In automatisering wordt veelvuldig gebruikgemaakt van regelkringen die tot doel hebben om ervoor te zorgen dat een bepaalde parameter een gewenst setpoint bereikt. Het vloeistofniveau in een tank regelen, een bepaalde temperatuur aanhouden, de snelheid van een auto regelen met cruise control – het zijn allemaal voorbeelden van processen waarin regelkringen gebruikt worden.
In aandrijftechniek zijn het regelen van positie, snelheid en/of kracht of koppel de meest voorkomende uitdagingen. Servo’s zijn per definitie systemen die in mechanische toepassingen tot doel hebben deze grootheden te regelen. In dit artikel bekijken we wat een servosysteem is, hoe het werkt en wat het voor u kan betekenen.
Het antwoord op die laatste vraag is in principe vrij eenvoudig. Door gebruik te maken van servo drives kan u op een relatief eenvoudige manier geavanceerde motion control toepassingen realiseren. Zodra een controller bepaalde setpoints genereert voor de gewenste posities, of een van de andere grootheden, zorgen de servo drives er voor dat de gewenste waarden snel en nauwkeurig bereikt worden. De drives nemen de bediening van de motoren zelf voor hun rekening, wat wil zeggen dat ze de gewenste setpoints vertalen in de spanningen en stromen die aan de motoren opgelegd moeten worden om de gewenste setpoints zo snel mogelijk te bereiken.
Drie types van controllers
Om dit alles te realiseren maken servo drives gebruik van een complexe cascade van controllers. In de regeltechniek onderscheidt men verschillende soorten controllers die met toenemende complexiteit steeds betere prestaties leveren.
De meest eenvoudige is de proportionele regelaar die het verschil tussen een gewenst setpoint en een gemeten waarde vermenigvuldigt met een versterkingsfactor om een actuator aan te sturen. Als men de temperatuur in een boiler wil regelen, bijvoorbeeld, zal een dergelijke controller het vermogen van het verwarmingselement verhogen naarmate het verschil tussen de gewenste temperatuur en de gemeten temperatuur groter wordt. Naarmate de gemeten temperatuur vervolgens opnieuw dichter bij het setpoint komt, wordt het vermogen gradueel verminderd.
Een integrator is een regelaar die de verschillen tussen setpoints en gemeten waarden over een bepaald tijdsverloop bij mekaar optelt. Het gevolg daarvan is dat de integrator restfouten die door een proportioneel regelaar alleen niet kunnen gecorigeerd worden, wegwerkt.
Een differentiële regelaar, tenslotte, baseert zich niet op de fout tussen setpoint en meetwaarde maar op de snelheid van verandering van die fout, zodat bij een grotere verandering een meer uitgesproken reactie van de actuator getriggerd wordt.
In de praktijk worden allerlei combinaties van deze basisregelaars gebruikt, met als meest voorkomende de PI en PID regelaars. Een PI controller, bijvoorbeeld, bestaat uit een proportionele en een integraal controller waarvan de outputs elk een versterkingsfactor krijgen en dan bij elkaar worden opgeteld om het sturingssignaal voor de actuator te genereren. Door met de versterkingsfactoren te spelen, kan de gebruiker de nauwkeurigheid en de dynamiek van de regelaar afstemmen aan de vereisten voor een specifieke toepassing.
Inzicht in de cascade van controllers
Zoals eerder aangehaald bestaat een servo drive uit een cascade van dergelijke controllers. In de CMMT servo drives van Festo, bijvoorbeeld, zijn dat achtereenvolgens een P regelaar voor de positie, een PI regelaar voor de snelheid en een PI regelaar die de stroom doorheen de wikkelingen van de motor regelt.
Wanneer de aandrijving een nieuw setpoint krijgt dat afwijkt van de actuele positie, berekent de eerste regelaar een gewenste snelheid om de nieuwe positie te bereiken, die als setpoint doorgegeven wordt aan de tweede regelaar. Die berekent op basis van het verschil tussen de gewenste en de gemeten snelheid de stroom die naar de motor gestuurd moet worden. De derde regelaar past vervolgens de spanning over de spoelen aan zodat die gewenste stroom effectief bereikt wordt.
Het inzicht in de cascade van controllers geeft aan dat de gebruiker via de versterkingsfactoren, die paramaters zijn van de drives, kan bepalen hoe dynamisch de aandrijvingen reageren en welke nauwkeurigheid ze halen. Voor de meeste gebruiker is echter vooral het resultaat dat via die cascade bekomen wordt, belangrijk. Het gebruik van servo drives maakt het mogelijk om de machinesturing te beperken tot het bepalen van setpoints waarbij het aan de drives is om te verzekeren dat de setpoints bereikt en aangehouden worden. Zo kunnen zeer perfomante toepassingen op een relatief eenvoudige manier gerealiseerd worden.
