A modern mozgásvezérlés története

A mozgásszabályozás kezdő időpontjának meghatározása nagyban függ a mozgásszabályozás meghatározásától. Azzal lehet érvelni, hogy a mechanikus bütyök feltalálásával kezdődött. Mások szerint a PID-szabályozás bevezetéséig nem kezdődött el.

Nincs végleges kezdet, de kezdjük az elektromos motorokkal, alig 150 évvel ezelőtt. A mozgásvezérlés bővebb története a következő oldalakon olvasható itt. Ebben a cikkben a modern mozgásvezérlést lehetővé tevő technológiák fejlődését vizsgáljuk meg.

A megfelelő eszközök

Zenobe Gramme gépBár az elektromos motort már 1837 óta feltalálták, kereskedelmi szempontból nem volt életképes, amíg Zenobe Gramme 1873-ban be nem mutatta az egyenáramú motor tervét. Évekkel később Tesla, aki maga is a váltóáram bajnoka volt, előállt saját váltóáramú indukciós motorjával. Azóta az elektromos motorokat egyre több készülékben alkalmazták.

1914-re a cserélhető alkatrészek használata már sokkal elterjedtebbé vált, és Henry Ford éppen akkor állította üzembe az első gépesített összeszerelő szalagot. A hatékony gyártás felemelkedőben volt. És ez jó dolog volt, mivel a világ éppen belevetette magát az első világháborúba.

A futószalaggal, az elektromos motorokkal és a háborús innovációval az automatizálás kora gyorsan közeledett, de a mozgásvezérléshez hiányzott egy kulcsfontosságú komponens...

Visszajelzés: A hiányzó darab

Harold Black Negatív visszacsatolás egyenletek

Bizonyos értelemben már az 1900-as években megvalósult maga a vezérlés-visszacsatolás. A korábbi évszázadokban már használtak termosztátokat és centrifugális szabályozókat a kemencékhez, illetve a gőzgépekhez. De a negatív visszacsatolási hurok használatának ötlete a szabályozás szigorítására még akkor sem volt igazán feltérképezve, amikor az első világháború véget ért, és beléptünk a dzsesszkorszakba.

Aztán egy 1927-es kompútja során Harold Black egy nap feljegyzést készített arról, hogy a teljesítményerősítő kimenetének egy részét a bemenet egy részének negligálására és a jel torzításának csökkentésére használja, különösen a nagy hatótávolságú kommunikációban. A negatív visszacsatolású erősítő feltalálása megalapozta az erősítők további fejlődését. Hamarosan mindenütt negatív visszacsatolású hurkokat vezettek be mind a pneumatikus, mind a kommunikációs eszközökbe.

Ugyanabban az évben, amikor Harold Black publikálta a negatív visszacsatolású erősítőről szóló tanulmányát, Harold Hazen is felismerte, hogy a negatív visszacsatolás felhasználható egy szervomechanizmus válaszgörbéjének beállítására. A továbbiakban mindkét Harold munkái döntő fontosságúak voltak a motorvezérlési technikák fejlesztésében. Megszületett az elektromos mozgásszabályozás.

A vezérlőrendszerek azonban még negatív visszacsatolással sem voltak kifinomultak. A tisztán arányos szabályozás használata nagyon hajlamos volt arra, hogy kezdetben túllépje a célkimenetet, és időre volt szükség a kiegyenlítődéshez és a stabilitás megtalálásához. A hirtelen zavarokra sem reagált jól. Még sok munka állt előttünk, mire a szervóerősítő technológia a maihoz hasonlóan kezdett kinézni.

PID: A játék megváltoztatója

A PID-szabályozás bevezetése mindent megváltoztatott. A PID a Proportional, Integral, and Derivative (arányos, integrált és derivált) rövidítése, és az erősítőben alkalmazott különböző erősítésekre utal, amelyek egy zárt hurkú rendszerben a hiba korrigálására szolgálnak. A PID-rel erősített jel sokkal simább választ ad, mint a csak arányos szabályozással erősített jel. Az integrál szabályozási komponens megszüntette az állandósult állapotú hibát, a derivált komponens pedig csökkentette a válasz túlcsordulását. A PID ötlete matematikai elméletként már J. C. Maxwell 1886-os írása óta létezett. Azonban körülbelül fél évszázadnak kellett eltelnie ahhoz, hogy - legalábbis szándékosan - beépüljön a technológiába.

A II. világháború befejeztével az elektromos rendszerű vezérlők kezdtek egyre elterjedtebbé válni. Ezek a következő évtizedekben nagy fejlődésen mentek keresztül. A hidegháborúval az országok erőltették a technológiai innovációt, mivel senki sem akart hátrányos helyzetbe kerülni, ha nyílt háború törne ki. Végül a PID-szabályozási technológia és a szervóerősítők segítették az Egyesült Államok küldetését, hogy embert juttasson a Holdra.

Az analóg korszak

Analóg szervóerősítő előzmények mozgásvezérlésA 60-as és 70-es évek technológiai fejlődésének eredményeként jött létre a szilárdtest-elektronika, beleértve a félvezető tranzisztorokat, amelyek lehetővé tették a nagyfrekvenciás kapcsolást. Nagyjából ugyanebben az időben fejlesztették ki az impulzusszélesség-modulációt (PWM), amellyel sokkal hatékonyabban lehetett elektromos jeleket küldeni. Ezek a fejlesztések lehetővé tették több motorfázis szabályozott módon történő be- és kikapcsolását. Beléptünk az egyenáramú kefe nélküli motorok vezérlésének korszakába.

Az analóg szervóerősítők egyszerre váltak egyre kompaktabbá és egyre fejlettebbé. Az olyan funkciók, mint az állapotjelzők, a többféle üzemmód és a többféle visszajelző eszköz támogatása, kezdtek megjelenni a panelbe szerelhető és a PCB szerelésű szervóerősítő csomagok.

Érdemes megjegyezni, hogy a mozgásvezérlő iparág (véleményünk szerint) örökre megváltozott, amikor Barta Sandor és Daniel Schoenwald 1987-ben megalapította az ADVANCED Motion Controls-t, analóg szervóerősítőket építve egy konyhaasztalon Van Nuysban.

A digitális technológia felemelkedése

digitális szervohajtás története mozgásszabályozásA digitális elektronika az 1970-es években kezdett teret nyerni. Az integrált áramkörök, a mikroprocesszorok, a nem-illékony memória és a hálózatba kapcsolódás kezdték kialakítani a ma ismert elektronikai technológiát. Egyre több iparág kezdett átállni az analógról a digitálisra.

A digitális technológia az 1990-es években tört előre a mozgásvezérlő iparban. A digitális szervóerősítők vagy digitális szervohajtások, ahogyan ma már ismertebbek, feltalálásával a mozgásvezérlés lehetőségei jelentősen kibővültek. A digitális szervohajtások már nem csak a nyomatékok és sebességek, hanem a pozíció-visszacsatolás segítségével is képesek voltak a motor forgórészét meghatározott pozíciókba mozgatni. A digitális szervohajtások hálózaton keresztül is működtethetők, és i/o (input/output) jelekkel kommunikálhatnak egymással és más eszközökkel.

Az elmúlt években a motorvezérlő és az erősítő közötti határvonal nagyon elmosódott. A szervohajtások ma már saját feldolgozási teljesítményükkel rendelkeznek, ami lehetővé teszi számukra, hogy több olyan munkát végezzenek, amelyet általában egy külső vezérlő igényel. Beépített memóriájuk lehetővé teszi számukra a mozgásprofilok tárolását, ami ismét csökkenti a vezérlő munkaterhelését, és néha teljesen szükségtelenné teszi azt.

A mozgásvezérlési üzletág jelentős része továbbra is analóg, de az iparág évről évre digitálisabbá válik. Többet olvashat a különbségek a digitális és analóg szervohajtások között itt.

Mi a következő lépés?

Míg a mozgásvezérlés alaptechnológiája mára nagyon jól megalapozott, az iparág folyamatosan növekszik és fejlődik. Ha kíváncsi arra, hogy merre tart a mozgásvezérlés ipara, akkor olvassa el a Servo Drive trendek 2020-ra itt.

 

Jackson McKay, marketing mérnök

Ez is érdekelheti Önt...

Tech_Form-Factor_pcb-szerelés
PCB szerelés
Szervómeghajtások áttekintése
Szervómeghajtások áttekintése
FlexPro információs doboz
FlexPro®
Tech_Motion-Control_overview
Mozgásvezérlés áttekintése
Tech_Power_dc-supply
DC