Servoregelaar heeft een steeds belangrijkere rol in een servosysteem

Welke rol heeft de servoregelaar in een servosysteem? De servoregelaar zorgt er niet alleen voor dat de servomotor met de juiste snelheid naar de gewenste positie beweegt maar neemt een steeds belangrijkere rol in het servosysteem in. In dit artikel raken we kort de ontwikkeling van de servoregelaar, bespreken we de individuele onderdelen en raken we hoe je de juiste servoregelaar voor jouw toepassing kiest.

Wat is een servoregelaar

De servoregelaar is een elektronisch apparaat dat ervoor zorgt dat, op basis van een referentie signaal, de juiste stroom en spanning aan de servomotor geleverd wordt zodat deze met de juiste snelheid en naar de gewenste positie beweegt. Servoregelaars zijn verkrijgbaar in verschillende uitvoeringsvormen, spannings- en stroomwaarden en kunnen positie-, snelheids- en koppelregeling uitvoeren.

Een breed scala aan servomotor types kunnen worden bestuurd met behulp van servoregelaars, waaronder AC-, DC-, borstel-, borstelloze, roterende of lineaire servomotoren. Daarnaast heeft de servoregelaar een systeem voor het beveiligen tegen overbelasting van de servomotor en de servoregelaar. Een servoregelaar is natuurlijk onderdeel van een elektromechanisch servosysteem.

Ontwikkeling van de servoregelaar

De elektromotor word al toegepast sinds in het einde van de 19^e eeuw maar het duurde tot de jaren ’70 van de twintigste eeuw voordat de digitale servoregelaar zoals wij deze nu kennen zijn intrede deed. Vooral het kunnen versterken van signalen in spanning en stroom en het kunnen regelen van positie, snelheid en stroom heeft door verschillende praktische vraagstukken in de geschiedenis geleid tot allerlei technische oplossingen. Het versterken van spanning en stroom werd in het begin gedaan door een amplidyne en na de ontwikkeling van de solid-state elektronica door transistors, MOS-FET’s en IGBT’s. In eerste instantie werden servoregelaars analoge uitgevoerd en na de ontwikkeling van de digitale elektronica door programmeerbare IC’s.  Door de steeds grotere processorkracht die tegenwoordig beschikbaar is neemt de functionaliteit, betrouwbaarheid en nauwkeurigheid van de servoregelaar steeds verder toe.

Onderdelen servoregelaar

De servoregelaar bevat veelal de volgende onderdelen:

• Een power stage of vermogenscircuit;
• Control circuit;
• Stroom-, snelheid- en positieregelaar;
• Interface met besturingssysteem;
• Feedback circuit.

Een belangrijk functie van de servoregelaar is het verzorgen van de juiste stroom en spanning naar de servomotor. Daarvoor bevat de servoregelaar een power stage of vermogenscircuit. Dit onderdeel zorgt ervoor dat de aangesloten netspanning op de servoregelaar wordt gelijkgericht en gefilterd. Door de inverter wordt vervolgens de juiste hoeveelheid stroom en spanning d.m.v. pulsbreedtemodulatie aan de wikkelingen van de servomotor geleverd.

Omdat het koppel of de kracht die de servomotor levert evenredig is aan stroom door de motorwikkelingen bevat de servoregelaar een stroomregelaar. De stroomregelaar krijgt zijn referentie signaal van de positie- en snelheidsregelaars.

De positie- en snelheidsregelaars op hun beurt krijgen hun referentiesignaal vanuit een profielgenerator. Deze profielgenerator bevindt zich in de servoregelaar of in het besturingssysteem.

De verschillende regelaars en control-loops binnen de servoregelaar vormen een belangrijk onderdeel m.b.t. de performance van het servosysteem. De regelaars zorgen ervoor dat de uitgang van het systeem de ingang zo goed mogelijk volgt, dat het systeem stabiel is en dat het robuust is tegen externe verstoringen. Voor het bereiken van het gewenste dynamisch gedrag zijn naast de verschillende regelaars vaak ook feedforward loops, laagdoorlaatfilters, notch filters en/of B-quad filters beschikbaar. Het afregelen of tunen van de servoregelaars is een specialisme dat binnen de moderne systemen vaak vergezeld gaat met een vorm van “autotuning”

Het besturingssysteem communiceert met de servoregelaar via een industrieel bussysteem. De bussystemen die binnen de servobesturing gebruikt worden zijn: EtherCAT, ProfiNet, CanOpen, PowerLink en DeviceNet. Het communicatie protocol kan gebaseerd zijn op “IO” aansturing of Softmotion aansturing.

Het feedback circuit meet de actuele positie van de servomotor en/of van het werktuig door middel van een positie sensor. Dit positie meet systeem is een encoder of een resolver. Een resolver is een roterende sensor die in een servomotor wordt geplaatst en een absolute positie afgeeft over één omwenteling. Een encoder bestaat als incrementele en absolute variant. Meestal wordt tegenwoordig een encoder met een digitale interface gebruikt zoals Hyperface DSL of EnDat. Buiten het uitlezen van de actuele positie is het ook mogelijk om de specifieke motor data in de encoder op te slaan zodat deze door de servoregelaar kan worden uitgelezen. Dit wordt dan gebruikt om de instellingen voor die motor in de regelaar automatisch te implementeren.

Het control circuit zorgt voor alle eventuele I/O afhandelingen zoals limit switches en home switches. Tevens bewaakt het control circuit de benodigde parameters in verband met de veiligheid van de servoregelaar en de servomotor.

Uitbreiding van de servoregelaar functionaliteit

Buiten de beschreven functionaliteit van het aansturen en regelen van de positie, snelheid en koppel, kan er meer functionaliteit aan een servoregelaar worden toegevoegd. Hierbij kan gedacht worden aan veiligheidsfuncties zoals: Safe Torque Off (STO) en Safe Stop (SS1). Deze functies zorgen ervoor dat bij het activeren van b.v. een sensor het servosysteem naar een gedefinieerde veilige toestand gaat.

Andere functionaliteit die in de servoregelaar kan worden toegevoegd is bijvoorbeeld het maken van registratie positioneer bewegingen. Hierbij zal het servosysteem, dat in beweging is, bij het initiëren door een hardware input naar een gedefinieerde positie bewegen. Het activeren en uitvoeren van deze beweging gebeurd vanuit de servoregelaar omdat het registreren van de positie van het servosysteem het meest nauwkeurigste kan plaatsvinden vanuit de servoregelaar.

Berekenen van servomotor en servoregelaar

Het berekenen en selecteren van een servomotor en servoregelaar is het specialisme van VARIODRIVE. De specificaties van de applicatie, de omgevingscondities en eventueel andere eisen bepalen de uitvoering van het servosysteem en daarmee het type servoregelaar. Tuning of het afregelen van een servoregelaar vergt de nodige kennis van regeltechniek en mechatronica en is een onderdeel waar de applicatie engineers van VARIODRIVE zeer bedreven in zijn.

Wij gaan graag in gesprek over jouw applicatie en vertellen je graag meer over hoe wij de motion control uitdaging zouden benaderen. Onze ervaring met een grote verscheidenheid aan applicatie en onze kennis van de verschillende onderdelen maakt dat wij al in een eerste, vrijblijvende gesprek waarde toevoegen. Neem contact op met sales@variodrive.nl of bel +31 186636280 voor een afspraak.