Áttekintés

Mozgásvezérlés áttekintése

Mi az a szervó?

A szervovezérlést, amelyet "mozgásvezérlésnek" vagy "robotikának" is neveznek, ipari folyamatokban használják egy adott terhelés szabályozott módon történő mozgatására. Ezek a rendszerek használhatnak pneumatikus, hidraulikus vagy elektromechanikus működtetési technológiát. Az aktuátor típusának (azaz a teher mozgatásához szükséges energiát biztosító eszköznek) a kiválasztása a teljesítmény, a sebesség, a pontosság és a költségigény alapján történik. Az elektromechanikus rendszereket jellemzően nagy pontosságú, kis és közepes teljesítményű, valamint nagy sebességű alkalmazásokban használják. Ezek a rendszerek rugalmasak, hatékonyak és költséghatékonyak. Az elektromechanikus rendszerekben használt aktuátorok a motorok. Elektromágneses mezők kölcsönhatása révén energiát termelnek. Ezek a motorok forgó vagy lineáris mozgást biztosítanak. Az alábbiakban egy tipikus szervorendszer grafikus ábrázolása látható:

Az ilyen típusú rendszer egy visszacsatolt rendszer, amelyet a pozíció, a sebesség és/vagy a gyorsulás szabályozására használnak. A vezérlő tartalmazza a kívánt hurok (jellemzően pozíció vagy sebesség) bezárására szolgáló algoritmusokat, valamint kezeli a gép interfészét a bemenetekkel/kimenetekkel, terminálokkal stb. kapcsolatban. A meghajtó vagy erősítő zárja a belső hurok(oka)t (jellemzően sebesség vagy áram), és képviseli az elektromos teljesítmény átalakítót, amely a vezérlő referencia jeleinek megfelelően hajtja a motort. A motor lehet kefés vagy kefe nélküli, forgó vagy lineáris típusú. A motor a tényleges elektromágneses működtető, amely a terhelés mozgatásához szükséges erőket generálja. A motorra és/vagy a terhelésre olyan visszacsatoló elemeket szerelnek, mint a tachométerek, lvdt-k, encoderek és reszolverek, a különböző szervohurkok lezárása érdekében.

ADVANCED A Motion Controls szervohajtásokat és erősítőket tervez és gyárt szervorendszerekben való használatra. A szervohajtásokat és erősítőket széles körben használják a mozgásvezérlő rendszerekben, ahol a pozíció és/vagy a sebesség pontos szabályozására van szükség. A meghajtó/erősítő egyszerűen átalakítja a vezérlőből érkező alacsony energiájú referenciajeleket nagy energiájú jelekké, hogy a motor feszültségét és áramát biztosítsa. Bizonyos esetekben a digitális meghajtó használata helyettesíti a vezérlő/hajtómű vagy a vezérlő/erősítő vezérlőrendszert. A parancsjelek vagy a motor nyomatékát, sebességét vagy helyzetét jelentik, és lehetnek analóg vagy digitális jellegűek. Az analóg +/-10 VDC parancs még mindig a legelterjedtebb referenciajel, de gyorsan átadja helyét a digitális hálózati parancsoknak.

Vezérlő

A vezérlő a szervorendszer "agya". Felelős a mozgáspályák létrehozásáért és a külső környezet változásaira való reagálásért. A vezérlők lehetnek olyan egyszerűek, mint egy ON/OFF kapcsoló vagy egy kezelő által vezérelt tárcsa. Lehetnek olyan összetettek is, mint egy számítógép, amely képes több szervo tengely aktív vezérlésére, valamint az I/O felügyeletére és a gép teljes programozásának fenntartására.

Általában a vezérlő jelet küld a meghajtónak; a meghajtó áramot ad a motornak; és a motor visszajelzései visszakerülnek a vezérlőhöz és a meghajtóhoz. A terhelésről érkező visszajelzés szintén a vezérlőhöz kerül. A vezérlő elemzi a visszajelzést, és az erősítőnek küldött jel frissítésével korrigálja a hibákat. A vezérlő a szervó intelligens részének tekinthető, amely a sebesség- és/vagy pozícióhurkokat zárja, míg az erősítő az áramhurkot zárja. Sok erősítő azonban bezárja a sebesség- és/vagy pozícióhurkokat, csökkentve a vezérlő számítási igényeit.

A vezérlők fizikai formái

A vezérlők különböző formájúak, amelyeket az emberek a költségek, a teljesítmény, a kényelem és a könnyű használat alapján választanak. A legtöbb vezérlő a mikrokontrollerek, PLC-k és mozgásvezérlők kategóriájába tartozik. Az alábbiakban mindegyiket ismertetjük.

Mikrokontrollerek

Ez egy kis méretű és alacsony költségű számítógép-típus, amely nem-illékony memóriában tárolt programot futtat. A mikrokontroller konfigurálása egy rendszerhez általában tapasztalt programozót igényel, és az olyan ciklusok, mint a pozíció és a sebesség lezárása meglehetősen nehéz lehet. Gyakran előfordul, hogy amikor valaki mikrokontrollert használó szervorendszert tervez, az erősítővel/hajtóművel zárja be a kívánt hurkokat, míg a mikrokontroller egyszerűen bizonyos parancsokat küld vissza az erősítőnek. Ezek a parancsok függhetnek a mikrokontroller bemeneteitől (érzékelők, kapcsolók stb.).

PLC-k

Az 1960-as évek végén kezdték el használni a programozható logikai vezérlőket (PLC-k), hogy megszüntessék a szekvenciális reléáramkörökkel járó kábelzavart és a hibaelhárítással járó rémálmokat. A PLC-k átvehetik a korlátozott élettartamú mechanikus relék helyét. Ezek a vezérlők drágábbak, mint a mikrokontrollerek, de jó okkal.

A PLC-k processzorral és memóriával rendelkeznek, amelyek lehetővé teszik a parancsok programozását, mentését és végrehajtását. A PLC-nek van egy állványa és I/O-helyei is, hogy szükség szerint I/O-modulokat lehessen hozzáadni a PLC-hez. A modulok olyan funkciókat adhatnak hozzá, mint a nagysebességű számlálók, valós idejű órák vagy szervovezérlési képességek.

A PLC-k előnyei közé tartozik a bővíthetőség és a zord környezetnek való ellenállás. Az ár általában alacsonyabb, mint a mozgásvezérlőké.

Mozgásvezérlők

A mozgásvezérlők kifejezetten a mozgás vezérlésére készülnek (innen a név). Ezért a parancsok és az I/O a mozgásiparban dolgozók igényeihez igazodnak. A többivel ellentétben a mozgásvezérlők gyakran PC-alapúak, lehetővé téve a grafikus felhasználói felület használatát. Általában fejlett funkciókkal rendelkeznek, amelyek lehetővé teszik a könnyű hangolást, a kommutációérzékelést és egyéb funkciókat. Egy mozgásvezérlő általában könnyebbé teszi az életét, mint egy PLC vagy mikrokontroller. A hozzáadott funkciók miatt általában drágábbak.

Parancs

A parancs az a jel, amelyet a vezérlő küld a szervohajtásnak.

A digitális szervohajtások különböző hálózatokon keresztül vezérelhetők, beleértve a CANopen, Ethernet, EtherCAT, Ethernet Powerlink, Synqnet, USB, RS232 és még sok más hálózatot, amelyek lehetővé teszik a motor vezérlését az erősítő közvetlen (vagy majdnem közvetlen) számítógéphez való csatlakoztatásával. A hálózati jelek előnye, hogy a kimeneti parancsnál többet is képesek kommunikálni, beleértve az I/O állapotot, a meghajtó állapotát, a pozícióinformációkat és még sok mást.

Az analóg szervohajtásokat +/-10V-os analóg jelekkel és PWM és irányjelekkel vezérlik.

Hajtómű

A szervohajtómű a kapcsolat a vezérlő és a motor között. A szervóerősítőknek is nevezik őket, feladatuk a vezérlőből érkező alacsony energiájú referenciajelek átalakítása a motornak küldött nagy energiájú teljesítményjelekké. Eredetileg a meghajtók egyszerűen a teljesítményfokozatot jelentették, amely lehetővé tette, hogy a vezérlő meghajtja a motort. Kezdetben egyetlen kvadránsból álló modellek voltak, amelyek kefés motorokat hajtottak meg. Később beépítették a négy kvadránsos képességeket és a kefe nélküli motorok meghajtásának képességét. A négy kvadráns azt jelenti, hogy a motor mindkét irányban képes meghajtani és regenerálni a motort.

A jelenlegi tendencia az, hogy a meghajtókhoz egyre több funkciót és képességet adnak hozzá. Ma már elvárható, hogy a meghajtók kezeljék a rendszer összes visszajelzését, beleértve az enkódereket, a rezolvereket és a tachométereket, valamint a végálláskapcsolókat és más érzékelőket. A meghajtóknak a nyomatékhurok, a sebességhurok és a pozícióhurok lezárását is meg kell oldaniuk, és az útgenerálással kapcsolatos feladatokat is át kell adniuk. Ahogy a vezérlő és a meghajtó közötti határvonal elmosódik, a meghajtó átvesz számos olyan összetettebb vezérlési funkciót, amely korábban kizárólag a vezérlő feladata volt.

A hajtástechnológia jövője továbbra is a mozgásvezérlő ipar igényeire fog épülni. Ezek az igények a következők:

• Nagyobb sávszélesség a termelési teljesítmény növeléséhez
• Fokozott sebesség- és pozíciószabályozás a bonyolultabb és miniatürizáltabb gyártás érdekében
• Fokozott hálózati képesség a gépen belüli tengelyek és a gyáron belüli gépek szoros koordinációjára
• Egyszerűsített, felhasználóbarát és univerzális működés

Motor

A motor a meghajtótól érkező áramot és feszültséget mechanikus mozgássá alakítja. A legtöbb motor forgó típusú, de lineáris motorok is kaphatók. Számos motortípus létezik, amelyek szervoalkalmazásokban használhatók.

Az alábbi motorok típusainak listája gyakran megtalálható szervoalkalmazásokban.

Egyfázisú

Az egyfázisú motorok két tápkábellel rendelkeznek, és nagyon könnyen beállíthatók. Az ebbe a kategóriába tartozó motorok közé tartozhatnak kefés motorok, induktív terhelések és hangtekercsek. A kefés motorokhoz tervezett erősítőket általában egyfázisú terhelések meghajtására használják, bár a legtöbb AMC háromfázisú meghajtó ezeket a motorokat is képes működtetni.

Kefe

A leggyakoribb egyfázisú motor. A kefék egyfajta mechanikus kommutáció, amely az áramot a megfelelő időben a megfelelő tekercsekbe irányítja.

Lineáris működtető

A lineáris működtetők egy lineáris tengely ki- és bemozgatására egy fogaskerékkel összekapcsolt forgó motort használnak. A működtetőmotor gyakran kefés motor.

Hangtekercs

A hangtekercs koncepcionálisan hasonló egy hangszóróhoz. A mozgás lineáris, és általában kevesebb mint 13 mm (0,5") mozgásra korlátozódik. Számos hangtekercs-alkalmazás nagy teljesítményű szervohajtást igényel és ADVANCED A Motion Controls gyakran az első választás.

Mágneses csapágy

A mágneses csapágyak egy forgó tengelyt egy szervókkal vezérelt mágneses párnán lebegtetnek. Ezeket akkor használják, ha alacsony súrlódásra van szükség, vagy ha a tengely sebessége túl nagy a hagyományos csapágyakhoz. A mágneses csapágyak elektromágneseket használnak a forgó tengely lebegtetésére, így fizikailag semmi sem érinti azt. Egy tipikus mágneses csapágyrendszerhez 4 vagy 5 meghajtóra van szükség - egy x és egy y a forgó tengely mindkét oldalán, valamint egy opcionális tolócsapágyra, hogy a tengely ne lebegjen befelé és kifelé. A meghajtókkal szemben támasztott teljesítménykövetelmények a rendszer dinamikus jellege miatt rendkívül magasak lehetnek.

Induktív terhelés

Az induktív terhelést gyakran használják az egyetemek és a tudósok, hogy mágneses mezőket hozzanak létre kísérleteikhez. ADVANCED A Motion Controls meghajtók sikeresen szabályozták a 80uH-nál kisebb induktivitású induktív terheket az 1H (1 000 000uH) induktivitást meghaladó induktivitásig. A nagy induktorban tárolt energiával kapcsolatban speciális megfontolások vannak, és műszaki támogatási részlegünk szívesen megvitatja ezeket az Ön projektjével kapcsolatban.

Három fázis

Kefe nélküli forgó

Az állandó mágneses kefe nélküli szervomotorok nagyobb teljesítménysűrűséggel rendelkeznek, jobb a hőelvezetésük és kevesebb karbantartást igényelnek, mint a kefés motorok. A kefe nélküli motorok beállítása a megnövekedett kábelezés miatt kissé nehezebb lehet, ezért digitális termékcsaládunk az automatizált kommutációs folyamat révén megkönnyíti a dolgokat.

Lineáris

A lineáris motor felépítése megegyezik a forgómotoréval, de felnyitva és ellapítva. A lineáris motor meghajtásának konfigurálása megegyezik a forgó motor meghajtásának konfigurálásával. A lineáris motorokat olyan közvetlen meghajtású alkalmazásokban használják, ahol a sebesség- és pontossági követelmények nagyobbak, mint amit egy forgó motor és egy golyóscsavar biztosítani tud.

Terhelési megfontolások

A terhelési szempontok között figyelembe kell venni a mozgatott tárgyat, a gép mozgó alkatrészeit és mindent, ami nem kívánt instabilitást okozhat, mint például a tengelykapcsolók és a holtjáték. A gépben lévő mozgó alkatrészek össztömege mindegyike rendelkezik tehetetlenségi tényezővel, amely visszahat a motorra. A súrlódási pontok, például a lineáris fokozatok és csapágyak súrlódási pontjai növelik a motor terhelését. A rugalmas tengelykapcsolók rezonanciákat adnak hozzá, amelyeket figyelembe kell venni.

Visszajelzés

A modern vezérlőrendszerekben visszacsatoló eszközöket használnak annak biztosítására, hogy a motor vagy a terhelés elérje a parancsolt pozíciót vagy sebességet. A szervóerősítők és -vezérlők ezt a visszajelzést használják arra, hogy meghatározzák, mekkora áramot kell adni a motornak a pillanatnyi helyzet és sebesség alapján, szemben azzal, hogy hol kell lennie. A visszacsatolásnak két fő típusa van, az abszolút és a relatív (más néven "inkrementális").

Abszolút visszajelzés

Az abszolút eszközök a bekapcsoláskor (azaz a helymeghatározási rutin nélkül) egy meghatározott tartományon belül végleges pozíciót biztosítanak.

Relatív visszajelzés (inkrementális)

Ezek az eszközök csak inkrementális pozíciófrissítést biztosítanak. A motor vagy a terhelés helyzetének megismeréséhez inkrementális visszajelzést kell használni valamilyen abszolút visszajelzéssel (például végálláskapcsolóval) együtt a kiindulási helyzet meghatározásához. Ha a kezdeti pozíció ismert, a relatív visszajelzés a teljes mozgástartományban képes pozícióinformációt szolgáltatni.

A visszajelzés e két általános típusán belül számos különböző visszajelző eszköz létezik. Az alábbiakban bemutatunk néhányat a mozgásszabályozásban leggyakrabban használt eszközök közül.

Visszajelzés típusok

Kvadratúra kódoló

A mozgásvezérlésben a legelterjedtebb helyzet-visszacsatoló eszköz a jeladó. A lineáris enkóderek felbontása szubmikronos, a forgó enkóderek felbontása pedig meghaladhatja a 100 000 fordulatonkénti számolást. Ezek relatív visszajelző eszközök.

Szinuszos kódoló

A szinuszos kódolók szinuszos hullámokat használnak a kvadratúrás kódolókban látható négyszöghullámok helyett. Ez lehetővé teszi a köztes kódolószámok több mint 1024-szeres interpolálását. Felbontásonként 4 millió felbontás feletti felbontás lehetséges. Ezek relatív visszacsatolású eszközök.

Abszolút szinuszos kódoló

Ezek ugyanazokat a szinuszos kódolókat használják, mint a fentiekben, egy mechanikus eszközzel vagy elektromos áramkörrel kiegészítve, amely sok ezer fordulaton keresztül képes fenntartani az abszolút helyzetinformációt. Ezek az eszközök a helyzetinformációt soros protokollon keresztül továbbítják, mint például: Hiperface^®, EnDat^® és BiSS.

Hall érzékelők

Ez egy alacsony felbontású visszacsatolás, amely gyakran szükséges a kommutációs vezérléshez. Nagyobb sebességeknél sebesség-visszacsatolásra is használható. Ezek 6 egységnyi abszolút visszacsatolást biztosítanak minden egyes elektromos cikluson belül.

Resolver

A rezolver lényegében egy forgótranszformátor. Ez a visszacsatolás 16 bit feletti felbontásra képes. A reszolverek a magas hőmérsékletű és nagy vibrációs környezetben a legmegfelelőbb visszacsatolás. Ezek egy fordulaton belül abszolút visszajelzést biztosítanak.

Mozgás profilok

Minden szervorendszer célja valamilyen teher mozgatása. A teher mozgatásának módját mozgásprofilnak nevezzük. A mozgásprofil lehet olyan egyszerű, mint az A pontból B pontba történő mozgás egyetlen tengelyen, vagy lehet olyan összetett mozgás, amelyben több tengelynek kell pontosan összehangoltan mozognia. Egy példaprofil az 1. ábrán látható. A megtett teljes távolságot, D-t, a görbe alatti terület kiszámításával találjuk meg. T a mozgáshoz szükséges teljes idő. A sebességgörbe meredeksége a gyorsulást vagy lassulást jelzi az adott pillanatban. A szervovezérlő rendszerekben többféle mozgásprofil létezik. A leggyakrabban használtak a következők Állandó sebesség, Trapéz alakú, és S-görbe mozgásprofilok.

Amit nem szabad elfelejteni:

• 1/T-vel arányos sebesség
• 1/T-vel arányos gyorsulás²
• 1/T-vel arányos teljesítmény (csúcs)³

Az utolsó pont következményei mélyrehatóak. Ha például van egy meglévő rendszere, és azt szeretné, hogy a mozgások kétszer olyan gyorsan történjenek, akkor a rendszer 8-szor nagyobb teljesítményt igényel!

Állandó sebesség

Ez a mozgásprofil állandó sebességet tart fenn a pontok között (lásd a 2a. ábrát). Ez a legalapvetőbb mozgásprofil, mivel csak egy sebességparancsot használ.

Az állandó sebességet például egy szállítószalagnál vagy ventilátornál használnák.

A precíziós pozicionáló gépek nem használják az állandó sebességprofilt, mivel egy valós gép nem tudja azonnal megváltoztatni a sebességet. Lesz egy időbeli késleltetés, amely a terhelés és a rendszer változásaival ingadozik. A 2B ábrán a szaggatott vonal a terhelés tényleges sebességpályáját jelöli. Ta és Td a gyorsításhoz és lassításhoz szükséges időt jelöli. Ezek az idők a terhelés ingadozásával változhatnak.

Trapéz alakú

A trapéz alakú mozgásprofil a sebességgörbét lejtőre állítja, hogy kiszámítható gyorsulási és lassulási sebességet hozzon létre. A trapéz alakú mozgásprofil a 3. ábrán látható. A gyorsítás és lassítás ideje pontos és megismételhető. A Ta és a Td még mindig létezik, de ezek már meghatározott értékek a véletlenszerű értékek helyett.

• Ha ta = td = T/3 trapéz alakú mozgási profil esetén a felhasznált összteljesítmény a minimális
• A túllövési hiba még mindig fennáll a trapéz alakú mozgás esetén, de ez a hiba sok rendszer esetében elhanyagolható.
• A nagyobb pontosságú gépek más mozgásprofilt igényelnek.

S-görbe

Az S-görbe mozgásprofil lehetővé teszi a gyorsulás fokozatos változását. Ez segít csökkenteni vagy kiküszöbölni a túllendülés okozta problémákat, és az eredmény az, hogy a rendszer sokkal kevesebb mechanikai rezgést érzékel. A minimális gyorsulási pontok a gyorsulási időszak elején és végén, míg a maximális gyorsulás e két pont között következik be. Ez gyors, pontos és egyenletes mozgásprofilt eredményez.

Nyomaték- és teljesítményszámítások

A sebességprofilból kiindulva a nyomatékprofil a sebesség deriváltjával származtatható. A sebességprofil pozitív meredeksége pozitív nyomatékot, negatív meredeksége pedig negatív nyomatékot jelent. A meredekség meredeksége megfelel a nyomaték nagyságának.

Ezután a teljesítménygörbe a sebességgörbe és a nyomatékgörbe szorzatából (nyomaték x fordulatszám = teljesítmény) származtatható.

A rendszer tervezése

Az e három profilban található információk képezik a rendszertervezés alapját.

• A sebesség- és nyomatékprofilok alapján leszűkítheti a motorválasztékot azokra a modellekre, amelyek képesek a szükséges nyomatékot és sebességet biztosítani.
  • A motor adatai alapján (Kt - nyomatékállandó, Kv - feszültségállandó, Rm motorellenállás) meghatározhatja a rendszer áram- és feszültségigényét.
    • A csúcsnyomatékból kiszámítható a csúcsáram (I). I = T / Kt
    • A csúcssebességből kiszámítható a csúcsfeszültség (V). V = Sebesség * Kv + I * Rm
• Ha az áram- és feszültségigény ismert, akkor kiválaszthatja a szervohajtást.

További egyenletek

• A nyomaték arányos az árammal.
• Nyomaték*sebesség = teljesítmény
• KT =nyomatékállandó (lb-in/A)
• Az effektív nyomaték fontos az ellátási és termikus megfontolások szempontjából.