Geavanceerde servosystemen
Snelheid en nauwkeurigheid troef

Positionering en toerentalregelingen spelen in de aandrijftechniek een steeds grotere rol. Om de productiecapaciteit en -kwaliteit van een machine te vergroten moet steeds vaker binnen een zo kort mogelijke tijd en zo nauwkeurig mogelijk het product bewerkt en/of gepositioneerd worden. Met elektrische servo-aandrijvingen, die ongekende snelheden en nauwkeurigheden mogelijk maken, is dit realiseerbaar.

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Infranor is een internationaal vertegenwoordigde onderneming en reeds 30 jaar gespecialiseerd in de productie van servo-aandrijvingen. In deze periode is een enorme ervaring opgedaan, die gebruikt wordt bij het adviseren en technisch ondersteunen van haar klanten. Daarnaast loopt Infranor ook voorop met de verdere ontwikkeling van servo-aandrijvingen. Door de komst van digitale technieken is er een nieuwe dimensie toegevoegd aan de servo-techniek.

Borstelloze servomotoren
Bij gelijkstroom servo-aandrijvingen wordt de commutatie van de stroom gerealiseerd door de mechanische collector en de koolborstels. Deze vorm van commutatie beperkt de specificaties van de motor (stilstandkoppel, maximum toerental en stroom). Borstelloze ac-servomotoren hebben deze beperkingen niet. Zij worden gekarakteriseerd door een groot koppel, een laag gewicht en een goede dynamiek vanwege de geringe massatraagheid. De motorlaars van de borstelloze servomotor is voorzien van een resolver. Deze sensor koppelt een positiesignaal van de as terug, die nodig is voor de stroomcommutatie. Hetzelfde signaal wordt ook nog gebruikt voor terugkoppeling naar een positioneersysteem.
De Mavilor servomotoren, waaronder de staafvormige borstelloze ac-servomotor (die afgebeeld is rechts op de foto), worden in eigen fabriek van Infranor geproduceerd. Daarnaast heeft Mavilor ook een zeer unieke borstelloze ac-servomotoren met schijfvormige rotor ontwikkeld. De voordelen van deze motoren zijn de zeer korte inbouwlengte en grote mechanische stijfheid.

Digitale servo-versterkers
Infranor heeft een digitale ac-servoversterker, de serie SMTBD, ontwikkeld om de borstelloze ac-servomotoren sinus-vormig aan te sturen. Het digitale hart van de versterker is een 16-bits DSP (Digitale Signaal Processor). De versterkers zijn te gebruiken voor nominale stromen van 2A tot 35A en voor piekstromen van 4A tot 100A. De interne stroombegrenzer is met een computer in te stellen tussen 20% en 100% van de maximale stroom.

Verschillende versies SMTBD
De digitale ac-servo-versterker, SMTBD, is in verschillende uitvoeringen leverbaar. De basis van alle uitvoeringen is gelijk, alleen zijn de kaarten aangepast. Standaard wordt de SMTBD aangestuurd met een analoge input ± 10V. Dit signaal kan afkomstig zijn van een positioneersysteem. In het positioneersysteem is het bewegingspatroon van de aandrijving vastgelegd. De werkelijke positie van de aandrijving wordt naar het positioneersysteem teruggekoppeld via het encoder-signaal afkomstig van de versterker.
Voor een aantal toepassingen zijn er speciale versies ontworpen, die verder besproken zullen worden. Zo is er o.a. een "c"-versie ontwikkeld, die wordt aangestuurd door een pulstrein en een richtingssignaal, waardoor dezelfde dynamische voordelen van servomotoren gelden in combinatie met de besturing van stappenmotoren. Verder zijn er nog versies waarbij de volg-as aan de hoofdas gekoppeld worden, door het volgen van een encodersignaal; versies die extra ingangen hebben voor het koppelen van allerhande sensoren; en versies die voorzien zijn voor aansluiting op Can-bus.

Programmering van SMTBD
Met het standaard bijgeleverde software-programma Digital Drive wordt de versterker zeer snel en gemakkelijk inbedrijf gesteld.
In een motorlijst staan alle gegevens van de Mavilor motoren, die nodig zijn voor de regeling. Voor regeling van andere motoren, die niet in de lijst zijn opgenomen, kan men gebruik maken van de functie "autophasing". Hierbij maakt de as van de servomotor een korte beweging, waardoor de servo-versterker binnen enkele seconden de motorgegevens vastlegt en de gewenste motor kan identificeren. Daarna worden de regelparameters met de functie "autotuning" automatisch ingesteld.
In het software-programma kunnen zowel het toerental, als de aan de motor geleverde stromen worden begrensd. Hierdoor wordt het servo-systeem en dus ook het lastwerktuig beveiligd. Verder is het mogelijk de encoder-resolutie voor terugkoppeling naar een besturing, traploos in te stellen.
Nadat alle parameters ingesteld zijn, kunnen ze worden opgeslagen in de EEPROM en kunnen ze ook op schijf bewaard worden.

Geen koppelrimpel
Eén van de nadelige kenmerken van borstelloze servomotoren is het optreden van een koppelrimpel. Deze koppelrimpel ontstaat door een verstoring tussen de magneten op de rotor en de stator. Deze verstoring treedt op door het reluctantieverschil tussen het koper van de windingen in de stator en het ijzer van de stator. Bij toepassingen waarbij een zeer nauwkeurig toerentalverloop vereist is, zoals bijvoorbeeld bij bedrukken van materiaal, of bij koppelsturing (stroomsturing), kan het koppelrimpel een storende invloed hebben. Infranor heeft een compensatiemethode ontwikkeld die de koppelrimpel elimineert. Deze methode is gebaseerd op het detecteren van de koppelafwijking en vervolgens het compenseren met harmonische technieken. Nadat het koppelrimpel in de digitale versterker gecompenseerd is, zal de borstelloze servomotor, evenals een gelijkstroom servomotor, een goede rondloopnauwkeurigheid hebben.

Flexibiliteit
Omdat de versterker voorzien is van een microprocessor, is het ook mogelijk om bij vrij eenvoudige toepassingen de servo-aandrijvingen op andere manieren aan te sturen:
1. Met de positioneerbesturing kunnen in de versterker 127 profielen (eindpositie, snelheid, versnellings- en vertragingstijd) worden vastgelegd. Met behulp van inputs worden de bewegingen geselecteerd en uitgevoerd. Naast het programmeren per computer is het ook mogelijk de beweging met de hand in te stellen, meer bekend onder de naam "Joggen". Met de input "teach-in" worden de handmatig ingestelde posities vervolgens in de besturing opgeslagen. Verder zijn er nog inputs aanwezig voor startvoorwaarden en outputs om posities terug te koppelen.
2. Bij een incrementele positiereferentie is het mogelijk om de digitale versterker te gebruiken als indexer. ( Zie figuur indexer)
3. Het is ook mogelijk dat de servo-versterker de positie en toerental van de motoras (volg-as) regelt door het nauwkeurig volgen van een encoder of van een encodersignaal afkomstig van de versterker van de hoofdas. Dit systeem wordt ook wel elektronische tandwielkast genoemd. De verhouding waarmee de volg-as de hoofdas volgt is in de software instelbaar tussen 1:8192 tot 8192:1. Hierbij is het ook mogelijk om de volg-as handmatig in positie te verstellen ten opzichte van de hoofdas..
4. Tension Control is een uitbreiding van de elektronische tandwielkast. Evenals bij de elektronische tandwielkast regelt de servoversterker de positie en het toerental van de motoras (volg-as) door het nauwkeurig volgen van een hoofdas of encoder. Hierbij heeft de versterker een extra analoge input, bijvoorbeeld voor de ingang van een krachtopnemer op een gespannen draad of folie. In de software kan een waarde ingevoerd worden voor de gewenste spanning in het materiaal. Indien de werkelijke waarde van deze spanning, bekend via de input, afwijkt van de gewenste waarde zal het toerental van de volg-as door de versterker gecorrigeerd worden totdat de werkelijke waarde gelijk is aan de gewenste waarde. In plaats van een krachtopnemer kan ook een danser op de input aangesloten worden. Hierbij wordt de positie van de danser geregeld op een gewenste positie. (Zie figuur Tension Control)
5. De versterker kan ook uitgevoerd worden met een extra input voor de registratie van de afstand tussen twee producten. (Registration control). In de software is de gewenste afstand tussen twee producten te programmeren. Indien de werkelijke afstand afwijkt van de gewenste afstand zal de servoversterker het toerental van de volg-as ten opzichte van de hoofdas verminderen zodat de werkelijke afstand tussen de twee producten gelijk wordt aan de gewenste afstand. Een voorbeeld hiervan staat weergegeven in de figuur "Registration Control". Hierbij wordt op een toevoerband de afstand tussen de producten geregistreerd. Deze afstand wordt vergeleken met de gewenste afstand. Bij eventuele afwijking wordt het toerental van de toevoerband t.o.v. de afvoerband gewijzigd zodat de producten op de afvoerband met de gewenste tussenafstand verplaatst worden.
6. Met de optie Can-bus wordt de versterker via Can-bus aangestuurd. Op één bus kunnen 15 aandrijvingen aangestuurd worden.

Positioneersystemen
Met het positioneersysteem van Infranor is het mogelijk om de servomotoren zeer nauwkeurig aan te sturen met elk gewenst bewegingsprofiel. Hierbij wordt een analoog referentiesignaal van het geprogrammeerde toerentalprofiel naar de versterker verzonden. Het bewegingsprofiel is vrij te definiëren. Hierdoor is het mogelijk harmonische bewegingen uit te voeren waardoor grote versnellingen en vertragingen gerealiseerd kunnen worden zonder dat de machine overbelast wordt.
Omdat in het systeem een 32 bits DSP aanwezig is, kunnen per module 1 tot 4 assen tegelijk bestuurd worden en is het mogelijk het systeem uit te breiden tot 12 assen. Standaard is een PLC geïntegreerd met 16 in- en uitgangen. Uitbreiding van dit aantal is mogelijk. De besturing is te programmeren in een gestructureerde Basic-vorm waardoor vrij snel en gemakkelijk de gewenste software voor elke toepassing geschreven kan worden. Daarbij zijn standaard commando aanwezig. Zo zijn er commando’s om meerdere assen zo te koppelen dat de resulterende beweging een exacte rechte Iijn of een cirkel oplevert of dat meerdere aandrijvingen synchroon met elkaar lopen (elektronische koppeling). Programmering kan via een ingebouwde omrekeningsfactor rechtstreeks in bijvoorbeeld millimeters. Tegelijkertijd kunnen tot 15 onafhankelijke programma’s worden uitgevoerd (multi-tasking). Het systeem is eveneens voorzien van een snelle input (< 1 µs). Door hierop een sensor aan te sluiten kunnen posities van gedetecteerde producten snel en nauwkeurig gecorrigeerd worden naar een gewenste positie. Om de besturing te programmeren maakt men gebruik van een pc. Daarna wordt het programma in een EEPROM geladen, zodat de besturing geheel autonoom kan werken. Op de besturing kan een gebruikers-interface (HMI) in de vorm van een bedieningspaneel aangesloten worden. Met de Basic-instructies kan hierdoor elke gewenste besturingsparameter ingevoerd worden. Dit is vooral handig bij machines die zeer flexibel ingezet moeten worden.

Ter afsluiting
De investering in servo-aandrijvingen is groter dan in minder geavanceerde aandrijvingen. Echter daar waar de eigenschappen van servo volledig benut worden, levert het uiteindelijk winst op. Met de systemen en de kennis van Infranor is dit realiseerbaar. De mogelijkheden van de machine waarin de systemen toegepast worden, kunnen aanzienlijk verbeterd worden in de vorm van capaciteitsvergroting, kwaliteitsverbetering, flexibele inzet, eenvoudig gebruik en een grote betrouwbaarheid van de machine.

Een bewerking van ing. X. De Buysscher

Servosystèmes de pointe
Un atout de vitesse et de précision

Le positionnement et le réglage du régime de rotation jouent un rôle de plus en plus important dans les mécanismes de commande. Afin d’augmenter la capacité et la qualité de production d’une machine, le produit doit de plus en plus souvent être traité et/ou positionné dans les plus brefs délais et avec le maximum de précision. C’est aujourd’hui possible grâce aux servocommandes électriques qui permettent d’obtenir des vitesses et un degré de précision élevés.

Infranor est une entreprise internationale de premier plan qui s’est spécialisée depuis trente ans dans le domaine des servocommandes. Tout au long de ces années, elle a acquis une expérience impressionnante qu’elle met aujourd’hui à la disposition de ses clients en les conseillant et en leur procurant un soutien technique. En outre, Infranor continue d’être active dans le développement des servocommandes qui entre dans une nouvelle dimension avec l’arrivée des techniques digitales.

Des servomoteurs sans balais
Dans le cas des servocommandes à courant continu, la commutation du courant est réalisée par le collecteur mécanique et les balais à bloc de charbon. Cette forme de commutation limite les spécifications du moteur (couple d’arrêt, régime de rotation maximal et courant). Les servomoteurs à courant alternatif sans balais ne connaissent pas ces limitations. Ils se caractérisent par leur couple élevé, leur poids léger et une bonne dynamique obtenue en raison de leur faible inertie. Le servomoteur sans balais est équipé d’un resolver. Ce capteur donne du feed-back sur un signal de position de l’axe, nécessaire à la commutation du courant. Le même signal est également utilisé pour le feed-back vers un système de positionnement. Les servomoteurs Mavilor, parmi lesquels les servomoteurs ac en forme de barreau sans balais (illustration ci-contre à droite) sont produits dans les installations d’Infranor. En outre, Mavilor a aussi mis au point un modèle unique de servomoteur ac sans balais avec un rotor en forme de disque. Les avantages de ce moteur sont une longueur d’encastrement très courte et une grande solidité mécanique

Les servo-amplificateurs numériques
Infranor a développé un servo-amplificateur à courant alternatif numérique, la série SMTBD, afin de commander les servomoteurs ac sinusoïdaux sans balais. Le coeur digital de cet amplificateur est un DSP (Processeur à Signal Digital) de 16-bits. Les amplificateurs sont utilisés pour les courants nominaux de 2 à 35A et pour les courants de pointe de 4 à 100A. Le limiteur interne de courant peut être réglé par ordinateur entre 20 et 100% du courant maximal.

Les différentes versions du SMTBD
Le servo-amplificateur digital à courant alternatif, le SMTBD, est disponible dans différentes applications. La base de toutes les applications est identique, seule les cartes sont adaptées. De manière standard, le SMTBD fonctionne avec un input analogique de plus ou moins 10V. Le signal peut provenir d’un système de positionnement. C’est dans celui-ci que l’on trouve le modèle de mouvement de la transmission. La position réelle de la transmission est envoyée par feed-back au système de positionnement via le signal de l’encodeur en provenance de l’amplificateur.
Nous parlerons plus tard des versions spéciales qui ont été développées pour un certain nombre d’applications. On peut notamment citer la version «c» qui est dirigée par un train d’impulsions et un signal de direction et qui profite des mêmes avantages dynamiques des servomoteurs en combinaison avec la commande des moteurs pas à pas. Dans d’autres versions, l’axe secondaire est couplé à l’axe principal en suivant un signal de l’encodeur ; des versions qui disposent d’entrées supplémentaires pour le couplage à différents senseurs ainsi que des versions qui sont équipées pour être reliées à Can-bus.

La programmation du SMTBD
Grâce au logiciel Digital Drive livré de manière standard, l’amplificateur peut rapidement et facilement être installé. Toutes les données nécessaires au réglage du moteur sont disponibles sur une liste des moteurs Mavilor. On peut utiliser la fonction «Autophasing» pour le règlement des autres moteurs qui ne sont pas repris dans la liste. Ainsi, l’axe du servomoteur effectue un petit mouvement par lequel le servo-amplificateur définit en quelques secondes les données du moteur et peut identifier le moteur souhaité. Ensuite, les paramètres de réglage peuvent être immédiatement fixés grâce à la fonction «autotuning». Dans le logiciel, la vitesse et les courants envoyés vers le moteur peuvent être limités. Ainsi, le servosystème et aussi l’appareil de levage sont protégés. Il est également possible de régler la résolution de l’encoder pour le feed-back vers la commande.
Après avoir été définis, tous les paramètres peuvent être stockés dans le EEPROM et ils peuvent aussi être conservés sur le disque.

Pas de variation de couple
L’apparition d’une variation de couple est une des caractéristiques désavantageuses des servomoteurs sans balais. Elle est provoquée par une perturbation entre les aimants sur le rotor et le stator. Cette perturbation se manifeste par la différence de résistance magnétique entre le cuivre des spires sur le stator et le fer du stator. Dans le cas d’applications qui nécessitent un régime de rotation très précis, par ex. pour l’impression des matériaux ou pour la commande en courant, une variation de couple peut avoir des effets perturbateurs. Infranor a développé une méthode de compensation qui l’élimine. Cette méthode repose sur la détection des écarts de couple et sur une compensation de ces écarts par des techniques harmoniques. Après avoir compensé l’ondulation dans l’amplificateur digital, le servomoteur sans balais, tout comme le servomoteur sur courant continu, disposeront d’une bonne précision de tournage.

La flexibilité
Comme l’amplificateur est équipé d’un microprocesseur, il est également possible de diriger autrement les servocommandes dans le cas d’application assez simples:
1. Avec la commande de positionnement, il est possible de déterminer 127 profils au sein dans l’amplificateur (position de fin, vitesse, temps d’accélération et de décélération). A l’aide des inputs, les mouvements sont sélectionnés et effectués. Outre la programmation par ordinateur, il est également possible de déterminer le mouvement manuellement, une fonction plus connue sous le nom de «jogging». Grâce à l’input «teach-in», les positions définies manuellement sont ensuite stockées dans la commande. Il y a encore d’autres inputs pour les conditions de départ ainsi que des outputs pour renvoyer les positions par feed-back.
2. Dans le cas d’une référence de position différentielle, il est possible d’utiliser l’amplificateur comme indexeur (Voir photo indexeur)
3. Il est également possible que le servo-amplificateur règle la position et la vitesse de l’axe du moteur en suivant de manière précise l’encodeur ou le signal de l’encodeur provenant de l’amplificateur de l’axe principal. Ce système est également appelé une transmission électronique. Le rapport dans lequel l’axe secondaire suit l’axe principal est ajustable dans le software entre 1:8192 jusqu’à 8192:1. Il est également possible d’orienter manuellement la position de l’axe secondaire par rapport à l’axe principal.(Voir la figure boîte d’engrenage électronique).
4. La fonction Tension Control est une extension de la boîte d’engrenage électronique. Comme dans le cas de la boîte d’engrenage électronique, le servo-amplificateur règle la position et la vitesse de l’axe du moteur en suivant avec précision un axe principal ou un encoder. Dans ce cas, l’amplificateur a un input analogue supplémentaire, par exemple pour l’entrée d’un enregistreur de force sur un fil ou un film en tension. Une valeur peut être introduite dans le logiciel afin de déterminer la tension du matériau. Dans le cas où la valeur réelle de cette tension, connue via l’input, diffère de la valeur souhaitée, la vitesse de l’axe secondaire sera corrigée par l’amplificateur jusqu’à ce que la valeur réelle corresponde à la valeur souhaitée. Un danseur peut également être relié à l’input à la place d’un enregistreur de forces. Vous voyez ci-contre la position du danseur réglée sur la position souhaitée. (Voir figure «Tension Control»)
5. L’amplificateur peut également être exploité avec un input supplémentaire pour l’enregistrement de la distance entre deux produits (Registration Control). Il faut programmer la distance souhaitée dans le logiciel. Si la distance réelle diffère de la distance souhaitée, le servo-amplificateur va diminuer la vitesse de l’axe du moteur par rapport à l’axe principal de telle sorte que la distance réelle corresponde à la distance souhaitée. On en trouve un exemple dans la figure «Registration Control». Dans ce cas, la distance entre les produits est enregistrée sur une courroie d’alimentation. Cette distance est comparée à la distance souhaitée. Dans le cas d’une éventuelle différence, le régime de rotation de la courroie d’alimentation est modifié par rapport à celui de la courroie d’évacuation afin que les produits sur la courroie d’évacuation soient placés à la distance voulue.
6. Avec l’option Can-bus, l’amplificateur est dirigé via Can-bus. Une boîte peut diriger 15 commandes.

Les systèmes de positionnement
Grâce au système de positionnement d’Infranor, il est possible de diriger les servomoteurs avec beaucoup de précision selon le profil de mouvement souhaité. Dans ce cas, un signal de référence analogique du profil de vitesse programmé est envoyé vers l’amplificateur. Le profil de mouvement peut être librement défini. Dans ce cas, il est possible d’exécuter des mouvements harmoniques grâce auxquels on peut obtenir des accélérations et des décélérations importantes sans provoquer une surcharge de la machine. Comme le système comprend un DSP de 32 bits, 1 à 4 axes peuvent être dirigés en même temps et il est possible d’étendre le système jusqu’à 12 axes. Le PLC est intégré de manière standard et dispose de 16 entrées et sorties. Ce nombre peut également être augmenté. La commande doit être programmée sous une forme Basic structurée grâce à laquelle on peut facilement et rapidement écrire le logiciel souhaité pour chaque application. Des commandes standard sont prévues à cette fin. Il existe des commandes qui permettent de coupler plusieurs axes de telle sorte que le mouvement résultant soit une ligne parfaitement droite ou un cercle ou encore de telle sorte que plusieurs commandes puissent fonctionner de manière synchronisée (couplage électronique).
Une programmation directe en mm (par ex.) est possible grâce à un facteur de calcul intégré. 15 programmes indépendants peuvent également être utilisés en même temps (multi-tasking). Le système est en même temps pourvu d’un input rapide (< 1µs) et en le reliant à un senseur, les positions des produits détectés peuvent être rapidement corrigées avec précision et replacées à la position souhaitée.
On utilise un PC pour la programmation d’une commande. Ensuite, le programme est chargé dans un EEPROM afin que la commande puisse fonctionner de manière tout à fait autonome. On peut également y relier un interface-utilisateur sous la forme d’un tableau de commande. Avec les instructions Basic, tous les paramètres de commandes peuvent être importés. C’est particulièrement pratique pour les machines qui doivent être mise en oeuvre d’une manière très flexible.

En conclusion
L’investissement dans les servocommandes est plus conséquent que dans le cas de commandes moins évoluées mais il vaut la peine pour pouvoir utiliser pleinement les caractéristiques d’un servo. Tout cela est possible grâce aux systèmes et au savoir-faire d’Infranor. Les possibilités de la machine dans laquelle on applique les systèmes peuvent être considérablement améliorées sous forme d’une augmentation des capacités, d’une amélioration de la qualité, une mise en oeuvre flexible, une utilisation simple et une grande fiabilité.

Une réalisation de X. De Buysscher (Ing.)