Theorieboekje ERIKS Aandrijftechniek Schoonhoven

Aandrijven: aansporen tot snelheid, in beweging brengen Aandrijving: wijze van in beweging brengen

T H E O R I E B O E K

ERIKS | Aandrijftechniek Schoonhoven

Theorie ERIKS - aandrijftechniek Schoonhoven 2

Inhoudsopgave

Inleiding ................................................................................................................................................ 3 Aandrijftechniek – algemeen .............................................................................................................. 4 Aandrijftechniek - formuleblad............................................................................................................ 9

(Elektro)Motoren ............................................................................................................................... 10 Asynchrone commutatormotor ......................................................................................................... 11

Drie-fasen asynchrone draaistroommotor of kortsluitankermotor .................................................... 11 Drie-fasen asynchrone motor met sleepring of sleepringankermotor .............................................. 11

Gelijkstroommotoren met commutator ............................................................................................. 11 Gelijkstroommotoren zonder borstels (brushless)............................................................................ 11 Servo motoren .................................................................................................................................. 12 Torque motoren................................................................................................................................ 13 Stappenmotoren ............................................................................................................................... 13

Synchrone draaistroommotor ........................................................................................................... 15 Universeel motoren .......................................................................................................................... 15

Kernloze (coreless) of ijzerloze DC motoren met commutator ........................................................ 15

Motorsturingen.................................................................................................................................. 16 Frequentie omzetter voor kortsluitankermotor ................................................................................. 16 Regeling voor de asynchrone commutatormotor ............................................................................. 17 Regeling van sleepringankermotoren............................................................................................... 17 Regeling voor synchrone draaistroommotoren ................................................................................ 17 Toerental sturingen voor brushless motoren.................................................................................... 17 Universeel motoren .......................................................................................................................... 18 Versterkers voor servo motoren ....................................................................................................... 18 Microcontrollers ................................................................................................................................ 18 PLC's ................................................................................................................................................ 18 Motion Controller .............................................................................................................................. 18 De versterker .................................................................................................................................... 19 PM-dc ............................................................................................................................................... 19

Lineaire aandrijvingen..................................................................................................................... 21 Lineaire actuators ............................................................................................................................. 21

Lineaire direct aangedreven (direct drive) motoren ......................................................................... 22 Ironcore lineair motor (ijzer anker motor) ......................................................................................... 22 Ironless lineair motor (luchtspoelmotor ............................................................................................ 22 Lineaire stappenmotor...................................................................................................................... 22 Piëzo................................................................................................................................................. 22 LIM.................................................................................................................................................... 23 Moving coil........................................................................................................................................ 23

Lineaire motor................................................................................................................................... 23

Remmen .............................................................................................................................................. 26 Schuifankermotor ............................................................................................................................. 26 Veerdrukschijfrem, rem met permanente magneet.......................................................................... 26

Terugkoppelingen ............................................................................................................................ 27 Pulsgever of encoder ....................................................................................................................... 27 Resolver ........................................................................................................................................... 27 Tachogenerator ................................................................................................................................ 28

Bussystemen ..................................................................................................................................... 29 CAN open ......................................................................................................................................... 29

EtherCat ........................................................................................................................................... 30

Koppelingen ....................................................................................................................................... 31 Flexibele koppelingen....................................................................................................................... 31

Voedingen .......................................................................................................................................... 32 Hoe selecteert u een voeding........................................................................................................... 32


Inleiding ERIKS Aandrijftechniek Schoonhoven heeft in haar productenpakket allerlei typen elektromotoren (dc, ac, servo), actuatoren, spindels, koppelingen en voedingen. Omdat niet altijd even duidelijk is wat het verschil is tussen typen motoren, spindels, koppelingen en voedingen, hebben we theorie pagina’s op onze website gemaakt waarin kenmerken, werking van de producten, voor- en nadelen op een rij worden gezet. Per type product is een theorie pagina gekoppeld. Het nadeel hiervan is dat je niet alle theorie pagina’s bij elkaar hebt. Daarom hebben we besloten om alle theorie pagina’s te bundelen in dit boekje. Over de volgende producten hebben we theorie pagina's gemaakt: - (elektro)motoren - motorsturingen - lineaire aandrijvingen - remmen - terugkoppelingen - bussystemen - koppelingen - voedingen


Aandrijftechniek – algemeen Aandrijven is volgens de definitie: het in beweging brengen en een aandrijving is een hulpmiddel tot het in beweging brengen. De keuze van het soort aandrijving bepaald dus de wijze van het in beweging brengen. In dit boekje beperken we ons tot de EM (Elektro- Mechanische) aandrijvingen. Uiteraard zijn er ook andere varianten denkbaar zoals pneumatische aandrijvingen (gas; meestal lucht) en hydraulische aandrijvingen (vloeistof; meestal olie). Mechatronica is een relatief nieuw woord dat vele definities heeft. De meest gebruikte en door de FEDA erkende definitie is: een multidisciplinaire, kunstmatig opgewekte beweging die elektronisch gestuurd en gecontroleerd wordt. De definitie van Motion Control luidt: het gecontroleerd verplaatsen van een object naar een vooraf bepaalde positie. Een EM aandrijving zet elektrische energie om in beweging. Hierbij is elektriciteit een transportvorm van arbeid. Immers in een elektriciteitscentrale wordt eerst een bepaalde energievorm, meestal een door een turbine aangedreven generator, omgezet naar elektrische energie. Deze centraal opgewekte elektrische energie wordt gebruikt om naar de decentrale gebruikers te worden getransporteerd. Daar wordt de elektrische energie weer omgezet naar een bruikbare variant zoals beweging (motor), verlichting (lamp) of verwarming (heater). Zaken waar we bij een EM aandrijving rekening mee moeten houden zijn:

• Elektrische energie kan niet worden opgeslagen. Als er energie opgeslagen moet worden dan is een afgeleide vorm nodig. Dit kan in de vorm van een chemische reactie (bijvoorbeeld een accu) in de vorm van potentiële energie (bijvoorbeeld waterkracht).

• Een EM aandrijving dimensioneren wordt gedaan op het benodigde koppel (directe relatie met de grootte van de stroom) en het toerental (directe relatie met de spanning of spanning/frequentie).

• Bij een tandwielkast geldt: n1 * T1 = n2 * T2. Dit betekent dat het product van koppel (Nm) en toerental (opm) aan de ingaande zijde hetzelfde is als aan de uitgaande zijde (behoudens de effecten van efficiency). Een lager secondair toerental betekent dus een hoger beschikbaar koppel.

• De doelstelling is altijd de beweging, en nooit het type aandrijving. De gekozen apparatuur is het gevolg van een pakket van eisen. De criteria zijn: � Soort proces. � Type werktuig of type beweging. � Benodigd koppel (piekbelasting en nominale belasting).

Onze aandrijvingMotor

ElektriciteitscentraleGenerator

Andere verbruikers


� Regelbereik en regeldynamiek (snelheid en acc/dec. tijden). � Herhalingsfrequentie. � (Rondloop)nauwkeurigheid. � Geluidsniveau. � Motortemperatuur. � Omgevingsfactoren (ex omgeving, vocht, stof, warmte). � Levensduur. � Maatvoering (inbouwmaten). � Prijsniveau.

De laatste bullet is het gevolg van het feit dat het werktuig bepaald wordt door het proces. Een scara robot gedraagt zich nu eenmaal anders dan een pomp en een pomp weer anders dan een lift. Er zijn grofweg 4 niveaus van het bepalen van de apparatuur van de aandrijving. Deze zijn: 1. Adviseur. Hierbij wordt voor een geheel plan een complete installatie bepaald. Dit zal veelal op meerdere locaties zijn of bestaan uit een samenhangend geheel van diverse installatieonderdelen. Hierbij valt te denken aan de waterhuishouding in een nieuw woonwijk. De weerslag van de ontwikkeling wordt vastgelegd in een bestek. 2. OEM (original equipment manufacturer of eerste montage). Hier zal een machine ontwikkeld worden en op grond van de behoefte van beweging(en) zullen één of meerdere aandrijvingen geselecteerd, samengesteld of ontwikkeld worden. Hierbij moet rekening worden gehouden met alle voorkomende randvoorwaarden. De uitvoering van de aandrijving zal vastgelegd worden in een PvE (Pakket van Eisen). 3. Project (project inkopen of – realisatie). Hier wordt op grond van een bestek of PvE een aantal componenten besteld die samen de aandrijving vormen. 4. MRO (maintenance, repair and operations). Op grond van een defect onderdeel zal vaak op basis van beschikbaarheid een nieuw, vergelijkbaar component worden aangeschaft.

MotorOmz.

Reg.

Over-

br.

Werk-

tuig

Opn.I.A.

Net Proces

Terug-

Kopp.

Istwert

Koppe

ling

Sollwert

Voorschriften

EG regulering

Klantwensen

Specificaties

Veiligheid

Omg. factoren

…………OEM

PROJECT

MRO

ADVISEUR

ONTWERPPROCES


Het behoeft geen betoog dat voor de niveaus 1 en 2 een grote mate van expertise noodzakelijk is. De doorlooptijd van een project is bij niveau 1 ook veelal uit te drukken in jaren terwijl de doorlooptijd bij niveau 4 eerder een kwestie van uren is. Naast dat de keuze van het werktuig belangrijk is, is ook het type werktuig belangrijk. Zie in de onderstaande grafiek het verschil in karakteristieken tussen een verdringerpomp en een centrifugaalpomp.

Binnen de Motion Control zijn er diverse oplossingen denkbaar die allen hun eigen karakteristieken hebben. Deze zijn weergegeven in de volgende figuur. Binnen de motion control zijn kenmerken van de verschillende systemen evident. We zullen ze achtereenvolgens op hoofdkenmerken toelichten.

v r T(n)::1/n P=cOpwikkelmachinesGereedschapmachines

v

m1m2

n T(n)=c P::n VerdringerpompenSchroefcompressoren

Liften/kranen

T(n)::n P::n2

WalswerktuigenGereedschapmachines

v

n

n

nT(n)::n

2

P::n3

Centrifugaal pompen

Centrifugaal compressorenCentrifugaal ventilatorenCentrifuges

Regelbare (roterende) elektrische motoren

Stappen motoren DC motoren AC motoren

Veldwikkeling Permanent magneet

Regelbare (roterende) elektrische motoren

Stappen motoren DC motoren AC motoren

Veldwikkeling Permanent magneet

Serie

Shunt

Compound

DC servo

BLDC

PM (Tin Can)

Hybride

AC servo

KSA open loop

KSA closed loop

Reluctantie

Lineaire elektrische aandrijvingen:

• Lineaire motoren = direct drive.

• Lineaire aandrijvingen = roterende motor met spindel / tandriem.


DC met permanent magneten en borstels (PMDC): � n minder gevoelig voor koppelvariaties. � Ia Ξ T. � Levensduur (3000-8000h door borstelslijtage). � Maximaal vermogen 5kW. � Koppelbegrenzing door Imax � begrensd door commutatie. � Eenvoudig aan te sturen. � EMC / borstelstoring. � Encoder feedback voor positionering. Stappenmotoren: � Koppel bij spanningsloze motor. � Resonatiegevoeligheid. � Staphoek / koppelrimpel. � Hoge temperatuur motor (niet bij torque control). � Veelal geen encoder. � Hoog koppel bij laag toerental (geen reductiekast). � Hoge toon (geluidsprobleem). � Maatvoering redelijk gestandaardiseerd (NEMA). � Prijsniveau gunstig. DC borstelloos (BLDC): � Koppelfluctuaties bij lage en zeer hoge toerentallen. � Hoge(re) toerentallen. � Dynamisch. � Kleine eigen massatraagheid. � Blokvormige stroom (six step >> sinus). � Geringe verliezen. � Relatief eenvoudige regelaar. � Terugkoppeling Hall sensoren. � Maximaal vermogen 10kW. � Lange levensduur (geen borstels). � Lineaire T-n karakteristiek. � Verhouding vermogen/massa 2 maal zo groot als PMDC. AC Servo synchroon: � Zeer kleine koppelfluctuaties. � Hoge(re) toerentallen. � Hoog dynamisch. � Zeer kleine eigen massatraagheid. � Sinus vormige stroom. � Complexe regelaar. � Feedback met hoge resolutie noodzakelijk. � Groot vermogensbereik. � Lange levensduur. � Verhouding vermogen/massa 3 maal zo groot als PMDC. AC Servo asynchroon (ksa motor met frequentie omzetter in closed loop): � Complexe regelaar. Bekende techniek (als frequentieomzetter met meer rekencapaciteit en in/uitgangen). � Eenvoudige robuuste motor (met encoder op 2e as of in flens / werktuig. � Grote eigen massatraagheid. � Beperkte dynamiek. � Geen koppelfluctuaties.


� Hoog maximum toerental (<4.000 opm). � Groot vermogensbereik. � IEC maatvoering motor. Voor de theorie per type verwijzen we u graag naar de navolgende hoofdstukken. Belangrijk is nog om de volgende 5 zaken in ogenschouw te nemen. 1. Bepaal wat je eigenlijk wil (en beperk je daartoe). 2. Bekijk de aandrijving vanuit de applicatie. 3. Let op de omgevingsfactoren. 4. Let op de kosten (aanschafprijs / engineering / tco?). 5. En selecteer dan de gewenste aandrijving. En mocht u er niet helemaal uitkomen, vraag dan gerust om hulp van uw leverancier (co-engineering). Hij zal u graag terzijde staan. En hoe eerder u uw leverancier inschakeld, hoe beter de aandrijving aansluit bij uw wensen en bij de eisen van de applicatie. Alle informatie over componenten en systemen, alsook over onze engineeringsmogelijk-heden vindt u op onze website: www.elmeq.nl


Aandrijftechniek - formuleblad Diverse koppel-toeren en vermogen-toeren karakteristieken per hoofdgroep bij roterende applicaties. Toerentalformule: n = 60 * f * (1-s) n = toerental (o.p.m.) p f = frequentie (Hz) s = slip p = poolpaartal Koppelformule: P = ω * T ω = 2 * π * n P = vermogen (W) 60 ω = hoeksnelheid (rad/s) T = koppel (Nm) Vermogensformule: P = √ 3 * U * I * cos φ * ŋ U = spanning (V) I = stroomsterkte (A) cos φ = cosinus fi ŋ = rendement

v r T(n)::1/n P=cOpwikkelmachines

Gereedschapmachines

v

m1m2

n T(n)=c P::nVerdringerpompen

Schroefcompressoren

Liften/kranen

T(n)::n P::n2Walswerktuigen

Gereedschapmachinesv

n

n

nT(n)::n

2

P::n3

Centrifugaal pompen

Centrifugaal compressoren

Centrifugaal ventilatoren

Centrifuges


(Elektro)Motoren

Een elektromotor is een algemene benaming voor een machine die elektrische energie omzet in mechanische energie waarmee een werktuig kan worden aangedreven. Een elektromotor wordt gebruikt in machines waar iets moet bewegen. Vaak betreft het een roterende (ronddraaiende) beweging echter er zijn ook elektromotoren met een lineaire beweging.

Elektromotoren worden onderverdeeld in gelijkstroom- en wisselstroommotoren. Deze term geeft aan op welke voedingsspanning de elektromotoren aangesloten dienen te worden.

Binnen beide typen elektromotoren zijn er zeer veel varianten. De benaming heeft normaliter een relatie met het toegepaste principe of de applicatie. Een elektromotor wordt gekozen (gedimensioneerd) op grond van de gevraagde toepassing bij een werktuig (tegenkoppel of belastingskoppel). Onderstaand treft u een overzicht van de meest gangbare elektromotoren aan die ERIKS Aandrijftechniek Schoonhoven in haar leveringsprogramma heeft.

1. Asynchrone commutatormotor 2. Drie-fasen asynchrone draaistroommotor of kortsluitankermotor 3. Drie-fasen asynchrone motor met sleepring of sleepringankermotor 4. Gelijkstroom motoren met commutator 5. Gelijkstroom motoren zonder borstels (brushless) 6. Servomotoren 7. Torque motoren 8. Stappenmotoren 9. Synchrone draaistroommotor 10. Universeel motoren 11. Kernloze (coreless) of ijzerloze gelijkstroommotor met commutator Lineaire motoren zijn te vinden onder ‘lineaire aandrijvingen’.


Asynchrone commutatormotor Deze motor wordt toegepast voor een groot toerentalbereik met een gelijkblijvende koppel. Tegenwoordig is het resultaat van het gebruik van dit type motor ook goed te bereiken met een elektronisch geregelde motor. Drie-fasen asynchrone draaistroommotor of kortsluitankermotor De asynchrone draaistroommotor is één van de meest toegepaste motoren. Op praktisch alle plaatsen waar een drie-fasen net aanwezig is, een relatief constant toerental, en geen extreme versnellingen of vertragingen worden vereist, wordt deze bijzonder betrouwbare motor toegepast. Temeer daar deze motor, door het ontbreken van borstels, weinig onderhoud vraagt, standaard afmetingen heeft (volgens IEC) en relatief goedkoop is. De voeding kan direct op het net of middels een frequentieomzetter. Drie-fasen asynchrone motor met sleepring of sleepringankermotor Het verschil met de gewone asynchrone draaistroommotor is alleen de anders geconstrueerde rotor. Is deze bij de gewone asynchrone motor een kortsluitanker, bij dit type is de rotor voorzien van wikkelingen die 120o ten opzichte van elkaar verschoven liggen. Van de rotorwikkelingen worden de uiteinden op sleepringen aangesloten die, via koolborstels, van buitenaf bereikbaar zijn. Bij dit type motoren kan de aanloopstroom en dus daardoor ook het aanloopkoppel goed worden geregeld. Bij deze motor kan uitwendig, door bijvoorbeeld het in serie schakelen van rotorweerstanden, een groot aanloopkoppel (grote versnelling) worden gerealiseerd. Gelijkstroommotoren met commutator Een gelijkstroommotor bestaat uit een stator (vast deel) en rotor of anker (draaiend deel). Gelijkstroommotoren zijn veel toegepaste motoren omdat de regeling ervan zeer eenvoudig is. Ook elektrisch is de motor eenvoudig. De aangelegde spanning is een directe maat voor het toerental en de geleverde stroom is een directe maat voor het koppel. Er zijn de volgende gelijkstroommotoren: 1. Serie motoren; de koppel toeren karakteristiek is hoog koppel bij laag toerental en laag koppel bij hoog toerental. 2. Shunt motoren; de koppel toeren kromme is een nagenoeg constant toerental bij (grote) koppel variaties. 3. Compound motoren; deze motoren zijn een combinatie van de voornoemde motoren. Hierbij zijn er serie gecompoundeerde motoren (gedragen zich meer als seriemotor) en shunt gecompoundeerde motoren (gedragen zich meer als shunt motoren). 4. Vreemd bekrachtigde gelijkstroom motoren; hierbij wordt de veldspoel extern bekrachtigd. Voordeel van gelijkstroom motoren is dat ze eenvoudig qua bouw zijn en dat ze dus relatief goedkoop zijn. Ook de regeling van de motor is eenvoudig. Nadeel is dat de motoren voorzien zijn van koolborstels. Dit betekent (geringe) vervuiling en onderhoud vanwege borstelslijtage. Belangrijk is ook om de belasting goed af te stemmen met het motorvermogen omdat de stroomdichtheid door de borstels voldoende moet zijn. Anders komen de borstels niet op temperatuur en slijten ze harder. Er bestaan voor grotere motoren wel borstelhefinrichtingen maar dit zijn complexe installaties. Let op: in de normale spraak worden regelmatig ook de dc servomotoren met borstels een dc motor genoemd. De motoren die door ERIKS Aandrijftechniek Schoonhoven worden geleverd zijn servomotoren. Gelijkstroommotoren zonder borstels (brushless) Een borstelloze gelijkstroommotor bestaat ook uit een stator (vast deel) en rotor of anker (draaiend deel). Bij deze gelijkstroommotoren wordt het magnetisch veld niet veroorzaakt door statorspoelen maar door permanent magneten. De rotor bevat geen ijzer. Er zijn de volgende uitvoeringen:


1. Schijfankermotoren (pancake motors) 2. Holle rotor motoren (cup rotor motors) Een schijfankermotor kan op 3 manieren worden gerealiseerd: 1. Een geprinte schijfvormige rotor. 2. Een rotor gestanst uit plaatmateriaal en voorzien van kunststof coating. 3. Een gewikkelde rotor in een plat vlak en gegoten in kunststof. De motor wordt gemonteerd met ongemagnetiseerde magneten. Na montage worden door middel van een stroomstoot de magneten gemagnetiseerd. Een verbreking van het magnetische circuit kan leiden tot demagnetisatie. Bij een cup rotor motor is geen rotorblikpakket aanwezig en is de rotorwikkeling zelfdragend en hol uitgevoerd. Het ijzer is vast opgesteld en de wikkeling draait er omheen. Groot voordeel van deze constructie is dat deze motor geopend kan worden zonder dat het magnetisch veld wordt verstoord. Deze motoren worden steeds minder gebruikt voor kleine vermogens. Let op: in de normale spraak worden regelmatig ook de dc servomotoren zonder borstels een brushless dc motor genoemd. De motoren die door ERIKS Aandrijftechniek Schoonhoven worden geleverd zijn servomotoren. Servo motoren Servomotoren zijn er in gelijkstroom en in wisselstroom. Bij gelijkstroom zijn het vrijwel altijd permanent magneet gelijkstroom motoren (pm-dc) met borstels. De permanente magneten wekken het statorveld op. Het gedrag van deze motoren laat zich het beste vergelijken met shunt-dc motoren. De wisselstroom servomotor wordt ook wel borstelloze servomotor genoemd en is wat constructie betreft identiek aan een synchrone motor. Grote voordelen van deze motoren zijn: 1. Lineaire koppel toeren karakteristiek. 2. Geen warmteverliezen in veldspoelen. 3. Geen wervelstroomverliezen. 4. Geen hysteresisverliezen. 5. (Zeer)klein eigen massa traagheidsmoment. 6. Kleine zelfinductie. De begrenzing van de motoren is bepaald door: - Mechanische grenzen. - Maximum toerental. - Onbalans van de rotor (anker). - Lagering. - Krachten uitgeoefend op de rotorwikkelingen. Elektrische grenzen bij pm-dc motoren zijn: 1. De maximale stroom door de borstels begrensd het koppel (borstelverhitting). 2. De maximale commutatie stroom (vonken). 3. De maximale borstelspanning (flash over). 4. Borstelzweving (borstels komen los van de commutator. Een verhoging van de borsteldruk geeft extra slijtage). 5. Het houdkoppel is normaliter kleiner dan het koppel in bewegende toestand. Elektrische grenzen bij borstelloze servo motoren zijn: - De maximale stroom door de wikkelingen. - Het houdkoppel is normaliter kleiner dan het koppel in bewegende toestand.


Bij pm-dc motoren is de slijtage, of juist het voorkomen van slijtage van de borstels, dus een belangrijke factor voor de levensduur van de motoren. De borstels zijn normaliter speciaal gedimensioneerd voor de betreffende motor. Uitwisseling voor een ander type kan dus (extra) slijtage veroorzaken. Van belang zijn de luchtvochtigheid op de contactplaats en de temperatuur van de borstels (stroomdichtheid). Bij een goede dimensionering zal de borstel de commutator niet raken doordat zich tussen de borstel en de commutator een smeerfilm vormt. Deze smeerfilm wordt patina of skin genoemd. Torque motoren Een speciale uitvoering van een servomotor is de direct drive motor of torquemotor. Deze motoren geven de mogelijkheid om een ronde positioneerbare tafel, plateau of werktuig direct te koppelen aan de motor zonder tussenkomst van een overbrenging. Dit geeft een extreem stijve verbinding en daardoor hoog dynamische, reproduceerbare eigenschappen. Door hun specifieke eigenschappen zijn deze motoren bijzonder geschikt voor (industriële) automatiseringstoepassingen. Meestal zal de toepassing de C-as zijn, waarbij doorvoer van kabels of slangen door de holle as tot de mogelijkheden behoren. Belangrijke eigenschappen van deze motoren zijn: - Een spelingvrije aandrijving. - Een holle as. - Geen overbrengingsverliezen. - Onderhoudsvrij. - Compact. - Geen cogging. - Laag toerental en hoog koppel. - Extreem dynamisch. - Borstelloze aandrijving. - Geïntegreerde lagering. - Ingebouwde rem en/of encoder mogelijk. Stappenmotoren Gedurende de laatste jaren is de belangstelling voor de stappenmotor enorm toegenomen. Dit vooral omdat geïntegreerde digitale elektronische circuits, relatief goedkope besturingen en een mogelijkheid tot een encoder feedback, een optimaal gebruik van dit type motor mogelijk maakt. Een stappenmotor kan worden beschreven als een motor waarvan de rotor (en dus de uitgaande as) niet continu maar stapsgewijs draait en per stap een vaste hoekverdraaiing uitvoert. Deze beweging wordt verkregen door aan de statorspoelen, in een bepaalde volgorde, impulsvormige spanningen toe te voeren. Door de schakelvolgorde te veranderen is het mogelijk de draairichting van de rotor om te keren. Het aantal stappen per omwenteling hangt af van: 1. De constructie van de motor. 2. De manier waarop de motor wordt geschakeld (zie sturing stappenmotoren). De voordelen van de stappenmotor boven de gelijkstroom servomotor zijn onder andere: 1. Bij stappenmotoren is voor positionering en toerentalregeling in principe alleen een stuurcircuit nodig. Een terugkoppeling is niet nodig. Dergelijke circuits kunnen universeel en vrij eenvoudig ontworpen en vervaardigd worden. 2. Qua prijs is de combinatie stappenmotor + sturing heel aantrekkelijk. 3. In rusttoestand (stroomloos) is een beperkt houdkoppel beschikbaar. 4. Een hoog koppel bij lage toerentallen (tot ± 300 o.p.m. max. koppel) waardoor voor veel toepassingen geen vertragingskast nodig is. Er zijn de volgende typen stappenmotoren: 1. Twee stator stappen motoren. Deze motoren zijn opgebouwd uit 2 statorspoelen en 1 rotor met permanent magneet.


De statorspoelen liggen 90 graden elektrisch ten opzichte van elkaar verschoven. 2. Vijf stator stappenmotoren. Deze motoren hebben 5 statorspoelen die in een bepaalde volgorde worden geschakeld en 1 rotor met 5 permanent magneten waarvan de polen ten opzichte van elkaar in fase verschoven liggen. 3. Permanent magneet stappenmotoren of schijfanker stappenmotoren. De rotor heeft de vorm van een schijf. Er worden zeldzame aarde magneten toegepast. Dit geeft additionele voordelen ten opzichte van standaard stappenmotoren. Zoals: 1. Laag massa traagheidsmoment van de rotor. 2. Hoge versnelling mogelijk. 3. Hoge start-stop frequentie mogelijk. 4. Hoge vermogensdichtheid. 5. Houdkoppel in stroomloze toestand. 6. Toepasbaar voor microstepping. 4. De reluctantiemotor heeft een rotor die is opgebouwd uit zacht magnetisch (week metaal) materiaal en is voorzien van tanden. Het aantal tanden is niet gelijk aan het aantal poolschoenen van het statorhuis. De motor werkt volgens het reluctantie (magnetische weerstands) principe. De reluctantiemotor heeft bij afgeschakelde motor geen houdkoppel, en het draaikoppel is laag in vergelijking met de permanent magneet motoren. Ook is de gevoeligheid voor resonantieverschijnselen groot. Wel is het oplossend vermogen (stappen) per omwenteling veel groter. 5. Hybride stappenmotoren of gelijkpool stappenmotoren zijn een combinatie van de permanent magneet stappenmotor en de reluctantie stappenmotor (zie 3 en 4). De motor heeft polen met tanden en worden zodanig geschakeld dat een 2 fasen wikkeling ontstaat. De rotor bestaat uit een, in langsrichting gemagnetiseerde, permanentmagneet die voorzien is van poolschoenen. De beide poolschoenen zijn gemaakt van weekijzer en hebben aan de omtrek een gelijkmatige vertanding. De tanden van de poolschoenen liggen 90 graden in fase verschoven. De tanden van de ene poolschoen bevat noord polen en de tanden van de andere poolschoen bevat zuid polen. De eigenschappen van de motoren zijn: 1. Een koppel bij spanningsloze motor. 2. Hoger rendement dan voorgaande typen. 3. Lage resonantiegevoeligheid. 4. Hoog oplossend vermogen. 5. Toepasbaar voor microstepping. Eigenschappen van stappenmotoren waarmede rekening dient te worden gehouden, zijn: 1. Eigen houdkoppel (detent torque). Het koppel waarmee men de as van een niet bekrachtigde motor mag belasten zonder een continu draaiende beweging te krijgen. Dit koppel heeft wel een koppelrimpel tot gevolg bij een draaiende stappenmotor. Reluctantiemotoren beschikken niet over dit koppel. 2. Houdkoppel (holding torque). Het maximum koppel waarmee men de as van een bekrachtigde motor kan belasten zonder dat deze zijn positie verliest. 3. Start-stop kromme (pull in torque curve). Uit deze kromme kan worden afgelezen bij welke maximale frequentie (snelheid) de motor gestart kan worden zonder een stap te missen. 4. Slew-kromme (pull out torque curve). Uit deze kromme kan worden afgelezen de maximale frequentie, bij een bepaalde belasting, die aan de motor kan worden aangeboden. 5. Slew-range. Het gebied tussen pull in torque en pull out torque. 6. Staphoek (step angle). De hoek waarover de as wordt gedraaid na één stuurpuls. 7. Resonantie en demping. De ongelijkmatige snelheid waarmee de motor loopt.


Synchrone draaistroommotor De stator van deze motor is identiek aan een asynchrone draaistroommotor. Bij deze motor is echter de rotor voorzien van een wikkeling. Door middel van een gelijkstroom, die via borstels en sleepringen aan deze rotorwikkeling(en) kan worden toegevoerd, gedraagt de rotor zich als een permanent magneet. Bij kleine vermogens (tot 3 kW) worden ook vaak permanent magneten toegepast. In tegenstelling tot een asynchrone motor loopt het draaiveld van de rotor in de pas met het draaiveld van de stator. Er is derhalve geen slip. Let op: de synchrone draaistroommotor is niet zelfstartend. Door de aanvullende installatie voor aanloop is de motor relatief kostbaar. Indien de borstels als een bezwaar worden gezien (bij vermogens boven de 3kW) kan een borstelloze uitvoering worden toegepast. Universeel motoren De universeel motor komt qua gedrag overeen met een wisselstroom commutator motor. Feitelijk is de universeel motor een gelijkstroom seriemotor die ook op wisselspanning aangesloten kan worden. Wel dient dan een gelamineerd statorblikpakket te worden toegepast. De universeel motor wordt veel in huishoudelijke apparatuur toegepast. Kernloze (coreless) of ijzerloze DC motoren met commutator Niets in het principe van één van de beschreven dc motoren vereist dat de ijzer (staal) gedeelten van de rotor ook echt draaien. Als de rotor is gemaakt van een zacht magnetisch materiaal in de vorm van een cilinder, wordt door het opgewekte magnetische veld (met uitzondering van het effect van hysteresis) koppel uitgeoefend op de wikkelingen van de elektromagneten. Door gebruik te maken van dit feit is de kernloze of ijzerloze gelijkstroom motor, een specifieke vorm van een borstel of borstelloze DC-motor. Doordat deze motoren zijn opgebouwd met een rotor zonder een ijzeren kern, zijn deze motoren geoptimaliseerd voor een snelle acceleratie. De rotor kan de vorm hebben van een winding-gevulde cilinder, of een zelfdragende structuur bestaande uit alleen de magneetdraad en het materiaal van de hechting. De rotor past binnen de stator magneten; een magnetisch zachte stationaire cilinder binnen de rotor biedt een retour pad voor de stator magnetische flux. Bij een tweede bouwvariant heeft de rotor een geweven draad rond de stator magneten. In dat ontwerp past de rotor in een magnetisch zachte cilinder die kan dienen als de behuizing voor de motor en een retour pad biedt voor de flux. Omdat de rotor veel lichter in gewicht (massa) is dan een conventionele rotor gevormd uit koper windingen op gelamineerd staal, kan de rotor veel sneller versnellen. Vaak wordt een motorconstante in minder dan 1 ms mechanische tijd al bereikt. Dit effect wordt nog verstrekt als de windingen van aluminium in plaats van het veel zwaardere koper worden gemaakt. Nadeel is wel dat er geen metalen massa in de rotor aanwezig is die kan fungeren als een koellichaam, en daarom moeten vrijwel altijd zelfs kleine kernloze motoren worden gekoeld met geforceerde lucht.


Motorsturingen

Typen motorsturingen die hieronder beschreven worden: 1. Frequentie omzetter voor kortsluitankermotor 2. Regeling voor de asynchrone commutatormotor 3. Regeling van sleepringankermotoren 4. Regeling voor synchrone draaistroommotoren 5. Stappenmotorsturingen 6. Toerental sturingen voor brushless motoren 7. Toerental sturingen / regelingen voor dc motoren 8. Universeel motoren 9. Versterkers voor servo motoren

Frequentie omzetter voor kortsluitankermotor Voor het in toeren variëren van een kortsluitankermotor moet zowel de spanning als de frequentie variëren. Dit is nodig omdat het magnetische veld constant moet blijven. Een vermogenspanningsregeling of regeltransformator kan hier dus niet toegepast worden. Frequentie omzetters (fo) zijn tegenwoordig in de gangbare vermogensrange van het spanningsbron type. Dit betekent dat de voedende spanning gelijkgericht wordt, in een condensator gebufferd wordt en daarna door middel van een wisselrichter weer omgezet wordt naar een 3 fasen wisselspanning. De voeding kan 1 fase met nul zijn of 3 fasen. De motor is altijd een 3 fasen motor. Doordat de kortsluitankermotor veel wordt toegepast, is ook de frequentie omzetter gemeengoed geworden. De reden dat een fo wordt toegepast is tweeledig. 1. Omdat het proces vraagt om een regeling. 2. Vanwege de energiebesparing. Vooral bij centrifugale werktuigen is de energiebesparing groot doordat deze recht evenredig is met n3. De dimensionering van een fo is eenvoudig. De stroom die de fo kan leveren dient minimaal gelijk te zijn aan de motorstroom. De keuze van de omzetter is dus niet op vermogen. De fo is eenvoudig regelbaar door middel van een 0-10V, 0(4)-20mA signaal of een potmeter. Veel fo's hebben ook ingebouwde regelkringen (PID) en/of hebben vrij geheugenruimte voor software applicaties. De omzetter is een relatief gecompliceerd element, maar door het gebruik in grote aantallen toch goed betaalbaar. De omzetter heeft normaliter diverse (programmeerbare) in- en uitgangen en is parametreerbaar voor de gewenste toepassing. Het rendement van een fo is normaal >97% en de cos φ aan de ingang van de fo is nagenoeg 1.


Een fo is gedimensioneerd voor een omgevingstemperatuur van 40 graden. Elke graad hoger betekent een derating van 2,5% per graad. Aan de ingang van de fo zal normaliter een emc ontstoorfilter toegepast moeten worden. Daarnaast voert de motorkabel een signaal waar ook zeer hoge frequenties in voorkomen. Hier dient dus rekening gehouden te worden met emc-emissie. Aansluitingen dienen derhalve plat te zijn en bedrading dient ongetwist (niet in elkaar draaien van aders) toegepast te worden. Een secondaire kabel dient emc afgeschermd te zijn en zo mogelijk zonder toepassing van klemmen direct op de fo aangesloten te worden. Indien de kabel door de kast loopt dan dient deze separaat van besturingsbekabeling te worden gelegd. Regeling voor de asynchrone commutatormotor Het regelen van het toerental is mogelijk door het verschuiven van de borstels ten opzichte van elkaar in de borstelbrug. Een regeling met een bereik van 0,5 tot 1,5 maal het nominale toerental is dan mogelijk. Regeling van sleepringankermotoren Bij deze motoren wordt toerentalvariatie gerealiseerd door het variëren van de rotorspanning. Dit kan op 2 manieren: 1. In serie schakelen van rotorweerstanden. Dit is energetisch een slechte oplossing omdat de niet gebruikte (slip) energie omgezet wordt in warmte. 2. Door toepassing van een elektronische regeling; de 'onder synchrone cascade'. Hierbij wordt de slipenergie door middel van een elektronische regeling en een transformator teruggevoerd aan het net. Omdat de nadelen van borstel ten allen tijde aanwezig blijft en uit economisch oogpunt het regelbereik slechts beperkt kan zijn, wordt deze uitvoering nog slechts sporadisch gebruikt. Regeling voor synchrone draaistroommotoren Synchrone draaistroommotoren zijn niet zelfstartend. Mits hiervoor een oplossing wordt gevonden, kan een gewone frequentie omzetter worden toegepast (met een aantal kleine wijzigingen). Vaak zal de oplossing voor het starten gevonden worden in een toevoeging in de motor van een kortsluitkooi. De motor loopt dan asynchroon aan. Toerental sturingen voor brushless motoren De regelaar bestaat uit de besturing en het vermogensgedeelte en lijkt in eerste aanzicht nog het meeste op een frequentie omzetter. De motor is altijd voorzien van een feedback element. In de besturing kunnen gegevens van de applicatie worden opgeslagen. Door zeer nauwkeurige positie- en synchronisatiesoftware kunnen hoog dynamische toepassingen gerealiseerd worden. Verder zijn vrijwel alle mogelijkheden van servo bedrijf realiseerbaar. Grote voordelen van deze aandrijving: - Beschikbaar voor grote(re) vermogens (0,5 - 200kW). - Arbeidsfactor (cos ö) ~ 1. - Lage harmonische belasting van het voedende net. - Compacte motor en regelaar. - Lage onderhoudskosten door ontbreken van borstels. - Hoge performance. - Volledig koppel bij stilstand en hoog losbreekkoppel beschikbaar. Nadelen zijn: - Speciale motor (niet algemeen beschikbaar). - Hoge(re) prijs.


Universeel motoren Het regelen van het toerental is mogelijk door het verschuiven van de borstels ten opzichte van elkaar in de borstelbrug. Een regeling met een bereik van 0,5 tot 1,5 maal het nominale toerental is dan mogelijk. Versterkers voor servo motoren Servo aandrijvingen (ook vaak Motion Control of Robotica genoemd) wordt gebruikt in een industrieel proces voor het gecontroleerd bewegen van een specifieke belasting. Deze systemen kunnen zowel elektrisch, alsook mechanisch, hydraulisch of pneumatisch zijn. De systeemkeuze wordt veelal gebaseerd op technische grootheden zoals belasting, aanwezige voedende net of uitvoeringsvorm. Elektromechanische systemen worden gebruikt in de lage of medium vermogensrange met hoge snelheden en grote accuratesse. De systemen komen zowel als lineaire alsook als roterende beweging voor. De systemen zijn altijd voorzien van een feedback element ten behoeve van gesloten regelkringen (closed loop). De ene regelkring wordt gebruikt voor het controleren van de positie, de snelheid en of de acceleratie en wordt gekoppeld aan de besturing of controller. De andere regelkring is een feedback via de versterker of drive en dient voor snelheid of stroom. De motor kan zowel borstelloos, alsook borstelhoudend zijn en kan zowel roterend als lineair zijn. De feedback elementen kunnen op de motor of op de belasting zijn gemonteerd. De controller is vergelijkbaar met de hersenen van het servo systeem. De controller is verantwoordelijk voor het genereren van de bewegingen en voor het reageren op de veranderingen in de omgeving. Controllers kunnen eenvoudig uitgevoerd zijn zoals een aan/uit schakelaar of een keuzeschakelaar bedient door een operator. Ze kunnen echter ook complex zijn. Zoals een multi-as controller die actief diverse bewegingen bestuurt en controleert, en ook nog eens veel I/O's heeft voor bediening en signalering en het gehele besturingsprogramma voor de machine in zich heeft. Controllers zijn er in vele verschijningsvormen. De keuze hangt af van gewenste prestaties, kosten, bedieningsgemak of anderszins. De meeste controllers vallen in de categorieën Microcontrollers, PLC en Motion Controllers. We zullen ze kort toelichten. Microcontrollers Dit is een kleine en low cost uitvoering van een computer dat het programma uitvoert dat opgeslagen is in een vast medium. De configuratie wordt normaliter gedaan door een ervaren programmeur en het instellen van de closed loops zoals positie en snelheid is niet eenvoudig. Vaak wordt alleen gebruik gemaakt van closed loops via de versterker en wordt via de microcontroller alleen op het niveau van commando's informatie uitgewisseld. Dit kan zijn van en naar de versterker, maar ook van en naar sensoren en schakelaars. PLC's Een standaard PLC heeft een processor en geheugen en is geschikt voor het reageren op geprogrammeerde commando's. Een PLC heeft ook een rack met I/O slots zodat I/O modules eenvoudig naar behoefte toegevoegd kunnen worden. Er zijn modules met high speed counters, real time clocks en servo applicaties beschikbaar. Het voordeel van PLC's zijn de vrijwel eindeloze uitbreidingsmogelijkheden en hun beschikbaarheid voor industriële omgevingen. De prijs van een PLC systeem ligt meestal lager dan de prijs van een Motion Controller. Motion Controller Motion Controllers zijn speciaal voor hun doel ontwikkeld en gebouwd. Vandaar ook dat alles is ingericht op de eisen en wensen van de servo-industrie. In tegenstelling tot de voorgaand beschreven systemen zijn Motion Controllers gebaseerd op een PC en meestal geschikt


voor gebruik met een grafische interfase. Ook mogelijkheden als eenvoudig inregelen en optimaliseren, alsook vele mogelijkheden van diagnostiek zijn voorhanden. Ofschoon de prijs van de Micro Controller hoger is dan de voorgaande systemen, wordt dimensioneren, inregelen en servicing een stuk eenvoudiger. De versterker De versterker is de verbinding tussen de motor en de controller. Ook wordt deze wel servo versterker genoemd. De versterker versterkt het lage energie signaal van de besturing naar een hoog energie signaal voor de bedrijfsvoering van de motor (spanning en stroom). Het referentiesignaal is een maat voor het motorkoppel of de snelheid en kan zowel analoog als digitaal aangeboden worden. Het traditionele analoge 0 - +/-10V is nog steeds het meest gebruikte referentiesignaal. Echter, we zien steeds meer dat er gebuikt gemaakt wordt van busverbindingen zoals CANopen, Profibus, Sercos, Pulsrichting en Ethernet. De versterker wordt dan direct op een busverbinding aangesloten en via de bus direct op een computer. De gehele besturing (ook voor multi-as) wordt dan gedaan door de computer. De mogelijkheden zijn dan eindeloos. Een versterker kan voorkomen als 1 kwadrant (vooral voor borstelhoudende motoren) en 4 kwadranten (meestal borstelloze motoren). De huidige trend is om steeds meer mogelijkheden en opties in versterkers in te bouwen. Heden ten dage kan een versterker dan ook (bijna) alle voorkomende controller functies afhandelen. Nieuwe ontwikkelingen op het gebied van versterkers gaan heel snel. Deze ontwikkelingen gaan in de richting van: - Grotere bandbreedte om de productie doorzet te verhogen. - Verhoogde snelheid en positie controle voor nauwkeurigere en kleinere productie faciliteiten. - Verhoogde netwerk capaciteiten voor nauwkeurig samenwerkende multi assen binnen de machine omgeving, tussen machines onderling en tussen machines en productie installaties als totaal. - Eenvoudige bediening en universeel toepasbaar. PM-dc Bij een permanent magneet gelijkstroommotor is een veldregeling niet mogelijk. Bij voedingsspanningsvariatie blijven de voordelen van de motoren (zie 1.9) wel behouden. Dit is noodzakelijk omdat dit type motoren vaak in hoog dynamische omgevingen wordt gebruikt. Er zijn 2 typen versterkers te onderscheiden: 1. Lineaire versterkers. Bij deze klassieke versterkers is de uitgangsspanning van de versterker direct gekoppeld aan de motor. Dit zijn relatief eenvoudige versterkers. Nadeel is echter dat de uitgangstrappen een grote eigen dissipatie hebben. 2. Geschakelde versterkers. Bij geschakelde versterkers wordt de transistor niet analoog maar digitaal toegepast. Hierdoor ontstaat een pulserende spanning met een amplitude ter grootte van de voedingspanning. De eigen dissipatie is hiermede relatief klein. Wel zal de stroom een rimpel krijgen. Indien echter de schakelfrequentie voldoende hoog is, zal de rimpel beperkt zijn. Eventueel kan met behulp van een smoorspoel de rimpel verder verkleind worden. Er zijn 3 soorten geschakelde versterkers: 1. Pulsbreedte modulatie. 2. Puls-frequentie modulatie. 3. SCR (Silicon Controlled Rectifiers, fase aansnijding) thyristor sturing. Het omkeren van de draairichting kan elektronisch. Echter hiervoor is additionele elektronica noodzakelijk. We kennen hiervoor 2 typen vermogensversterkers:


1. T-type. Hierbij worden 2 transistoren toegepast. De voedingsspanning dient zowel positief als negatief te worden aangeboden. 2. H-type. Hierbij worden 4 transistoren toegepast. De voedingsspanning kan enkelvoudig worden aangeboden. Bij alle versterkers dient rekening te worden gehouden met een extra rendementsverlies (hogere warmteontwikkeling) in de motor. Deze verliezen zijn echter meestal beperkt tot enkele procenten.


Lineaire aandrijvingen

- Actuatoren - Motoren Lineaire actuators Een actuator is een toestel dat invloed kan uitoefenen op zijn omgeving. Het bekendste voorbeeld is waarschijnlijk een motor, die de wereld beïnvloedt door er beweging in te veroorzaken. Maar ook een temperatuursweerstand, een luidspreker of een ventilator kunnen als actuatoren beschouwd worden, omdat ze de temperatuur, de druk en de luchtstroming in (delen van) de wereld beïnvloeden. Een elektromechanische lineaire actuator is een compact systeem die een roterende beweging van de motor omzet in een rechtlijnige beweging. Door zijn compactheid wordt hij vaak ingezet op mobiele systemen of in kleine ruimten waar een grote kracht gegenereerd moet worden. De elektromechanische lineaire actuator bestaat uit de volgende componenten. - Motor (DC of AC) - Overbrenging (tandriem of tandwielen) - Spindel met moer of tandheugel Vaak zit er om de motor en overbrenging een gesloten kap en is de moer voorzien van een drijfstang. Het gehele systeem is zodanig verpakt dat invloeden van buitenaf geen invloed hebben op de aandrijving. Belangrijke selectiecriteria voor een actuator zijn: - Druk- en/of trekkracht (N) - Slag mm - Voedingsspanning (12/24/36 Vdc 110/230/380 Vac) - Inschakelduur in % ( 10% 1 min. per 10 minuten) - Omgevingsfactoren (vuil, water, weersinvloeden) - Belastingstype (constant, stotend, loodrecht) Het grote voordeel van de elektromechanische lineaire actuator t.o.v. een hydraulische actuator is de compactheid van de eenheid. Er is alleen een "dun" voedingskabeltje nodig. Elektrische energie is overal voorhanden. Toepassingvoorbeelden: - Geautomatiseerde luiken - Mast verstellingen - Brugbediening / borging - Stoel en bed verstellingen - Landbouw werktuigen Lineaire motoren (direct drive motoren waaronder: ironcore lineair motor (ijzer anker motor), ironless lineair motor (luchtspoelmotor), lineaire stappenmotor, Piëzo, LIM en moving coil)


Lineaire direct aangedreven (direct drive) motoren Op het moment dat traditionele lineaire aandrijvingen (tandriem of spindel welke worden aangedreven door een roterende motor) tegen hun grenzen aanlopen wat betreft speling, dynamiek, wrijving of onderhoudsinterval, komt de direct aangedreven lineaire motor in beeld. Deze motor is te vergelijken met een opengeknipte roterende inductiemotor, waarbij er direct een lineaire beweging wordt opgewekt zonder roterende delen. De werking is erop gebaseerd dat er twee magneetvelden zijn die een kracht op elkaar uitoefenen (aantrekken en afstoten) waardoor een beweegbaar deel in de gewenste richting gaat bewegen. Naast de magneten (het secundaire deel, Nd-Fe-B) en de spoelen (het primaire deel, ook wel forcer genoemd) zijn voor de opbouw van de complete motor lineaire lagering (luchtlagering of guides), feedback, eindstops en kabelrups benodigd. Het primaire deel is meestal het bewegende deel en het secundaire deel wordt meestal vast in de machine opgesteld. Ieder type motor heeft zijn eigen specifieke aanstuur elektronica. Hoewel zowel borstel alsook borstelloos mogelijk is, komt in de praktijk vanwege onderhoudskosten en hogere storingsgevoeligheid van de koolborstel uitvoering, de borstelloze uitvoering het meest voor. Er bestaan verschillende uitvoeringsprincipes, de bekendste zijn: - ironcore - ironless - lineaire stappenmotor - piëzo - LIM (lineair inductie motor) - Moving coil

Ironcore lineair motor (ijzer anker motor) De ironcore is geschikt voor grote krachten gecombineerd met dynamisch gedrag. Het bewegende deel is onderhevig aan cogging. Er is een grote magnetische aantrekkingskracht tussen het bewegende deel en de magneten.

Ironless lineair motor (luchtspoelmotor) De ironless onderscheidt zich door een zeer hoog dynamisch gedrag bij een geringere kracht dan de ironcore uitvoering. Omdat het bewegende deel geen ijzer bevat (de spoelen zijn gevat in epoxy), is er geen cogging. Het resultaat is een extreem vloeiende beweging. Er is geen aantrekkingskracht op het bewegende deel omdat deze zich tussen twee magneten beweegt (U-vormig profiel). Door geringe massa bewegende deel, is warmte-ontwikkeling een belangrijk aandachtspunt. Voor zowel Ironcore alsook Ironless geldt: Vergelijkbaar aan roterende aandrijvingen wordt de lineaire motor aangestuurd door stroom, door 3 spoelen te sturen die 120 graden elektrisch ten opzichte van elkaar verschoven zijn. Voor de commutatie en positionering van de motor wordt meestal gebruik gemaakt van een absolute of incrementele lineaire encoder. Per secundair deel met magneten kunnen meerdere bewegende primaire delen worden gebruikt. Uiteraard kunnen deze elkaar niet passeren.

Lineaire stappenmotor De lineaire stappenmotor is een motor die door de ontwikkeling van de ironcore en ironless motoren steeds minder wordt toegepast. Met deze motoren is het evenals met roterende stappenmotoren mogelijk om zonder feedback te bewegen en te positioneren. De snelheden voor de lineaire stappenmotoren liggen maximaal 2m/s lager dan de ironless en ironcore motoren. De acceleratie is begrensd op ongeveer 10m/s^2.

Piëzo Het piëzo principe wordt toegepast in nauwkeurige lineaire bewegingen met een geringe belasting. Het piëzo-elektrisch effect is het verschijnsel dat kristallen van bepaalde


materialen onder invloed van druk (bijvoorbeeld buiging) een elektrische spanning produceren en andersom: een bepaalde vervorming ten gevolge van de aangelegde elektrische spanning. Piëzo lineaire motoren zijn gebaseerd op deze eigenschap.

LIM Bij de LIM bestaat het primaire uit spoelen en wordt het secundaire deel gevormd door een aluminium of koperen plaat die op een stalen ondergrond wordt gemonteerd. Door een wisselend magnetisch veld op de spoelen aan te sluiten wordt een lineair verplaatsend magnetisch veld opgewekt, waardoor een stroom in de metalen plaat van het bewegende deel wordt opgewekt. Het hierdoor in de plaat opgewekte magneetveld zorgt voor een lineaire kracht die de lineaire beweging van de plaat in gang zet/houdt. In tegenstelling ironcore, ironless, stappen en piëzo, is de LIM asynchroon. De snelheid van de plaat is dus niet recht-evenredig met de verplaatsingssnelheid van het magnetische veld (frequentie). Er is "slip", deze is onder andere afhankelijk van acceleratie, snelheid en belasting. Deze motor kan direct op de 3-fasen netspanning worden aangesloten. Door gebruik te maken van een frequentieregelaar kan de snelheid en de kracht van de LIM worden geregeld. Als positieterugkoppeling kan een puls-band (grove encoder) of bijvoorbeeld een laser-afstandssensor worden gebruikt.

Moving coil De meest gebruikte moving coil motoren hebben een vast opgestelde wikkeling (cylindervormig) met daarin een bewegend deel van metaal. Bij deze motor wordt op basis van de DC spanning een magnetisch veld opgewekt. Dit veld genereert een kracht op de bewegende metalen kern. De grootte van de stroom bepaalt de kracht. De kracht is constant zolang de kern zich volledig in het magnetische veld bevindt. Lineaire motor Er bestaan 3 vormen van lineaire motoren. Te weten vlakke plaat motoren (flat-bed), U-type motoren (U-channel) en buisvormige motoren (tubular servo of servotube). De flat-bed motoren leveren een hoge kracht maar hebben last van cogging. Daarenboven komt het feit dat de eenzijdig gerichte magnetische (aantrekkings)kracht tussen de slede en de magneet-baan de beweging tegenwerkt.

Deze kracht wordt bij de U-channel motor gecompenseerd. Echter doordat de spoelen hier zijn opgesloten in de U vorm en tussen de magneten gemonteerd zijn, is dit thermisch gezien wel een aandachtspunt en volgt meestal een over dimensionering. De buisvormige motor elimineert al deze problemen. De magnetische krachten zijn met elkaar in evenwicht en de beweging is eenparig en zonder cogging. De spoelen in de forcer hebben een ingebouwd koellichaam en zijn zodanig gemonteerd dat er een optimale warmte dissipatie plaats vindt, en een maximaal gebruik van het magnetisch veld gemaakt kan worden. Aandachtspunt bij de servotube is de lineariteit van de buis.

U-type lineaire motor Flat-bed lineaire motor


De feedback bij de lineaire motoren (flat-bed en U-channel) zijn over het algemeen kostbaar, en de uitlijning is van groot belang voor de nauwkeurigheid van de positionering. Bij de servotube is de feedback uitgevoerd met hall sensoren die in de forcer zijn gemonteerd. De nauwkeurigheden zijn vergelijkbaar, maar de robuustheid van de servotube is uiteraard groter. Performance vergelijk lineaire aandrijvingen De servotube kan voor nauwkeurige aandrijvingen gebruikt worden. Een positioneer nauwkeurigheid van 100nm is haalbaar. Daarnaast zijn de servotubes zeer dynamisch. Snelheden >10m/s zijn mogelijk. Dit is vergelijkbaar met de U-channel en flat-bed ac servo motoren. Hierbij is de prijs van de servotube wel (substantieel) lager dan de bekende U-tpe en flat-bed lineaire motoren. Vanwege het lage prijsniveau kan de servotube ook vergeleken worden met de minder dynamische varianten van de lineaire aandrijving. Een indicatief overzicht is onderstaand weergegeven.

Servotube U-channel Flat-bed Kogelomloop Tandriem Pneumatiek

ac-servo ac-servo ac-servo electric drive electric drive actuator

Maximale snelheid ***** ***** ***** ** ***** ****

Acceleratiegedrag ***** ***** ***** *** **** *****

Aanlooptijd ***** ***** ***** *** * *

Kracht *** *** *** ***** *** *****

Slaglengte ** ***** ***** *** ***** ***

Thermisch gedrag ***** ** ***** ***** ***** *****

Installatiegemak **** * * *** *** **

Onderhoudsvriendelijkheid ***** ** ** *** *** **

Robuustheid **** * * * ** *****

Laag geluidsniveau ***** ***** ***** ** ** *

Kostprijsniveau *** ***** ***** *** **** **

Servotube Een servotube ac-servo systeem bestaat uit slechts 2 delen. Een buis en een actuator of forcer. Daardoor is de servotube eenvoudig en robuust. De roest vast stalen buis is over de gehele lengte gevuld met zeldzame aarde magneten. De forcer bevat een aantal spoelen die zijn geconfigureerd als een 3 fasen wikkeling. Als de spoelen worden aangesloten op een 3 fasen stroom, dan zal een magnetisch veld opgebouwd worden dat een interactie geeft met de magnetische buis, waardoor er een lineaire kracht worden opgewekt. De grootte van de luchtspleet heeft geen invloed op de performance van de servotube. Wel kan uiteraard vervuiling optreden als er geen afdichting wordt toegepast. Er zijn 2 mogelijkheden van montage. 1. De buis wordt vastgezet en de last wordt op de forcer gemonteerd. De forcer beweegt en

de last wordt ondersteund door een geleiding.

Kracht

Servotube

Forcer

Buis


2. De forcer wordt vastgezet en de buis beweegt. De belasting wordt op de buis gemonteerd. De buis wordt ondersteund door normale lagering.

Doordat de servotube een geheel gesloten systeem is, is een beschermingsgraad van IP67 en IP69K haalbaar. Indien gewenst kan waterkoeling worden toegepast. De maximale kracht (stroom) kan dan 2 maal zo hoog zijn dan de standaard uitvoering. Een rem kan optioneel worden aangebouwd. In geval van spanningsuitval zal de positie gehandhaafd blijven. Door de compacte bouw van de servotube kunnen de assen aan elkaar worden gekoppeld wat een X-Y-Z beweging mogelijk maakt. Een combinatie van een roterende beweging met een lineaire beweging is mogelijk (doppen). Op de buis kunnen diverse (koppelings) mechanismes worden aangebracht en zelfs een holle buis (vullen) is mogelijk.


REMMEN

Elektromagnetische schijfrem Deze zogenaamde arbeidsstroom bekrachtigde rem. Deze rem wordt bekrachtigd indien er een stroom vloeit (vergelijkbaar met een elektro magnetische koppeling). Schuifankermotor Motor en rem ineen. De schuifankermotor heeft een conische rotor. Hierdoor worden op de rotorstaven, naast radiale krachten, ook axiale krachten uitgeoefend. Deze axiale krachten werken tegen de veerdruk in, waardoor bij normaal bedrijf de rotor binnen de stator wikkelingen draait. Veerdrukschijfrem, rem met permanente magneet Dit zijn zogenaamde ruststroom bekrachtigde remmen. Dat wil zeggen wanneer er geen stroom door de rem vloeit, wordt de rem bekrachtigd. Over het algemeen worden de ruststroom bekrachtigde remmen vanuit veiligheidsoverwegingen toegepast. De remkracht wordt geleverd door een veerdruk of een permanente magneet. Het opheffen van de veerdruk kan geschieden door het bekrachtigen van een gelijkstroommagneet die een kracht uitoefent, tegengesteld aan de veerdruk.


Terugkoppelingen

Pulsgever of encoder Er zijn 2 typen. Te weten: 1. De absoluut encoder. Deze geeft altijd de exacte positie aan door het gelijktijdig uitlezen van een groot aantal sporen. Vanaf het moment van starten is de positie bekend. De meting kan zowel de absolute positie binnen 1 omwenteling als multi turn zijn. Door het interpreteren van de verschillende uitlezingen achter elkaar kunnen conclusies als snelheid en draairichting worden bepaald. Afhankelijk van het aantal sporen (resolutie) kan een gedetailleerdere positiebepaling worden verkregen. 2. De incrementaal encoder. Deze geeft alleen een verandering van de positie aan. Door het tellen van de pulsen kan de relatieve positie worden bepaald. Indien aanwezig kan een indexpuls worden uitgelezen voor een exacte positiebepaling of homing procedure. De draairichting kan worden bepaald door 2 signalen tegelijk met een hoek verdraaiing van 90 graden te detecteren en door de flanken van de pulsen ten opzichte van elkaar te beoordelen. Als gebruik gemaakt wordt van een interpolator kan een zeer nauwkeurige positiebepaling worden gedaan. In basis zijn er 2 uitvoeringen. 1. Een magnetische pulsgever of encoder. Deze bestaat uit een schijf van magnetisch materiaal voorzien van tanden of radiaal lopende verdikkingen en een opnemer die naast of tegenover de schijf is geplaatst. De opnemer zet als gevolg van het voorbijkomen van de tanden of de verdikkingen optredende variaties in het magnetisch veld om in elektrische spanningspulsen. De pulsgever geeft een pulstrein af waarbij de frequentie evenredig is met het toerental van de schijf. 2. Een optische pulsgever of encoder. Deze werkt vrijwel identiek aan de magnetische pulsgever, maar werkt met een codeschijf met een groot aantal radiale spleten of licht/donker contrasten. In het eerste geval zal een lichtbron het licht door de spleten laten komen en zal een lichtgevoelige cel het lichtsignaal omzetten in een pulstrein waarvan de frequentie recht evenredig is met het toerental. In het tweede geval zal een lichtcel reageren op de licht/donker contrasten. Behalve dat encoders kunnen worden toegepast in een separate behuizing op de motoras waarvan het toerental of positie gemeten moet worden, kunnen encoders ook worden toegepast in tussenflenzen (tussen motor en reductiekast) of in de reductiekast. Indien de pulstrein omgezet moet worden naar een analoog signaal dan is een frequentie<>spanning omzetter noodzakelijk. Resolver De resolver kan het best worden vergeleken met een optische absoluut encoder (let op: een resolver is geen optisch instrument maar gedraagt zich slechts als een optische absoluut encoder). Ze bestaat uit een samenstel van spoelen (deels vast en deels draaibaar), waarbij door middel van inductie een tweetal uitgangssignalen worden verkregen. Voordelen van de resolver zijn de robuuste opbouw, de hoge toelaatbare snelheden en de grote


betrouwbaarheid. Nadeel is de beperkte nauwkeurigheid en het feit dat de absolute positie slechts binnen 1 omwenteling gemeten kan worden. Tachogenerator Een tachogenerator is een kleine generator die gemonteerd is op de as waarvan men het toerental wil meten. Een tachogenerator wekt een spanning op waarvan de grootte evenredig is met het toerental.


Bussystemen

Een bus is een kabel met aan beide einden een interface. Een bussysteem is een verzamelnaam voor alle bussen. In aandrijftechniek zijn dit de meest gebruikte systemen: - CANopen - EtherCat CANopen Een bussysteem in de machinebouw wordt toegepast bij systemen waar meerdere motoren en sensoren aan elkaar gekoppeld moeten worden. Door een bussysteem worden de bedrading, de montage, de uitbreidingsmogelijkheden en de besturing sterk vereenvoudigd. CANopen is een veelgebruikt bussysteem. Het Controller Area Network (CAN) is een serieel communicatieprotocol. CAN is marktleider op het gebied van embedded machine besturingen. Maar CAN is ook te vinden in gebouwenautomatisering, procesautomatisering en productiebesturing. CAN is vooral bekend vanwege zijn hoge betrouwbaarheid en prioriteit georiënteerde communicatie, wat onder andere belangrijk is bij noodstopprocedures. Het CANopen protocol beschrijft hoe de communicatie tussen de diverse CANopen componenten (nodes) gevoerd wordt. Voor vele soorten nodes zijn er daar naast nog profielen die specificeren welke parameters op welke plaats staan. Door deze definities zijn diverse nodes van diverse merken eenvoudig te combineren, zonder de applicatie software aan te hoeven passen. Met een CANopen systeem wordt een decentrale besturing gecreëerd. De opdrachten worden door de nodes (slaves) zelfstandig uitgevoerd. Ook is de kans op storingen hierdoor sterk verminderd. Regellussen worden door de controllers van de nodes zelf uitgevoerd. Hierdoor wordt de CANopen-Master (bijvoorbeeld PC of PLC) niet belast met regeltechnische zaken zoals positie en stroom regelingen. Een CANopen-Master bestuurt de nodes via de CAN bus. CAN is een multi master protocol, hierdoor kunnen de slaves ook onderling met elkaar communiceren en kunnen de nodes meldingen (zoals errors) geven aan de CANopen-Master, zonder dat de CANopen-Master hierom heeft gevraagd. Voordelen van CAN open zijn 1. Bijna halvering van installatietijd en implementatietijd. 2. Kostenbesparing op bekabeling. 3. Ruimtebesparing in besturingskasten. 4. Goedkoop industrieel bussysteem. 5. Eenvoudig storingsanalyse door intelligente CANopen componenten. 6. Veilig. Bij communicaties verlies zijn gedefinieerde motor commando's definieerbaar zoals "stop motor". 7. Uitgebreid assortiment aan CANopen perifere verkrijgbaar zoals: MMI (Mens Machine Interfaces), sensoren, actuatoren, I/O-terminals, PLCs, enz. Meer informatie is terug te vinden op de CAN-CiA website: www.CAN-CiA.org.


EtherCat EtherCat is een open, high performance, op Ethernet gebaseerd veldbussysteem. EtherCat is op het Ethernet platform ontwikkeld ten behoeve van communicatie in de automatiseringswereld. Het uitgangspunt bij de ontwikkeling was om met lage hardwarekosten korte berichten (datagrammen) met een hoge update frequentie te versturen met een minimum aan jitter. Het voorkomen is jitter is belangrijk bij het synchroon laten lopen van applicaties. Het EtherCAT-protocol is geoptimaliseerd voor proces data en wordt verzonden in een standaard IEEE 802.3 Ethernet frame met behulp van Ethertype 0x88a4. Het datagram kan bestaan uit diverse onderdelen (subdatagrams), die elk een eigen stuk informatie vervoeren ten behoeve van specifieke applicaties in het automatiseringsproces en kan wel tot 4G bytes groot zijn. De reeks verstuurde gegevens is onafhankelijk van de fysieke volgorde van de knooppunten in het netwerk en de informatiedelen kunnen in elke willekeurige volgorde gebruikt worden. Zenders en ontvangers kunnen in alle gewenste samenstellingen communiceren. Dus ook meerdere zenders en communicatie tussen masters onderling en slaves onderling is mogelijk. Als verzending via internet protocol (IP) gewenst is, dan kan het EtherCat protocol ingevoegd worden in UDP/IP of TCP/IP datagrammen.


Koppelingen Flexibele koppelingen ERIKS Aandrijftechniek Schoonhoven levert verschillende soorten koppelingen, waaronder tevens op maat gemaakte modellen. Flexibele koppelingen zijn ervoor om verschillende (uitlijn)fouten/belastingen op te vangen: - parallel uitlijning - hoek uitlijning - axiale verschuiving - overbelasting Koppelingen worden vaak gebruikt omdat zij de assen beschermen tegen radiale krachten als gevolg van axiale bewegingen. Wanneer u de geschikte flexibele koppeling voor uw applicatie wilt selecteren, is het raadzaam om onderstaande vragen te doorlopen. 1. Geeft de koppeling adequate uitlijning bescherming? 2. Kan de koppeling de last overdragen? 3. Heb ik axiale beweging of axiale stijfheid nodig? 4. Is de koppeling bestand tegen de vereiste snelheid? 5. Past de koppeling in de beschikbare ruimte? 6. Kan de koppeling goed functioneren in de verwachte omgevingstemperatuur? 7. Beschikt de koppeling over de benodigde torsie stijfheid? 8. Beschikt de koppeling over elektrische isolatie tussen de assen? 9. Heeft de koppeling de gewenste levensduurverwachting? 10. Past de koppeling in het budget?


Voedingen Hoe selecteert u een voeding? U dient rekening te houden met de volgende zaken: a.) Wat is de netspanning? Bijvoorbeeld: Europa heeft 230VAC 50Hz en in de USA is 115VAC 60 Hz de standaard. b.) Wat is de maximale voedingsspanning van de versterker? De voedingsspanning bepaalt het maximale toerental van de motor. De maximale voedingsspanning van de versterker moet in acht genomen worden. De uitgangsspanning van de geselecteerde voeding mag in worst case condities - onbelast en wanneer de netspanning 10% hoger is - niet boven het maximum van de versterker uitkomen. De spanning kan worden "opgepompt" doordat de motor als generator gaat werken wanneer er dynamisch geremd (4Q) wordt en de massatraagheid van de last hoog is. Dit kan tot gevolg hebben dat de versterker beschadigd raakt wanneer hierbij de maximale voedingsspanning van de versterker overschreden wordt. Een shunt regelaar (of ballast schakeling ) is dan nodig om de spanning te begrenzen door energie te dissiperen via een weerstand (ook wel remweerstand genoemd). c.) Wat is de benodigde uitgangsstroom? Allereerst moet bekend zijn hoeveel koppel de applicatie nodig heeft en hoeveel motorstroom nodig is om dit koppel te genereren. Ten tweede moet er gekeken worden naar de eerder geselecteerde spanning. Hierna is het mogelijk de benodigde voedingsstroom te berekenen met de volgende formule. Pin= Pout (gesteld rendement =100%) Uin*Iin =Uout *Iout Voorbeeld: Motor: heeft 24V en 5A nodig (120W) Versterker : AMC 12A8 ( Umin = 20VDC Umax= 80VDC) Selectie voeding: 40 VDC x 3A -> (120W) of 60 VDC x 2A -> (120W) LET OP!! 12VDC *10 is ook 120W, maar 12 V is lager dan Vmin van de versterker.

All round in ‘Motion control’ roterend, lineair en combinaties van beide!

ERIKS | Aandrijftechniek Schoonhoven

ERIKS bv Aandrijftechniek Schoonhoven Broeikweg 25 2871 RM SCHOONHOVEN T. + 31 (0) 182 303 456 F. + 31 (0) 182 386 920 E. [email protected] W. www.elmeq.nl | www. eriks-aandrijftechniek.nl

Theorieboekje ERIKS Aandrijftechniek Schoonhoven

Documents

Transcript of Theorieboekje ERIKS Aandrijftechniek Schoonhoven