverbindern bestehen. Sie sind mit Elektromotoren verbunden, um die Drehung des Motors zu steuern. Sie können den Motor jederzeit beschleunigen, verlangsamen, stoppen oder sogar rückwärts fahren lassen.

Sie erreichen dies, indem sie den Stromfluss durch die Drähte des Motors steuern und lenken. Ohne einen Servoantrieb dreht ein Motor möglicherweise nur unkontrolliert oder gar nicht.

Manche Servoantriebe steuern kleine Motoren, wie im Ellbogengelenk eines Roboterarms. Andere Servoantriebe steuern große Motoren, wie in schweren Maschinen oder das Rad eines Elektrofahrzeugs. Stärkere Motoren brauchen stärkere Servoantriebe.

Grundlagen des Servoantriebs für einen Physikstudenten erklärt

Hoffentlich seid ihr alle noch bei uns, aber hier fängt es an etwas technischer zu werden.

Wie funktionieren Servoantriebe und was bringt den Motor zum Drehen?

Antreiben des Motors

Wie dreht sich ein Motor?

Ein Elektromotor besteht aus zwei Hauptteilen: einem Rotor, der sich dreht und an der Welle befestigt ist, und einem Stator, der stillsteht und am Rahmen befestigt ist. Eine dieser Komponenten hat normale Magnete, und die andere hat Drahtwicklungen oder "Elektromagnete", die eingeschaltet werden können, indem elektrischer Strom durch sie fließt.

Indem Sie die verschiedenen Wicklungen nacheinander ein- und ausschalten, können Sie einen rotierenden Magneteffekt erzielen. Dies drückt gegen die regulären Magnete und bewirkt, dass sich der Rotor dreht.

Bürstenmotoren haben Wicklungen im Rotor und Magnete im Stator, während bürstenlose Motoren die Wicklungen im Stator und Magnete im Rotor haben.

In jedem Fall steuert die Strommenge durch die Wicklungen die Drehmomentmenge (wie stark sie sich dreht), während die Spannung die Drehzahl des Motors steuert (wie schnell sie sich dreht). Durch Regelung des zugeführten Stroms und der zugeführten Spannung steuert der Servoantrieb das Drehmoment, die Drehzahl und die Position der Motorwelle.

Bürstenloser 3-Phasen-Motor

In einem bürstenlosen Motor werden Elektromagnete im Stator ein- und ausgeschaltet, um den Magnetrotor zu drehen.

Steuerung und Kontrolle

Maschinensteuerung

Ein großer Controller

Aber wie teilt man dem Servoantrieb mit, welches Drehmoment, welche Geschwindigkeit und Position er anstreben soll? Leicht. Sie verwenden einfach einen Controller, der so einfach wie ein Zifferblatt oder kompliziert wie ein Computer sein kann.

Der Controller sendet ein Signal (einen kleinen, aber spezifischen Spannungsimpuls) an den Befehlseingang des Servoantriebs. Der Servoantrieb verstärkt dann im Wesentlichen das Signal auf den gewünschten Strom oder die gewünschte Spannung für den Motor.

Servo Drive Stromversorgung

Ein Beispiel für ein Netzteil, das an eine Wandsteckdose angeschlossen wird.

Natürlich sagt uns der Energieerhaltungssatz, dass Energie nicht einfach aus dem Nichts erschaffen werden kann.

Woher kommt diese verstärkte Leistung?

Der Servoantrieb ist an eine Art Stromversorgungseinheit (eine Batterie oder ein Gerät, das angeschlossen werden kann) angeschlossen, das eine konstante Spannung liefert. Der Servoantrieb übernimmt dann diese Versorgungsspannung und versorgt den Motor je nach Bedarf basierend auf dem Befehlssignal mit Strom.

Feedback

Wenn Sie den Überblick behalten, haben wir bisher über 3 Hauptkomponenten gesprochen, mit denen Servoantriebe verbunden sind: Die Motorwicklungen, die Steuerung und die Stromversorgung. Aber es gibt ein viertes Element, mit dem die Servoantriebe verbunden sind, das sie so effektiv macht: Das Motor-Feedback-Gerät.

Rückmeldung des Tachometers

Fahrer nutzen den Tachometer für Rückmeldungen während der Fahrt ... oder zumindest verantwortungsbewusste Fahrer.

Als Menschen verwenden wir ständig Feedback-Geräte. Der Tachometer an unserem Auto sagt uns, wie schnell wir fahren, damit wir wissen, ob wir beschleunigen oder bremsen müssen. Ein Kochthermometer zeigt uns an, wann unser Fleisch fast gar ist. Ein Manometer zeigt uns an, wann der Reifen am Fahrrad mehr oder weniger Luft braucht. Eine Kunden-Feedback-Umfrage zeigt einem Unternehmen, wo es Anpassungen vornehmen muss. Feedback macht es viel einfacher, Korrekturmaßnahmen zu ergreifen.

Die meisten Servomotoren sind mit einer Art Feedback-Gerät ausgestattet, z. B. einem Encoder, der direkt an einen Servoantrieb angeschlossen werden kann.

Mit einer Rückkopplungsschleife kann der Servoantrieb Echtzeitkorrekturen an Strom und Spannung vornehmen, die er an den Motor sendet. Dadurch wird sichergestellt, dass sich der Motor unabhängig von Störungen mit dem gewünschten Drehmoment, der gewünschten Drehzahl und an der gewünschten Position dreht.

Inkrementalgeber Rückmeldeeinrichtung

Ein Inkrementalgeber ist ein gängiges Feedback-Gerät, das in Motoren verwendet wird, um die Drehbewegung zu verfolgen.

Angenommen, eine externe Kraft beginnt auf die Motorwelle einzuwirken und bewirkt, dass sie von der gewünschten Drehzahl abbremst. Das Rückkopplungssignal vom Motor zeigt die tatsächliche Motordrehzahl an. Der Servoantrieb vergleicht dann die tatsächliche Geschwindigkeit mit der Zielgeschwindigkeit und erhöht die dem Motor zugeführte Leistung, um dies zu kompensieren, bis er die richtige Geschwindigkeit erreicht.

Dies ist vergleichbar damit, wenn Sie den Tempomat in einem Auto verwenden und beginnen, einen Hügel hinaufzufahren. Ohne irgendetwas zu berühren, nimmt Ihr Autocomputer alle notwendigen Änderungen vor, damit Ihr Auto trotz der Steigung mit der gleichen Geschwindigkeit fährt. In einem Servoantrieb geschieht all dies schneller, als der Mensch wahrnehmen kann, mit Tausenden von Anpassungen pro Sekunde.

Grundlagen des Servoantriebs für einen Ingenieurstudenten auf College-Niveau erklärt

Okay, schicke Hosen, willst du das gute Zeug? Bitte schön.

Bisher haben wir Servoantriebe als kleine magische Kästen betrachtet, in die Strom und Drähte ein- und ausgehen. Wir wissen, was sie tun, aber nicht, wie sie es tun. Schauen wir uns an, was tatsächlich im Inneren vor sich geht.

Negative Rückkopplungsschleifen

Servoantriebe werden oft als Servoverstärker bezeichnet, weil sie im Kern genau das tun. Sie verstärken ein Befehlssignal. Aber es ist die Entwicklung der rückkopplungsbasierten Steuerung, die sie zu ausgeklügelteren und nützlicheren Geräten macht.

Wie bereits erwähnt, verwenden Servoantriebe Rückkopplungsschleifen, um Fehler zu korrigieren.

Bei der Bewegungssteuerung und den meisten anderen Steuerungsprozessen werden Fehler mithilfe von negativen Rückkopplungsschleifen korrigiert.

In einer negativen Rückkopplungsschleife wird das Systemausgangssignal (vom Messwert) vom Systemreferenzeingang (dem Zielwert) subtrahiert, um den neuen Eingangswert (das Fehlersignal) zu erzeugen.

Schauen Sie sich dieses einfache Blockdiagramm an.

Einfache negative Rückkopplungsschleife

Eine einfache negative Rückkopplungsschleife.

Sagen Sie zum Beispiel, Ihr Ziel ist 5 und Ihr gemessener Wert ist 3. Das Fehlersignal wird am Ende +2 sein. Wenn Ihr Ziel 5 und Ihr gemessener Wert 7 ist, dann ist das Fehlersignal -2.

Wenn also die Ausgabe eines Systems zu hoch ist, ist das Fehlersignal negativ, und das System reagiert in die negative Richtung, um die Ausgabe zu senken. Wenn die Ausgabe des Systems zu niedrig ist, ist der Fehler positiv und das System reagiert in die positive Richtung, um die Ausgabe zu erhöhen.

Dieser Prozess wird kontinuierlich durchlaufen, wobei der Fehler so nahe wie möglich bei Null gehalten wird.

Dieses negative Feedback ist wesentlich. Wenn das Feedback positiv war (mit anderen Worten, wenn Sie den gemessenen Wert zum Zielwert addierten, anstatt ihn zu subtrahieren), würde ein zu schnell laufendes System durch noch schnellere Geschwindigkeit kompensieren, oder ein zu langsam laufendes System würde zum Stillstand kommen oder schließlich laufen rückwärts.

Nahezu alle Servoantriebe sind in der Lage, die Stromschleife zu schließen, aber andere können auch die Geschwindigkeitsschleife und sogar die Positionsschleife schließen. Wenn ein System über einen Servoantrieb verfügt, der nur die Stromschleife schließen kann, die Maschine aber auch die Geschwindigkeits- und Positionsschleifen schließen muss, müssen diese zusätzlichen Schleifen von der Steuerung geschlossen werden.

Gewinne

Das Fehlersignal durchläuft die "Verstärkung" des Systems, auch bekannt als den Verstärkungsschritt, der die Systemeingabe nimmt, um die Systemausgabe zu erzeugen. In einigen Systemen ist dies eine einfache proportionale Verstärkung.

Stellen wir uns das wie ein Mikrofon- und Lautsprecher-Setup vor. Sie sprechen in das Mikrofon, Ihre Stimme wird verstärkt. Wenn Sie in einer Schulaula vor einer Menschenmenge von 20 Personen sprechen, haben Sie möglicherweise nur eine kleine Verstärkung, die Sie zwei- oder dreimal so laut klingen lässt, wie Sie wirklich sind. Aber wenn Sie bei einer Veranstaltung im Freien mit einer Menschenmenge von Hunderten von Menschen sprechen, benötigen Sie eine viel größere Verstärkung, damit Sie jeder hören kann, sodass das System Ihre Stimme möglicherweise mehr als zehnmal so laut macht . In beiden Fällen gilt: Je lauter Sie in das Mikrofon sprechen, desto lauter wird der Ton, der herauskommt.

Servo Drive Motor Feedback Loop mit Verstärkungen

Eine grundlegende Rückkopplungsschleife in einem Bewegungssteuerungssystem mit einem Servoantrieb. Der Servoantrieb kompiliert das Fehlersignal und "verstärkt" es dann, um die Ausgabe des Servoantriebs zu erhalten.

In einem Servoantrieb einer Anwendung haben Sie also möglicherweise eine proportionale Verstärkungskonstante von 5 A / V, wobei ein 1-V-Eingang einen 5-A-Ausgang ergibt, ein 2-V-Eingang einen 10-A-Ausgang usw.

In einer anderen Anwendung haben Sie möglicherweise eine proportionale Verstärkungskonstante von 10 A/V, wobei ein 1-V-Eingang einen 10-A-Ausgang ergibt, ein 2-V-Eingang einen 20-A-Ausgang usw.

PID-Regelung

Bei einigen Prozessen reicht eine proportionale Verstärkung zur Steuerung aus. Aber für die meisten Prozesse, wie zum Beispiel Robotik, ist eine genauere Steuerung erwünscht. Eines der am weitesten verbreiteten Steuerungsschemata ist die (Proportional-, Integral-, Differential-) Steuerung.

Bei PID haben Sie die proportionale Verstärkung multipliziert mit dem aktuellen Fehlerwert, aber auch die integrale Verstärkung multipliziert mit der Fehlerakkumulation im Laufe der Zeit (Integral) und die abgeleitete Verstärkung multipliziert mit der Änderung des Fehlers im Laufe der Zeit (Ableitung). Dies führt fast immer zu einer viel präziseren Fehlerkorrektur, wodurch Probleme wie Überschwingen und Schwingen reduziert werden.

Servoantrieb Motorrückführkreis mit PID-Regelung

Eine grundlegende Rückkopplungsschleife in einem Bewegungssteuerungssystem mit einem Servoantrieb mit PID-Regelung.

Grundlagen des Servoantriebs für den Systemdesigner erklärt

Herzlichen Glückwunsch, wenn Sie es bis hierhin geschafft haben. Lassen Sie uns nun über eine einfache Kombination aus Steuerung, Antrieb und Motor hinausblicken und uns ansehen, wie Servoantriebe in ein vollständiges Bewegungssteuerungssystem passen.

Leistungsstufen

Nicht alle Servoantriebe sind gleich. Jeder Servoantrieb hat eine Nennbetriebsspannung und maximale Spitzen- und Dauerströme. Während viele Fortschritte gemacht wurden, um die Leistungsdichte zu erhöhen (insbesondere in den letzten Jahren mit unserer FlexPro-Antriebsfamilie), sind größere Servoantriebe normalerweise leistungsstärker und haben eine geringere Auflösung der Stromsteuerung.

Vielleicht könnte ein 5-Jähriger das verstehen, aber versuchen Sie für alle Fälle nicht, einen winzigen 5-Ampere-Motor mit einem sperrigen 80-Ampere-Servoantrieb anzutreiben, und versuchen Sie nicht, einen schweren 80-Ampere-Motor mit einem winzigen 5-Ampere-Servo zu betreiben Antrieb.

Basic Panel Mount Servo Drive

Schalttafeleinbau-Servoantrieb

Formfaktor

Servoantriebe gibt es in verschiedenen Formen und Größen, von denen einige für unterschiedliche Anwendungen besser geeignet sind.

Plattenmontage

Schalttafelmontierte Servoantriebe haben eine Grundplatte aus Metall und eine Kunststoff- oder dünne Metallabdeckung, die die Leiterplatte umschließt.

Löcher oder Kerben in der Grundplatte werden verwendet, um die Laufwerke mit Bolzen oder Schrauben auf einer ebenen Fläche zu montieren.

Dies sind die traditionelle Form von Servoantrieben, die typischerweise in Maschinen verwendet werden.

Leiterplattenmontage

FlexPro-Servoantrieb

Servoantrieb für Leiterplattenmontage

Leiterplattenmontierte Servoantriebe werden ohne Gehäuse oder Abdeckungen hergestellt. Sie sind so konzipiert, dass sie mithilfe von Stiften oder Löten direkt auf einer anderen Leiterplatte montiert werden können, ähnlich wie eine Unterkomponente befestigt werden könnte.

Diese sind sehr kompakt und bieten zuverlässige Konnektivität, sind aber weniger vor Witterungseinflüssen geschützt. Diese werden häufig sowohl in der stationären als auch in der mobilen Robotik eingesetzt.

Leiterplattenmontierte Laufwerke werden manchmal in eine Montagekarte eingesteckt, um traditionellere Verbindungen mit Drähten und Kabeln zu bieten und gleichzeitig ihre kompakte Natur beizubehalten. Dies kann dem Maschinenkonstrukteur die Mühe ersparen, eine Leiterplatte mit genau den Stiftanschlüssen zu entwerfen, die zum Antrieb passen.

Fahrzeugmontierter Servoantrieb

Fahrzeughalterung

Fahrzeugmontierte Servoantriebe sind fest von einer dicken Kunststoffhülle und einer schweren Grundplatte umschlossen. Schraubklemmen werden verwendet, um hohe Ströme zuzulassen. Wie der Name schon sagt, werden diese in mobilen Anwendungen verwendet.

Unabhängig vom Formfaktor funktionieren sie leistungsmäßig alle gleich. Der Unterschied liegt eher in der einfachen Installation für verschiedene Branchen und verschiedene Anwendungen.

Netzwerke

In Robotern, mobilen Fahrzeugen, Maschinen und anderen Bewegungssteuerungssystemen gibt es wahrscheinlich mehr als eine Bewegungsachse. Das bedeutet mehr als einen Motor, was typischerweise mehr als einen Servoantrieb bedeutet. Die Steuerung muss die Befehle an alle diese Servoantriebe senden.

Es gibt zwei Möglichkeiten für den Controller, dies zu handhaben. Bei analogen Servoantrieben ist ein zentralisiertes Steuerungsschema erforderlich, bei dem die Steuerung individuell mit jedem Servoantrieb verbunden ist.

Maschinennetzwerk Servoantriebe

Wenn die Servoantriebe in einem Netzwerk vorhanden sind, vereinfacht sich die Verkabelung. Daten und Befehle können über einen einzigen Netzwerkbus zu jedem Knoten fließen, sodass der Controller keine direkte Verbindung zu jedem Knoten benötigt.

Bei digitalen Servoantrieben wird jedoch eine verteilte Steuerung durch die Verwendung eines Netzwerks ermöglicht. Ein Netzwerk verkettet die Servoantriebe miteinander. Nachrichten oder Datenpakete können über das Netzwerk gesendet werden und die Servoantriebe antworten auf die an sie adressierten Daten.

Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Netzwerkprotokolle. Echtzeitnetzwerke wie EtherCAT oder EtherNet/IP ermöglichen unglaublich schnelle Reaktionszeiten und senden Updates in weniger als einer Millisekunde. Andere Netzwerke wie CANopen oder ModBus sind nicht so schnell, aber einfacher und kostengünstiger zu implementieren.

Jeden ADVANCED Das digitale Servoantriebsmodell von Motion Controls ist für ein bestimmtes Netzwerkprotokoll konzipiert, mit vielen verfügbaren Optionen, einschließlich Zoll.

 

Andere Arten von Motoren

So wie sich Mobiltelefone weit über das bloße Telefonieren hinaus entwickelt haben, können Servoantriebe heutzutage viel mehr, als nur Servomotoren anzutreiben.

Neben standardmäßigen bürstenbehafteten und bürstenlosen Servomotoren können Servoantriebe auch zur Steuerung von Linearmotoren, Zweiphasen- und Dreiphasen-Schrittmotoren, AC-Induktionsmotoren, Schwingspulen und mehr verwendet werden.

Linearmotor-Diagramm

Ein Linearmotor ist elektrisch analog zu einem "ausgerollten" bürstenlosen Servomotor, sodass er leicht von digitalen Servoantrieben gesteuert werden kann.

Selbst wenn Ihr System über mehrere Motortypen verfügt, ist es sehr wahrscheinlich, dass Sie sie alle mit denselben oder ähnlichen Modellen von Servoantrieben steuern können, was Ihr Design vereinfacht.

E/A

Die I/O (Input/Output)-Funktionalität wird in digitalen Servoantrieben verwendet, damit sie High/Low-Signale mit anderen Geräten im System austauschen können. Diese Geräte können Temperatursensoren, Endschalter, Drucksensoren oder sogar andere Servoantriebe sein.

Die Verwendung von E/A kann großartig sein, damit der Servoantrieb einfache Funktionen an der Maschine steuern und die Steuerung und/oder das Netzwerk entlasten kann.

Isolation

Entweder Ihre Servoantriebe oder Ihre Stromversorgung benötigen eine elektrische Isolierung. Andernfalls könnten Sie am Ende mit einem schwimmenden Boden enden, der Ihre Servoantriebe und andere Komponenten im System durchbrennt. Sie benötigen entweder Servoantriebe mit eingebauter galvanischer Trennung oder Netzteile mit Trenntransformator. Ausnahmen von dieser Regel sind batteriebetriebene Systeme und Systeme mit Servoantrieben, die für die direkte Entnahme von Wechselstrom ausgelegt sind.

Bonus: Grundlagen des Servoantriebs für Philosophen

Wenn ein Servoantrieb ein Gerät ist, das einen Motor mit Strom und Spannung versorgt, ist er dann immer noch ein Servoantrieb, wenn Sie ihn vom System trennen?

 

von Jackson McKay, Marketingingenieur

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