Történelem

1700's

Általánosan elfogadott, hogy az ipari forradalom kezdete 1760 körül kezdődött. Természetesen ez attól függ, hogy melyik hivatkozási alapot használják. Végső soron az ismétlődő feladatok automatizálására való törekvés nagyjából akkor kezdődött, amikor az emberek. Az ipari forradalom "vége" állítólag körülbelül 100 évvel ezelőtt következett be, bár ha ma körülnézünk, aligha tűnik úgy, hogy vége lenne. Az ipar és az automatizálás mai szintje könnyedén felülmúlja a korai feltalálók álmait. Azok a feltalálók, akik az 1700-as és 1800-as évek folyamán előrelépéseket hoztak a géptechnológiában, és előkészítették a mai mozgásvezérlő ipar létrejöttét.

1800's

Mozgásvezérlés nem létezett, és az automatizálás nyers motorok formájában történt, szíjjal és csigás meghajtással. Egy ipari épület energiaellátásához egy nagy vízkerékre volt szükség a szabadban vagy a pincében lévő gőzgépre.

Általában az alagsorban lévő gőzgépből egy függőleges hajtás futott végig az épületen, amely az egyes emeletekre mechanikus energiát továbbított. Az emelet szintjén egy sebességváltó alakította át az energiát a függőleges hajtásvonatról egy vízszintes vonatra, amely az emeleten átível.

Minden olyan részleg, amelynek mechanikus teljesítményre volt szüksége, kuplungos mechanizmussal csatlakozott a fővonalhoz. A varrógépkezelők például lábkapcsolót használtak az egyes varrógépek áramforráshoz való csatlakoztatásához.

1900's

A mérnökök az 1800-as évek végének lendületét arra használták fel, hogy elektromos meghajtású készülékeket hozzanak a fogyasztók számára. Az 1870-es években Edison találmánya, az egyenáramú generátor, az 1880-as években a közvilágítás és Tesla váltóáramú motorja, valamint az 1890-es években az első elektromos kézi fúrógép 1915 körül adta meg az utat az elektromos mosógépeknek és hűtőszekrényeknek. Henry Ford ekkoriban még csak nemrég valósította meg a mobil gyártósorokat, ahol az alkatrészeket szabványosították, és a gyárak hatékonysága az egekbe szökött.

A visszajelzés felfedezése

1927-ben Harold Black forradalmasította a hírközlést a negatív visszacsatolás koncepciójával az erősítőkben. Nem ő volt azonban az első, aki visszacsatolási hurkot zárt, hiszen a termosztátok és a kemencék már az 1800-as évek vége óta visszacsatolással szabályozták a helyiség hőmérsékletét. James Watt már korábban is dolgozott egy mechanikus visszacsatolási hurokon a gőzgépéhez. A történethez hasonlóan Harold Black egy este, munkából hazafelé menet megvilágosodott, hogy az erősítő kimenetének egy részét a bemenetre visszatáplálva jelentősen csökkentheti a jel torzítását. Nem sokkal Black felfedezése után, az 1930-as években megjelentek az első pneumatikus mozgásvezérlő termékek, amelyek zárt hurokszabályozáshoz visszacsatolást alkalmaztak.

Ekkoriban az arányos-integrál-derivált (PID) vezérlés a világ nagy része számára még csak most jelent meg tudatos gondolatként. J. C. Maxwell 1886-ban részletes matematikai elemzést írt a PID-ről, de körülbelül 50 évbe telt, amíg a PID-hangolást szándékosan alkalmazó termékek megérkeztek. A 40-es és 50-es években kezdődött a PID-szabályozás jelentős fejlődése. Az emberek végre felismerték a matematikai elemzés fontosságát, és elkezdték az irányításelméletet mint tudományt fejleszteni. Ez természetesen a PID-szabályozás nagyon kezdetleges időszaka volt.

Az 50-es, 60-as és 70-es években az űrrepülés és a háború segített az optimalizált vezérlési algoritmusok kifejlesztésére irányuló erőfeszítéseknek. A szilárdtest-eszközök és a motortechnológia a 60-as években olyan szintre fejlődött, hogy a PID-szabályozás átkerült a mikrokontrollerekbe. A különböző fejlesztések és optimalizálások az 1970-es évek végéig folytatódtak, amikor a PWM (pulzusszélesség-modulációs) kapcsolási technológia és a kefe nélküli állandó mágneses motorok megjelentek. A mozgásvezérlés azóta sem volt ugyanolyan.

Digitális mozgásvezérlés

Az elmúlt 20 év során a DSP, a hálózatépítés és a PWM kapcsolási technológia exponenciálisan növelte a zárt hurkú mozgásszabályozás használatát. Az erősítőkben és tápegységekben alkalmazott PWM kapcsolási technológia lehetővé tette a nagy hatékonyságú, alacsony hőterhelésű teljesítményátvitelt. Néhány év alatt egy 2 kW-os motorerősítő mérete 100 fontról vagy annál is több kilóról olyanra zsugorodott, amelyet kézben lehet vinni és egy panelre csavarozni.

1990 körül a DSP-alapú mozgásvezérlő termékek elkezdték lehetővé tenni a kifinomult mozgásprofilkészítést és a soros hálózatokon keresztüli digitális kommunikációt. A technológia ilyen gyors változásai miatt a mozgásvezérlő termékek szabványosítása megszakadt. Az olyan hálózati protokollok, mint a Profibus (1989), a DeviceNet (1994) és a Smart Distributed Systems (1994) például megpróbálták átvenni a Control Area Network (CAN) piacát. Az egyik első hálózat, a CAN a 80-as évek közepe óta létezett az autóipari kommunikációban; olyan sokoldalúnak bizonyult, hogy a 90-es években az automatizálás világába is bekerült. A Sercos a 90-es évek elején jelent meg, saját hardverréteget használva, száloptikai átviteli vonalakkal, míg más szabadalmaztatott hálózatok RS-485 hardverréteget használva érkeztek.

Ma az iparág messze nem szabványosított, hiszen az intelligens mozgásvezérlő kártyák, szervóerősítők, motorok, visszacsatoló eszközök és mechanikus összeköttetések hihetetlenül széles választékban állnak rendelkezésre. Lásd a "Motion Control Today" című részt, ahol röviden tájékoztatjuk mindezen lehetőségekről.

Jelen van:

Ma már sokféle lehetőség van egy rendszer összeállításakor. Elméletileg az ideális rendszer a legjobb hálózat, a legjobb vezérlő, a legjobb szervohajtás, a legjobb motor és a legjobb visszajelzés összepárosításával hozható létre. Ezt az álmot azonban gyakran nehéz megvalósítani az átjárhatósági problémák miatt. Ennek oka az, hogy a mozgásvezérlő berendezések gyártói hajlamosak saját, szabadalmaztatott rendszereiket kifejleszteni, amelyek a felhasználókat az adott gyártó által gyártott hardverekre korlátozzák. Sokszor a felhasználók a csomagolt megoldásokat megfelelőnek találják a feladathoz, de gyakran a felhasználó nem a lehető legjobb teljesítményt kapja. A kényelem és a teljesítmény között kompromisszumot kell kötni.

A mozgásvezérlő rendszerek tervezői egyre inkább igénylik a nyílt szabványos megoldások elérhetőségét. A nyílt szabványokon alapuló rendszerek lehetővé teszik a mérnökök számára, hogy a költség/teljesítmény igényeiknek megfelelő alkatrészeket keressenek, és reálisabbá teszik a kritikus alkatrészek másodlagos beszerzését. A CANopent kifejezetten a mozgásvezérléshez fejlesztették ki, és gyakran választják a hálózatot, mivel a mozgásvezérlésben bizonyítottan megbízható és nyílt szabvány. Az Ethernet Power Link (EPL) a CANopen Ethernet kiterjesztése, amely kihasználja az Ethernet nagy csatlakozási sebességét, miközben megőrzi a CANopen robusztus kommunikációs képességeit. Az ilyen nyílt hálózati szabványok segítenek a mozgásvezérlő rendszerek fejlesztését a teljesítmény és a kényelem következő szintjére emelni. A mozgásvezérlés jövője a rendszerkomponensek jobb integrációját, valamint az egyszerűbb integrációt és programozást fogja jelenteni.

Vezérlő

A mozgásvezérlők intelligenciát biztosítanak a gép mozgásához. Ezek lehetnek önálló vagy közvetlenül a számítógépbe szerelhető PCI-kártyák. Az olyan funkciók, mint a pályagenerálás, az S-görbe profilalkotás, a kompenzáció, az aluláteresztő szűrők, a notch-szűrők és más algoritmusok segítségével minden eddiginél könnyebb a szigorúan szabályozott profilok elérése. A mozgásvezérlők egy- vagy többtengelyes gépeket vezérelhetnek elosztott vagy központosított hálózatokkal. A CAN és a 100Base-T a legelterjedtebb hálózati rétegek. Ezek a hálózati megoldások népszerűek, de a piac nagy részét még mindig a szabványos analóg és impulzus/irányú parancsforrások teszik ki, amelyek gyakorlatilag minden mozgásvezérlő kártyán elérhetők. A mozgásvezérlők általában egy erősítőhöz vagy "szervo meghajtóhoz" csatlakoznak, amely a motor és a vezérlő között helyezkedik el.

Hajtómű

A szervohajtások és a mozgásvezérlők közötti határvonal kezd elmosódni, mivel a szervohajtások olyan funkciókat kapnak, amelyekkel korábban csak a mozgásvezérlők rendelkeztek. Egyre több meghajtóban találhatóak bonyolult vezérlőhurkok. Ez azért jó, mert így a mozgásvezérlő nagyobb mozgásteret kap a magasabb szintű algoritmusok számára. Míg a szervorendszerek nagy százalékát az analóg meghajtók teszik ki, a digitális meghajtók egyre vonzóbbak a programozható I/O és a sok szoftveresen konfigurálható funkció miatt. A digitális meghajtás egyik előnye, hogy a digitális szervohajtás teljes funkcionalitása egy egyszerű firmware letöltéssel megváltoztatható, így az új funkciókkal történő helyszíni frissítés gyorsan és egyszerűen elvégezhető.

Motor

A motorok bármilyen méretűek és alakúak lehetnek, különböző vezérlési sémákkal. A robbanásbiztos motorok népszerűek az illékony környezetben, a keret nélküli motorok pedig szoros integrációt tesznek lehetővé. A gyógyszeripar és az italipar "lemosható" motorokat használ olyan speciális alkalmazásokhoz, ahol a motort rendszeresen nyomás alatt kell mosni. A motorgyártók bármilyen specifikációjú motort létrehozhatnak, beleértve a méretet, súlyt, alakot, nyomatékot, fordulatszámot, motorállandót és még sok mást. Számos motortípus közül lehet választani, többek között: léptetőmotorok, egy- és háromfázisú váltakozó áramú indukciós motorok, állandó mágneses kefe nélküli motorok, állandó mágneses kefés motorok és lineáris kefe nélküli motorok. Ahhoz, hogy valamelyik motor pozícióját vagy sebességét szabályozni lehessen, megfelelő visszacsatoló eszközökre van szükség.

Visszajelzés

Van néhány szabványos visszajelző eszköz, amelyek a legtöbb alkalmazásban működnek. Ezek közé tartoznak a tachométerek, inkrementális encoderek, abszolút encoderek, rezolverek, analóg potenciométerek és Halls. Míg az összes említett eszköz vagy digitális TTL szintű impulzusokat vagy analóg jeleket használ, az újabb abszolút visszacsatoló eszközök képesek soros kommunikációra. Ahelyett, hogy egyszerűen csak egy feszültséget olvasnának le vagy impulzusokat számolnának, a meghajtónak vagy a vezérlőnek aktívan kommunikálnia kell a visszajelző eszközzel, hogy digitális jelzést kapjon a rotor helyzetéről. Az 1Vpp szinuszos kódolókkal egyes nagy pontosságú alkalmazásokban olyan technikákat alkalmaznak, amelyekkel több mint 4 millió számolás/fordulat felbontást érnek el! A terhelésnél elérhető felbontás azonban nagymértékben függ a mechanikus összeköttetésektől és a fejlett visszacsatolási rendszerektől, mint például a kéthurkos visszacsatolás.

Tekintse meg, hogyan állnak össze az összes alkatrész a Mozgásvezérlés áttekintésénél