Motion Control

Om een productieproces zo rendabel mogelijk te maken dienen de gebruikte productiemachines te voldoen aan een aantal essentiële eisen:

• Energie-efficiënt zijn: dit drukt de energiekosten en vermindert de impact op het milieu
• Hoge productiesnelheid halen: een zo hoog mogelijk rendement per machine
• Betrouwbaar zijn : machinestilstand beperken
• Onderhoudsvriendelijk zijn: onderhoudsintervallen liggen ver uit mekaar en onderhoud duurt zo kort mogelijk
• Nauwkeurig zijn: de geproduceerde goederen moeten voldoen aan de opgelegde specificaties, afkeur moet vermeden worden
• Flexibel zijn: snel kunnen omschakelen van de productie, omsteltijd minimaliseren

Dit zijn punten waarin elektrische aandrijfsystemen excelleren. Voor de basisbewegingen en basisfuncties kunnen eenvoudige asynchrone motoren als aandrijving gebruikt worden, vaak aangestuurd door een frequentieregelaar. Maar waar de bewegingen dynamischer worden, met hogere snelheden, acceleraties, deceleraties en een nauwkeurig volgen van een bewegingsprofiel, daar worden vaak servosystemen ingezet. Een motion controller stuurt dan via een veldbus de servo drives (ook wel servo controllers genoemd) aan, en zorgt zo voor een nauwkeurige synchronisatie van de verschillende bewegingen in de machine.

Een motion controller kan eenvoudige punt tot punt bewegingen aansturen, maar zijn echte kracht ligt toch in het realiseren van complexere bewegingsprofielen, vaak zijn dit gecoördineerde bewegingen tussen verschillende actuatoren. Dit kan gaan van het zacht en geruisloos, mooi synchroon laten lopen van twee lineaire bewegingen tot het uitvoeren van complexe CNC taken, zoals bij een draaibank of freestafel bijvoorbeeld.

Servo drive

Maar wat is nu juist een servosysteem ? Per definitie regelt een servosysteem de positie, snelheid, acceleratie en koppel (of kracht) in een mechanisch systeem (niet noodzakelijk deze vier parameters simultaan).

Een elektrisch servosysteem bestaat doorgaans uit :

• een motor met (geïntegreerde) terugkoppeling van de rotorpositie,
• een servo drive (controller),
• een aangedreven mechanica (lineair of rotatief).

Een servomotor is niet één bepaald type motor. Elke motor die uitgerust is met een encoder en in een servoloop geïntegreerd wordt, kan beschouwd worden als zijnde een servomotor : een asynchrone motor met een encoder, een stappenmotor met een encoder, een brushless DC motor (BLDC), een permanent magneet synchrone motor met encoder, enzovoort.

Maar doordat motoren (synchroon of asynchroon) met slank uitgevoerde rotoren vaak voor deze servotoepassingen gebruikt worden, worden zij vaak aangeduid als « servomotor ».

De servo drive (motion controller) regelt door middel van pulsbreedtemodulatie (PBM of PWM) de frequentie, spanning en stroom die naar de motor gestuurd wordt om op die manier de gevraagde snelheid en koppel te bereiken. De positie van de rotor wordt gemeten, meestal door middel van een encoder, en de meetwaarde wordt door de servodrive ingelezen. Op die manier kan de snelheid heel precies continu bijgeregeld worden, en kan ook de actuele positie berekend worden en naar de gevraagde positie gebracht worden. Dit noemt men een closed loop sturing.

Het grote verschil tussen servomotoren en stappenmotoren is dat een stappenmotor ook in open loop kan gebruikt worden voor positioneertoepassingen. Een stappenmotor heeft geen terugkoppeling (lees : encoder) nodig om gebruikt te kunnen worden als positioneersysteem, en wordt door de stappenmotor drive een aantal stappen verder gestuurd, waarbij 1 stap overeen komt met een bepaalde hoekverdraaiing van de rotor (bijvoorbeeld 1,8° per stap). Dit is per definitie door het ontbreken van de terugkoppeling van de rotorpositie geen servosysteem meer.

Voor de kleinere servosystemen met beperkt vermogen en die gebruik maken van stappenmotoren of BLDC motoren worden vaak servo drives gebruikt die gevoed worden op 24 of 48 VDC (Extra Low Voltage).

De servosystemen met hoger vermogen maken vaak gebruik van servo regelaars gevoed op 230 of 400 VAC (Low Voltage). Deze wisselspanning wordt dan eerst gelijkgericht en opgeslagen in een tussenkring, waarna deze DC spanning door een PWM schakeling terug omgezet wordt in een wisselspanning met bepaalde amplitude en frequentie voor het aandrijven van de servo motor.

Moderne servo drives worden vaak via een veldbus (Profinet, EtherCat, EthernetIP, Profibus, CAN bus, ...) door een bovenliggende PLC of Motion Controller aangestuurd. Zij krijgen via die weg de gewenste positie, snelheid, acceleratie (versnelling) en koppel (of kracht) doorgestuurd voor de eenvoudige punt tot punt bewegingen, of een isosynchrone continue stroom van setpoints voor de positie en/of snelheid indien er complexe gesynchroniseerde of CNC gerelateerde bewegingen dienen uitgevoerd te worden.

Voor een meer gedetailleerde uitleg over servosystemen : zie deze blog: Wat is Servo?

Servo drive kopen

Het bepalen van de meest optimale componenten voor het realiseren van een performant en precies gedimensioneerd elektrisch positioneersysteem kan een complexe zaak zijn, doordat er met zoveel mechanische, elektrische en regeltechnische parameters dient rekening gehouden te worden.

Gelukkig zijn er software applicaties die je hierin helpen. Een mooi voorbeeld hiervan is de Electric Motion Sizing app van Festo, een online tool die vertrekkende van een aantal gegevens van de toepassing, zoals te verplaatsen massa, lengte en positioneertijd een volledig elektrisch positioneersysteem samenstelt, inclusief mechanica, motor, reductor en servo drive. Met één druk op de knop wordt dan een volledige stukkenlijst gegenereerd, aangevuld met het nodige toebehoren zoals motorkabels voor het aansluiten van de servomotor.