Download - 10.20 dhr kleijn
www.controllab.nl 1
Kennisachtergronden Servo Systemen
Con
trol
lab
Pro
duct
s B
.V.
Ir. Christian Kleijn
Controllab Products B.V.
Hengelosestraat 705
7521 PA Enschede
www.controllab.nl 2
Producten
• 20-sim
• 20-sim 4C
• Lab Opstellingen
Controllab Products
Ingenieursbureau
• Multi Physics
• Precisie Techniek
• Offshore
• Technische Software
Con
trol
lab
Pro
duct
s B
.V.
www.controllab.nl 3
Micro -Positoneersystemen
Kenmerken:• Kleine lasten • Korte afstand • Hoge snelheid • Grote nauwkeurigheid
Mechatronische oplossingen:• Mechanica• Servo systemen• Sensoren• Regeltechniek
Ser
vo S
yste
men
www.controllab.nl 4
Servo systeem
regeling
overbrenging
actuator
sensor drive
Ser
vo S
yste
men
www.controllab.nl 5
ActuatorenA
ctua
tore
n
www.controllab.nl 6
Actuatoren
20 m/s<< 0.1 mm+++/-elektrisch
1 m/s0.5 mm--++hydraulisch
1.5 m/s0.1 mm--+pneumatisch
snelheidnauwkeurigheidenergiekracht
Electrische actuatoren zeer geschikt voor positione ersystemen:
• Nauwkeurig• Snel• Flexibel• Laag energieverbruik• Goedkoop
Act
uato
ren
www.controllab.nl 7
Voorbeelden
piezo motor
piezo actuator
Act
uato
ren
rotatie motor
lineaire motor
www.controllab.nl 8
Prestaties
> 30.000 uur> 1 m/s5 – 20 µµµµm0.1 – 5 nmPiezo actuator
> 30.000 uur0.05 - 0.1 m/s5 – 200 mm1 – 5 µµµµmPiezo stepper
10.000 –30.000 uur
> 10 m/s0.05 – 2 m0.05 – 2 µµµµmAC lineair
10.000 –30.000 uur
8.000 –10.000 rpm
-1 / 512 –1 / 8192 omw.
AC rotatie
3.000 –8.000 uur
10.000 –20.000 rpm
-1 / 512 –1 / 8192 omw.
DC
10.000 –30.000 uur
300 –2.500 rpm
-1 / 200 –1 / 800 omw.
stappenmotor
levensduurmax.snelheidslagnauwkeurigheid
Act
uato
ren
www.controllab.nl 9
Voordelen en Toepassingen
Stappenmotoren• Voordelen: goedkoop, gestandaardiseerd, hoog koppel , geen
sensor.• Toepassing: eenvoudige pick and place operaties
DC/AC rotatie• Voordelen: redelijk snel, redelijk nauwkeurig, makk elijk in te
bouwen• Toepassing: robots, handling, grippers
AC Lineair• Voordelen: zeer snel, zeer nauwkeurig, zeer krachti g• Toepassing: nauwkeurige bewegingen met grote slag
Piezo• Voordelen: Zeer snel, zeer nauwkeurig• Toepassing: micro manipulatie
www.controllab.nl 10
OverbrengingO
verb
reng
ing
www.controllab.nl 11
Voorbeelden
rechtgeleiding tandwielkast tandheugel
tandriem spindel luchtlager
Ove
rbre
ngin
g
www.controllab.nl 12
Prestaties
>> 30.000 uur
1 – 3 m/s0.05 – 1.0 m0.05 – 1 µµµµmluchtlager
> 20.000 uur1 – 3m/s0.05 – 2 m2 – 20 µµµµmrechtgeleiding
20.000 uur0.1 – 1.5 m/s0.01 – 0.7 m10 – 50 µµµµmspindel
5.000 –15.000 uur
1 – 10 m/s0.05 – 3 m10 – 50 µµµµmtandheugel
10.000 –40.000 uur
1– 5 m/s0.02 – 5 m50 – 100 µµµµmtandriem
3.000 –8.000 uur
5.000 –40.000 rpm
-1°– 2°tandwielkast
levensduurmax.snelheidslagnauwkeurigheid
Ove
rbre
ngin
g
www.controllab.nl 13
Wrijving en SpelingO
verb
reng
ing
( )= = ⋅T F NF F F f x,v,....
stictie speling
Stictie en speling zijn slecht door regelaars te ond ervangen!
www.controllab.nl 14
Verstoringen
Thermische Expansie
Voorbeeld: Alu frame, 1 m, 1 °CUitzetting: 23 µµµµm
Ove
rbre
ngin
g
Trillingen in de ondergrond:
• andere machines• gebouw (lift, ventilatoren, ..)• omgeving (verkeer, ..)
www.controllab.nl 15
SensorenS
enso
ren
www.controllab.nl 16
Sensoren
encoder
lineaire encoder
laser
ultrasoon
Sen
sore
n
www.controllab.nl 17
Sensor PositieS
enso
ren
Sensor bij de Actuator
• Vaak aanwezig• Standaard regeling• Positie last onnauwkeurig
Sensor bij de Last
• Soms al aanwezig• Complexe regeling• Positie last nauwkeurig
www.controllab.nl 18
Vision SystemenS
enso
ren
• Gebruik van vision systemen voor positie feedback• Met de juiste instelling nauwkeurigheden to 20 µµµµm
www.controllab.nl 19
RegelingR
egel
ing
www.controllab.nl 20
Regeltechniek
• sp: setpoint (gewenste positie of snelheid)• y: process output (positie of snelheid)• C: controller (regelaar)• P: process (servo systeem)• n: noise (onbekende invloeden, verstoringen)
Regeltechniek: maak een regelaar zodat: y = sp
Reg
elin
g
y
n
sp+−
++
C Pe
www.controllab.nl 21
Feedforward
= ⋅ ⋅ +y C P sp n
Perfecte regeling: = =,C nP1
0Reg
elin
g
y
n
sp ++
C P
www.controllab.nl 22
Voorbeeld
Massa:
Feedforward (massa compensatie):
x1mF
Reg
elin
g
= ⋅ → = ⋅ → = ⋅ ∫∫F m a a F x Fm m1 1
∫ ∫Blokschema:
1m ∫ ∫
P
Pxmddt
C
ddtSPx
www.controllab.nl 23
Feedback
Voordelen:
• Onderdrukking van verstoringen• Linearisatie
y
n
sp
⋅= ⋅ ++ ⋅ + ⋅C P n
y spC P C P1 1
+−
Reg
elin
g
++
C P
www.controllab.nl 24
PID-regelaar
proportional integral derivative
(present) (past) (future)
Reg
elin
g
ysp+−
PID P
www.controllab.nl 25
Process P niet gelijk voor elke frequentie:
Regeltechniek: Gebruik een C zo dat:• y = sp voor een zo groot mogelijke bandbreedte (tun ing)• Het systeem stabiel blijft
Tuning en Instabiliteit
⋅= ⋅ ++ ⋅ + ⋅C P n
y spC P C P1 1
Reg
elin
g
www.controllab.nl 26
• Het gewenste setpoint is twee maal differentieerbaa r naar versnelling.
• Toevoegen feedforward (massacompensatie)
PID + FeedforwardR
egel
ing
www.controllab.nl 27
Geavanceerde Regelaars
• Filtering: ongewenste regelsignalen vooraf verwijderen
• Adaptive Control: pas regeling aan bij een langzaam veranderende machine
• Learning Control: minimaliseer volgfout bij repeterende bewegingen
• Model Based Control: gebruik modellen van een machine om de regelaar prestatie te verhogen
Reg
elin
g
www.controllab.nl 28
DriveD
rive
www.controllab.nl 29
Wat zijn Drives?
• Stroomversterker• PID regeling op snelheid of
positie• Bewegingsprofiel• Massacompensatie• Setpoint (positie, snelheid)
via bus
• Software voor instellingen• Autotuning• (vrij) programmeerbaar
Driv
e
www.controllab.nl 30
Programmeren
Waarom:• Flexibiliteit: makkelijk
ombouwen• Complexiteit: veiligheidslaag,
communicatie, logging, meting, sensoriek, regelaars
Waarmee:• PLC• Programmeerbare Drives• Microcontrollers• Single Board Computers• PC’s
Driv
e
www.controllab.nl 31
Model Gebaseerd OntwerpenM
odel
Geb
asee
rd O
ntw
erpe
n