Nykyaikaiset servojärjestelmät mahdollistavat uudenlaisia arkkitehtuuriratkaisuja

Servojärjestelmä koostuu useista komponenteista, jotka yhdessä mahdollistavat tarkan ja nopean liikkeen. Tässä blogipostauksessa käydään läpi servojärjestelmän tärkeimmät komponentit ja minkälaisia arkkitehtuuriratkaisuja nykyaikaisilla servojärjestelmillä pystytään tekemään.

Terminologia tuntuu vaihtelevan vähän toimijasta ja puhujasta riippuen. Me Bosch Rexrothilla puhumme usein servokäytöistä tai draiveista. Joskus puhutaan servo-ohjaimista. Meidänkin kielessä käytöt jakaantuvat vielä eri osiin kuten inverttereihin ja konverttereihin.

Servojärjestelmän komponentit

• Konvertteri: Konvertterin tehtävänä on muuntaa verkkovirta tasavirraksi, joka syötetään servokäyttöjen välipiiriin. Konvertterin valinnassa tulee ottaa huomioon järjestelmän tehovaatimukset ja haluttu jännitetaso.
• Invertteri: Invertteri muuntaa konvertterin tuottaman tasavirran moottoreille sopivaksi vaihtovirraksi. Invertterin valintaan vaikuttavat moottorin tyyppi ja tehovaatimukset. Bosch Rexrothin valikoimassa on sekä yksi- että kaksiakseliset invertterit. Konvertteri ja invertteri voivat olla myös samassa paketissa.
• Firmware eli servon käyttöjärjestelmä: Tämä on servokäytön aivot. Firmwaressa on muun muassa säätimiä, virheen kompensointityökaluja, liikkeenohjausprofiileja, liikkeenaikainen turva sekä säätöpiirien suodatinmahdollisuuksia. Merkittävimmät eroavaisuudet eri järjestelmien välillä johtuvat tästä osiosta ja eroavaisuuksien vertailu eri toimittajien välillä vaatii syvällistä osaamista.
• Moottori: Servo-järjestelmässä käytetään tyypillisesti kestomagnetoituja moottoreita eli servomoottoreita. Servomoottori tarjoaa merkittävästi tarkemman dynamiikan kuin oikosulkumoottori. Moottorin valintaan vaikuttavat sovelluksen vaatimukset kuten nopeus, vääntömomentti ja tarkkuus. Moottoreita on erilaisiin käyttötarkoituksiin: pyörivään ja lineaariseen liikkeeseen.
• Anturit: Antureita käytetään moottorin asennon ja nopeuden mittaamiseen. Valitun anturin laatu vaikuttaa merkittävästi liikkeenhallinnan lopputulokseen. Anturin valinta riippuu sovelluksen vaatimuksista. ctrlX servo-ohjaimeen on mahdollista valita lukuisia erilaisia anturityyppejä sekä kytkeä useampia antureita samaan liikeakseliin. Näin tehtäessä paikoitusta voidaan tehdä reaalisen akselin suhteen merkittävästi tarkemmin.
• Liikkeenohjain: Liikkeenohjain on usein PLC, johon on lisätty liikkeenohjaustoimintoja. Tyypillisesti nämä toiminnot ovat liikkeenohjauskirjastoja sekä valmiita työkaluja esimerkiksi synkronointeihin (esimerkiksi virtuaaliakselit). Tyypillisesti liikkeenohjaus vaatii paljon laskentatehoa ja nopeutta käytetyltä laitteistolta.

Komponenttien valinta

Komponenttien valinnassa on tärkeää ottaa huomioon sovelluksen vaatimukset. Esimerkiksi jos sovellus vaatii suurta tehoa, tulee valita riittävän tehokas konvertteri ja invertteri. Myös moottorin tyyppi ja koko vaikuttavat komponenttien valintaan.

Uudella ctrlX järjestelmällä pystyt yhdistämään erilaisia teholähteiden, konvertterien ja invertterien yhdistelmiä.

Kohta 1: Yhden akselin ratkaisu. ctrlX DRIVE eli ctrlX servokäyttö, jossa on integroituna invertteri ja konvertteri.

Kohta 2: Kolme akselia. Yksi yhden akselin konvertteri joka syöttää tehon kaksi-akseliselle invertterille. Konvertteriin on integroitu liikkeenohjaimena toimiva ctrlX CORE. Tähän on liitetty käyttöliittymä (HMI) sekä IO. ctrlX turvaohjain on liitetty väylällä konvertteriin.

Kohta 3: Usean akselin järjestelmä. Servokäyttö on rakennettu erillisestä teho-osiosta, yhdestä yhden akselin invertteristä ja kahdesta kahden akselin invertteristä. Yksi mootttoreista on lineaarimoottori. Lisäksi järjestelmässä on keskuksen ulkopuolelle hajautettuna invertteri johon on kytketty kaksi moottoria.

Servojärjestelmästä voidaan tehdä regeneroiva, eli takaisinsyöttävä. Tämä tarkoittaa sitä, että moottorin jarruttaessa syntynyt kineettinen energia muunnetaan takaisin sähköenergiaksi ja hyödynnetään joko järjestelmän sisällä toisessa moottorissa tai syötetään sähköverkkoon. Tämä parantaa järjestelmän energiatehokkuutta ja tällä voidaan saada kustannussäästöjä. Yleisesti jarrutusenergia muunnetaan jarruvastuksessa lämpöenergiaksi. Lämpöenergian vähentäminen voi vähentää jäähdytysjärjestelmien tarvetta ja pidentää komponenttien käyttöikää.

Regeneroivan järjestelmän suurin etu voidaan saada ehkä hieman yllättäen mitoituksessa. Regeneroivassa järjestelmässä välipiirin jännitteen ollessa tasainen ja korkeampi kuin verkkojännite, saadaan moottorista ulos parempi maksimimomentti ja laajempi kierroslukualue. Tällöin järjestelmään voidaan mitoittaa pienempi moottori.

Yhteenveto

Servojärjestelmän arkkitehtuuri koostuu useista komponenteista, jotka valitaan sovelluksen vaatimusten mukaan. Oikein valitut komponentit varmistavat sen, että kone toimii oikein ja pitkäikäisesti. Lisäksi komponenttivalinnoilla ja oikealla mitoituksella voidaan säästää rahaa. Bosch Rexrothin asiantuntijat auttavat mielellään tässä. Ja vieläpä paikallisesti!

Miten voit edetä itse mitoituksen ja komponenttien valinnan kanssa?

Servokäyttöjen ja moottoreiden mitoitustyökalu Indrasize

• Linkin takaa löytyy lyhyt ohjevideo sekä linkki ohjelman maksuttomaan lataukseen.

Mitoituksen jälkeen ctrlX konfiguraattorilla voidaan tehdä sovelluksen osalistaus.

Heräsikö kysymyksiä? Lue lisää servojärjestelmistä täältä tai ota yhteyttä Juha-Pekkaan: