A szervohajtás alapjai

"Mozgásvezérlő rendszerekhez szervohajtásokat tervezünk és gyártunk."

Ezt a választ adhatjuk, amikor valaki megkérdezi: "Mit csinál az ADVANCED Motion Controls?".

Néhány embernek csak ennyit kell tudnia. Mások számára ez több kérdést vethet fel, mint választ. Nem szabad elfelejtenünk, hogy nem mindenki rendelkezik mozgásvezérléshez, elektronikához vagy akár természettudományokhoz és mérnöki tudományokhoz kapcsolódó háttérrel.

Ezért különböző technikai szinteken fogjuk átvenni a szervohajtások alapjait, hogy bárki és mindenki megérthesse, mit is csinálunk. Bármikor abbahagyhatja, amikor jól érzi magát.

A szervohajtás alapjai egy 5 éves gyermeknek elmagyarázva

A szervohajtások olyanok, mint a kis számítógépek, amelyek áramot küldenek a motoroknak, és körbe-körbe pörgetik őket.

Servo Drive és motor vázlat másolat

A szervohajtás alapjai egy 12 éves gyermeknek elmagyarázva

Eddig követed? Remélem, hogy igen. Menjünk egy kicsit részletesebben.

A szervohajtások áramköri lapokból, mikrochipekből, vezetékekből és csatlakozókból álló elektronikus eszközök. Elektromotorokhoz csatlakoznak, hogy szabályozzák a motor forgását. Bármikor képesek a motort felgyorsítani, lelassítani, megállítani vagy akár visszafelé is elindítani.

Ezt úgy érik el, hogy szabályozzák és irányítják az áram áramlást a motor vezetékein keresztül. Szervohajtás nélkül a motor kontrollálatlanul forogna, vagy egyáltalán nem forogna.

Egyes szervohajtások kis motorokat vezérelnek, például egy robotkar könyökcsuklójában. Más szervohajtások nagy motorokat vezérelnek, mint például a nehézgépekben vagy egy elektromos jármű kerekében. A nagyobb teljesítményű motorokhoz nagyobb teljesítményű szervohajtások szükségesek.

A szervohajtás alapjai egy középiskolás fizikus diáknak elmagyarázva

Remélhetőleg még mindannyian velünk vagytok, de itt kezd egy kicsit technikásabbá válni a dolog.

Hogyan működnek a szervohajtások, és mi mozgatja a motort?

A motor meghajtása

Hogyan pörög egy motor?

Az elektromos motor két fő részből áll: egy forgórészből, amely forog és a tengelyhez van rögzítve, valamint egy állórészből, amely mozdulatlanul áll és a kerethez van rögzítve. Ezen alkatrészek egyike hagyományos mágnesekkel, a másik pedig huzalos tekercsekkel vagy "elektromágnesekkel" rendelkezik, amelyeket úgy lehet bekapcsolni, hogy elektromos áram folyik rajtuk keresztül.

A különböző tekercsek egymás utáni be- és kikapcsolásával forgó mágneses hatást érhet el. Ez nyomást gyakorol a normál mágnesekre, és a forgórészt pörgésre készteti.

A kefe nélküli motoroknál a tekercsek a rotorban, a mágnesek pedig az állórészben vannak, míg a kefe nélküli motoroknál a tekercsek az állórészben, a mágnesek pedig a rotorban vannak.

Akárhogy is, a tekercseken átfolyó áram mennyisége szabályozza a nyomatékot (milyen erősen fordul), míg a feszültség a motor fordulatszámát (milyen gyorsan fordul). A szolgáltatott áram és feszültség szabályozásával a szervohajtás szabályozza a motor tengelyének nyomatékát, sebességét és helyzetét.

3 fázisú kefe nélküli motor

A kefe nélküli motorban az állórészben lévő elektromágnesek be- és kikapcsolnak, hogy a mágneses forgórészt forgassák.

Parancsnokság és irányítás

Gépvezérlő

Nagyméretű vezérlő

De hogyan mondja meg a szervohajtásnak, hogy milyen nyomatékot, sebességet és pozíciót kell megcéloznia? Egyszerűen. Egyszerűen csak egy vezérlőt használ, ami lehet olyan egyszerű, mint egy tárcsa, vagy olyan bonyolult, mint egy számítógép.

A vezérlő jelet (egy kis, de specifikus feszültségimpulzust) küld a szervohajtás parancsbemenetére. A szervohajtó ezután lényegében felerősíti a jelet a motor számára kívánt áramra vagy feszültségre.

Szervómeghajtó Tápegység

Egy példa a konnektorba csatlakoztatható tápegységre.

Természetesen az energia megmaradásának törvénye azt mondja, hogy az energia nem keletkezhet csak úgy a semmiből.

Honnan származik tehát ez a felerősített erő?

A szervohajtás valamilyen tápegységhez (akkumulátor vagy csatlakoztatható eszköz) csatlakozik, amely állandó feszültséget biztosít. A szervohajtás ezt a tápfeszültséget veszi, és a parancsjel alapján szükség szerint áramot küld a motornak.

Visszajelzés

Ha nyomon követi, eddig 3 fő komponensről beszéltünk, amelyekhez a szervohajtások kapcsolódnak: A motortekercsek, a vezérlő és a tápegység. De van egy 4. elem is, amelyhez a szervohajtások csatlakoznak, és amely annyira hatékonnyá teszi őket: A motor-visszacsatoló eszköz.

Sebességmérő visszajelzés

A járművezetők a sebességmérőt visszajelzésre használják útközben... legalábbis a felelősségteljes járművezetők.

Emberként állandóan használunk visszajelző eszközöket. Az autónk sebességmérője jelzi, hogy milyen gyorsan megyünk, így tudjuk, hogy gyorsítsunk vagy lassítsunk. A főzési hőmérő tudatja velünk, hogy mikor van közel a húsunk a kész állapothoz. A nyomásmérő tudatja velünk, hogy a biciklin lévő gumiabroncsnak több vagy kevesebb levegőre van szüksége. A vásárlói visszajelzések felmérése megmondja a vállalatnak, hogy hol kell változtatnia. A visszajelzés sokkal könnyebbé teszi a korrekciós intézkedések meghozatalát.

A legtöbb szervomotor rendelkezik valamilyen visszacsatoló eszközzel, például egy kódolóval, amely közvetlenül csatlakoztatható a szervohajtáshoz.

A visszacsatolási hurok lehetővé teszi a szervohajtó számára, hogy valós idejű korrekciókat hajtson végre a motornak küldött áram és feszültség tekintetében. Ez biztosítja, hogy a motor a kívánt nyomatékkal, a kívánt sebességgel és a kívánt pozícióban forogjon, függetlenül a zavaró tényezőktől.

Inkrementális kódoló visszajelző eszköz

Az inkrementális kódoló a motorokban a forgómozgás követésére használt általános visszacsatoló eszköz.

Tegyük fel például, hogy egy külső erő kezd hatni a motor tengelyére, ami miatt az a kívánt sebességtől lelassul. A motor visszajelző jele jelzi a motor valódi fordulatszámát. A szervohajtás ekkor összehasonlítja a valós sebességet a célsebességgel, és a motornak nyújtott teljesítményt növeli a kompenzálás érdekében, amíg a motor el nem éri a megfelelő sebességet.

Ez ahhoz hasonló, mint amikor egy autóban a sebességtartó automatikát használjuk, és elindulunk egy emelkedőn felfelé. Anélkül, hogy bármihez is hozzányúlna, az autó számítógépe minden szükséges változtatást elvégez ahhoz, hogy az autó az emelkedő ellenére is ugyanolyan sebességgel haladjon. Egy szervohajtásnál mindez gyorsabban történik, mint ahogyan az ember érzékeli, másodpercenként több ezer beállítással.

A szervohajtás alapjai egy főiskolai szintű mérnökhallgatónak magyarázva

Rendben, okostojás, akarod a jó anyagot? Tessék.

Eddig úgy tekintettünk a szervohajtásokra, mint kis varázsdobozokra, amelyekben áram és vezetékek mennek ki és be. Tudjuk, hogy mit csinálnak, de azt nem, hogy hogyan csinálják. Nézzük meg, hogy mi is történik valójában a belsejükben.

Negatív visszacsatolási hurkok

A szervohajtásokat gyakran nevezik szervóerősítőknek, mert lényegében ez a feladatuk. Egy parancsjelet erősítenek. De a visszacsatoláson alapuló vezérlés kifejlesztése teszi őket kifinomultabbá és hasznosabb eszközökké.

Amint említettük, a szervohajtások visszacsatolási hurkokat használnak a hibák kijavítására.

A mozgásszabályozásban és a legtöbb más szabályozási folyamatban a hibákat negatív visszacsatolási hurkokkal korrigálják.

A negatív visszacsatolási hurokban a rendszer kimeneti jelét (a mért értékből) kivonjuk a rendszer referencia bemenetéből (a célértékből), hogy létrehozzuk az új bemeneti értéket (a hibajelet).

Nézze meg ezt az egyszerű blokkdiagramot.

Egyszerű negatív visszacsatolási hurok

Egy egyszerű negatív visszacsatolás.

Tegyük fel, hogy például a célérték 5, a mért érték pedig 3. A hibajel végül +2 lesz. Ha a célérték 5, a mért érték pedig 7, akkor a hibajel -2.

Ha tehát egy rendszer kimenete túl magas, a hibajel negatív lesz, és a rendszer negatív irányban reagál, hogy a kimenetet lecsökkentse. Ha a rendszer kimenete túl alacsony, a hibajel pozitív lesz, és a rendszer pozitív irányban fog reagálni, hogy a kimenetet feljebb vigye.

Ez a folyamat folyamatosan ciklikusan végigmegy, a hibát a lehető legközelebb tartva a nullához.

Ez a negatív visszajelzés alapvető fontosságú. Ha a visszacsatolás pozitív lenne (más szóval, ha a mért értéket hozzáadnánk a célértékhez ahelyett, hogy kivonnánk), akkor a túl gyorsan haladó rendszer még gyorsabb sebességgel kompenzálná, vagy a túl lassan haladó rendszer megállna, vagy végül visszafelé haladna.

Majdnem minden szervohajtó képes az áramhurok lezárására, de mások a sebességhurkot, sőt a pozícióhurkot is képesek lezárni. Ha egy rendszer olyan szervohajtóművel rendelkezik, amely csak az áramhurkot képes lezárni, de a gépnek a sebesség- és a pozícióhurkot is le kell zárnia, akkor ezeket a további hurkokat a vezérlőnek kell lezárnia.

Nyereségek

A hibajel átmegy a rendszer "erősítésén", azaz azon az erősítési lépésen, amely a rendszer bemenetét a rendszer kimenetének előállításához veszi. Egyes rendszerekben ez egy egyszerű arányos erősítés.

Gondoljunk erre úgy, mint egy mikrofon- és hangszóró-összeállításra. Beszélsz a mikrofonba, a hangod felerősödik. Ha egy 20 fős tömeg előtt beszélsz egy iskolai előadóteremben, akkor lehet, hogy csak egy kis erősítéssel kétszer vagy háromszor olyan hangosnak tűnsz, mint amilyen hangos valójában vagy. Ha azonban egy szabadtéri rendezvényen több száz fős tömeg előtt beszél, akkor sokkal nagyobb erősítésre lesz szüksége, hogy mindenki hallja, így a rendszer akár tízszeresére is hangosíthatja a hangját. Mindkét esetben minél hangosabban beszél a mikrofonba, annál hangosabb lesz a hang, ami kijön.

Servo Drive motor visszacsatolási hurok erősítésekkel

Egy alapvető visszacsatolási hurok egy szervohajtással ellátott mozgásszabályozó rendszerben. A szervohajtás összeállítja a hibajelet, majd "felerősíti" azt, hogy megkapja a szervohajtás kimenetét.

Tehát egy alkalmazás szervohajtásában lehet, hogy az arányos erősítési állandó 5 A/V, ahol 1V bemenet 5A kimenetet eredményez, 2V bemenet 10A kimenetet eredményez, stb.

Egy másik alkalmazásban lehet, hogy az arányos erősítési állandó 10 A/V, ahol 1V bemenet 10A kimenetet eredményez, 2V bemenet 20A kimenetet eredményez, stb.

PID szabályozás

Egyes folyamatok esetében az arányos erősítés elegendő a szabályozáshoz. A legtöbb folyamat esetében azonban, például a robotikában, pontosabb szabályozásra van szükség. Az egyik legelterjedtebb szabályozási séma az (arányos, integrált, derivált) szabályozás.

A PID-ben van egy arányos erősítés, amelyet megszorozunk a jelenlegi hibaértékkel, de van egy integrálerősítés, amelyet megszorozunk a hiba időbeli felhalmozódásával (integrál), és egy deriválterősítés, amelyet megszorozunk a hiba időbeli változásával (derivált). Ez szinte mindig sokkal pontosabb hibajavítást eredményez, csökkentve az olyan problémákat, mint a túllövés és az oszcilláció.

Servo Drive motor visszacsatolási hurok PID szabályozással

Egy alapvető visszacsatolási hurok egy PID-szabályozással ellátott szervohajtással rendelkező mozgásszabályozó rendszerben.

A szervohajtás alapjai a rendszertervező számára

Gratulálok, ha idáig eljutottál. Most nézzünk túl egy egyszerű vezérlő-meghajtó-motor kombináción, és nézzük meg, hogyan illeszkednek a szervohajtások egy teljes mozgásvezérlő rendszerbe.

Teljesítményszintek

Nem minden szervohajtás egyforma. Minden szervohajtás rendelkezik névleges üzemi feszültséggel, valamint maximális csúcs- és folyamatos áramértékkel. Bár sok előrelépés történt a teljesítménysűrűség növelése érdekében (különösen az utóbbi években a FlexPro meghajtócsaládunkkal), a nagyobb szervohajtások általában nagyobb teljesítményűek és alacsonyabb felbontású áramszabályozással rendelkeznek.

Talán egy 5 éves gyerek is megérti ezt, de csak a biztonság kedvéért, ne próbáljon meg egy apró 5 amperes motort egy terjedelmes 80 amperes szervohajtással működtetni, és ne próbáljon meg egy nehéz 80 amperes motort egy apró 5 amperes szervohajtással működtetni.

Alapszintű panelre szerelhető szervohajtómű

Panel szerelésű szervohajtómű

Formafaktor

A szervohajtások különböző formájúak és méretűek, egyesek jobban illeszkednek a különböző alkalmazásokhoz.

Panel szerelés

A panelbe szerelt szervohajtások fém alaplemezzel és műanyag vagy vékony fém burkolattal rendelkeznek, amely körülveszi a nyomtatott áramkört.

Az alaplemezen lévő lyukak vagy bevágások a meghajtók sík felületre történő rögzítésére szolgálnak csavarok vagy csavarok segítségével.

Ezek a szervohajtások hagyományos formái, amelyeket jellemzően gépekben használnak.

PCB szerelés

FlexPro szervohajtás

PCB szerelt szervómeghajtó

A NYÁK-ra szerelt szervohajtások tok és burkolat nélkül készülnek. Úgy tervezték őket, hogy közvetlenül egy másik áramköri lapra rögzíthetők legyenek csapok vagy forrasztás segítségével, hasonlóan ahhoz, ahogyan egy alalkatrészt rögzíthetünk.

Ezek nagyon kompaktak és megbízható csatlakozási lehetőséget kínálnak, de kevésbé védettek az elemektől. Ezeket gyakran használják mind a helyhez kötött, mind a mobil robotikában.

A NYÁK-ra szerelt meghajtókat néha egy szerelőlapra dugják, hogy hagyományosabb vezetékekkel és kábelekkel való csatlakozást kínáljanak, miközben megőrzik kompakt jellegüket. Ez megkímélheti a géptervezőt attól a fáradságtól, hogy a meghajtónak megfelelő pontos tűs csatlakozókkal ellátott nyomtatott áramkört tervezzen.

Járműbe szerelt szervohajtás

Járműtartó

A járműbe szerelt szervohajtásokat vastag műanyag burkolat és nehéz alaplemez zárja körül. Csavaros csatlakozófüleket használnak a nagy áramerősség lehetővé tételére. Ahogy a név is jelzi, ezeket mobil alkalmazásokban használják.

Formától függetlenül, teljesítmény szempontjából mindegyik ugyanúgy működik. A különbség inkább a különböző iparágak és alkalmazások könnyű telepíthetőségében rejlik.

Hálózatok

A robotok, mobil járművek, gépek és egyéb mozgásvezérlő rendszerek esetében nagy valószínűséggel egynél több tengelyen történik a mozgás. Ez egynél több motort jelent, ami általában egynél több szervohajtást jelent. A vezérlőnek mindezeknek a szervohajtásoknak el kell küldenie a parancsokat.

A vezérlő kétféleképpen kezelheti ezt. Analóg szervohajtások esetén központi vezérlési rendszerre van szükség, ahol a vezérlő minden egyes szervohajtáshoz külön-külön csatlakozik.

Géphálózat szervohajtások

A szervohajtások hálózatba kapcsolása leegyszerűsíti a kábelezést. Az adatok és a parancsok egyetlen hálózati buszon keresztül áramolhatnak az egyes csomópontokhoz, így a vezérlőnek nincs szüksége közvetlen kapcsolatra mindegyikhez.

A digitális szervohajtások esetében azonban a hálózat használatával lehetővé válik az elosztott vezérlés. A hálózat összekapcsolja a szervohajtásokat. A hálózaton keresztül üzeneteket vagy adatcsomagokat lehet küldeni, és a szervohajtások válaszolnak a nekik címzett adatokra.

Számos különböző hálózati protokoll létezik. Az olyan valós idejű hálózatok, mint az EtherCAT vagy az EtherNet/IP hihetetlenül gyors válaszidőt tesznek lehetővé, a frissítéseket kevesebb mint egy milliszekundum alatt küldik el. Más hálózatok, mint például a CANopen vagy a ModBus nem ilyen gyorsak, de egyszerűbb és olcsóbb a megvalósításuk.

Minden ADVANCED A Motion Controls digitális szervohajtás modellje egy adott hálózati protokollhoz van tervezve, számos opcióval, többek között vámokkal.

 

Egyéb motortípusok

Ahogy a mobiltelefonok is messze túlnőttek a telefonáláson, úgy a szervohajtások is sokkal többre képesek manapság, mint a szervomotorok működtetése.

A standard kefés és kefe nélküli szervomotorok mellett a szervohajtások lineáris motorok, két- és háromfázisú léptetőmotorok, váltakozó áramú indukciós motorok, hangtekercsek és egyéb motorok vezérlésére is használhatók.

Lineáris motor diagram

A lineáris motor elektromosan analóg egy "feltekert" kefe nélküli szervomotorral, így könnyen vezérelhető digitális szervohajtásokkal.

Még ha a rendszer többféle motortípussal rendelkezik is, nagyon valószínű, hogy mindegyiket ugyanazzal vagy hasonló szervohajtás-típusokkal vezérelheti, ami leegyszerűsíti a tervezést.

I/O

Az I/O (Input/Output) funkciókat a digitális szervohajtásokban arra használják, hogy lehetővé tegyék számukra a magas/alacsony jelek cseréjét a rendszer más eszközeivel. Ezek az eszközök lehetnek hőmérséklet-érzékelők, végálláskapcsolók, nyomásérzékelők vagy akár más szervohajtások.

Az I/O használata kiválóan alkalmas arra, hogy a szervohajtás egyszerű funkciókat vezérelhessen a gépen, és tehermentesítse a vezérlőt és/vagy a hálózatot.

Elkülönítés

Vagy a szervohajtásoknak, vagy a tápegységnek elektromos szigetelésre van szüksége. Ellenkező esetben előfordulhat, hogy a végén egy lebegő földelés lesz, amely végül megsüti a szervohajtásokat és a rendszer más alkatrészeit. Vagy beépített optikai leválasztással rendelkező szervohajtókra, vagy leválasztó transzformátorral ellátott tápegységekre van szüksége. Ez alól a szabály alól kivételt képeznek az akkumulátoros rendszerek és a közvetlenül váltakozó áramú tápellátásra tervezett szervohajtásokat tartalmazó rendszerek.

Bónusz: Szervohajtás alapjai filozófusoknak

Ha a szervohajtás egy olyan eszköz, amely áramot és feszültséget ad egy motornak, akkor ha leválasztja a rendszerről, akkor is szervohajtás marad?

 

Jackson McKay, marketing mérnök

Ez is érdekelheti Önt...

Tech_Motion-Control_overview
Mozgásvezérlés áttekintése
6 menő szervohajtómű funkció, amiről talán nem is tudott
6 menő szervohajtómű funkció, amiről talán nem is tudsz
Kefe nélküli motor
Háromfázisú (kefe nélküli) motor
mikor van szüksége egy egyedi szervohajtóművel ellátott dombornyomott képre
Mikor érdemes egyedi szervohajtóművet beszerezni?
Sebesség üzemmód információs mező
Sebesség üzemmód