Kickstart intelligente bewegingsbesturingsontwerpen voor slimme fabricage

De verschuiving naar slimme productie maakt gebruik van geavanceerde technologieën om de opbrengst, productiviteit, flexibiliteit, efficiëntie en veiligheid te verbeteren en tegelijkertijd de kosten te verlagen. Intelligente bewegingsbesturing speelt een cruciale rol in deze transformatie. Vaak moeten oudere fabrieken worden gemoderniseerd door motors en besturingen met vaste snelheid te vervangen door superieure bewegingsbesturingen. Deze apparaten vertrouwen op geavanceerde detectie voor nauwkeurige bewegings- en vermogensregeling. Om een optimale workflow en productieflexibiliteit te bereiken, moeten ontwerpers ook real-time connectiviteit implementeren tussen productiemachines en systemen voor productie-uitvoering.

Er zijn veel geavanceerde technologieën en oplossingen op systeemniveau beschikbaar om de migratie naar intelligente bewegingsbesturing mogelijk te maken, maar ontwerpers moeten het systeem vaak zelf in elkaar zetten. Deze situatie is aan het veranderen, nu er uitgebreide oplossingssets beschikbaar zijn om een ontwerp voor bewegingsbesturing op gang te helpen. Deze omvatten componenten voor geïsoleerde stroomdetectie en positieterugkoppeling voor meerassige besturing van de snelheid en het koppel van een motor, evenals sensoren voor bewaking van de gezondheid van de machine om ongeplande stilstand te verminderen. Er zijn ook snelle netwerkinterfaces die het delen van gegevens tussen machines en besturings- en beheernetwerken op een hoger niveau vergemakkelijken.

Dit artikel bespreekt kort het belang van een verbeterde motorbesturing. Vervolgens worden oplossingen van Analog Devices voor intelligente bewegingsbesturing geïntroduceerd, waaronder voedings-, detectie- en netwerkcomponenten, en wordt besproken hoe deze worden toegepast.

Waarom intelligentere motorbesturing nodig is

Elektrische motors vormen de basis van industriële bewegingsbesturing en zijn goed voor maar liefst 70% van het vermogen dat in de industrie wordt gebruikt. Dit percentage industrieel vermogen vertegenwoordigt ongeveer 50% van het wereldwijde elektriciteitsverbruik. Daarom is er zoveel moeite gedaan om de efficiëntie van bewegingsbesturing te verbeteren, waarbij intelligente motorbesturing veel voordelen biedt.

De eerste bewegingsbesturing was gebaseerd op basismotors die op het elektriciteitsnet waren aangesloten en dit is geëvolueerd naar de huidige geavanceerde meerassige servomotorische robotactuators. Deze evolutionaire ontwikkeling heeft de toenemende complexiteit gevolgd die nodig is om de hogere niveaus van efficiëntie, prestatie, betrouwbaarheid en zelfvoorziening te leveren die nodig zijn voor slimme fabricage (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Bewegingsbesturing is geëvolueerd van netgekoppelde motors met vaste snelheid naar intelligente bewegingsbesturingssystemen met meerassige servomotors. (Bron afbeelding: Analog Devices Inc.)

De verschillende soorten motorbesturing omvatten:

• Vaste snelheid: De oudste en meest elementaire bewegingsbesturingen zijn gebaseerd op op het net aangesloten 3-fasen wisselstroommotors die op een vaste snelheid werken. Schakelapparatuur biedt aan/uit-regeling en beveiligingscircuits. Elke vereiste verlaging van de output wordt mechanisch bereikt.
• Invertergestuurde motor: De toevoeging van een gelijkrichter, een DC-bus en een 3-fasen inverterfase creëert een variabele frequentie en een variabele spanningsbron die op de motor wordt toegepast om een variabele snelheidsregeling mogelijk te maken. Deze invertergestuurde motor maakt een aanzienlijke vermindering van het energieverbruik mogelijk door de motor op de optimale snelheid voor de belasting en toepassing te laten draaien.
• Variabele snelheidsaandrijving (VSD): VSD wordt gebruikt voor toepassingen die extra precisie nodig hebben voor de regeling van motorsnelheid, -positie en -koppel. VSD bereikt deze regeling door sensoren voor het meten van stroom en positie toe te voegen aan de basisaandrijving met spanningsregelaar.
• Servogestuurd systeem: Meerdere VSD's kunnen worden gesynchroniseerd tot meerassige servogestuurde systemen om nog complexere bewegingen te realiseren voor toepassingen zoals CNC-bewerkingsmachines (Computer Numerical Control) waar uiterst nauwkeurige positieterugkoppeling nodig is. Bij CNC-bewerking worden gewoonlijk vijf assen gecoördineerd en soms wel twaalf assen met gecoördineerde bewegingen.

Robots: Industriële, collaboratieve en mobiele

Industriële robots combineren meerassige bewegingsbesturing met mechanische integratie en geavanceerde besturingssoftware om doorgaans driedimensionale positionering langs zes assen mogelijk te maken.

Collaboratieve robots, of cobots, zijn bedoeld om veilig naast mensen te functioneren. Ze zijn gebouwd op industriële robotplatforms door het toevoegen van veiligheidssensors en vermogens- en krachtbegrenzende mogelijkheden om een functioneel veilige robotwerknemer te leveren.

Ook mobiele robots gebruiken functioneel veilige machinebesturing, maar voegen lokalisatiesensors, routebesturing en het vermijden van botsingen toe aan de robotische capaciteiten.

In elk stadium van de ontwikkeling van bewegingsbesturingssystemen is de complexiteit toegenomen, vaak aanzienlijk. Er zijn vier sleutelfactoren die intelligente bewegingssystemen aandrijven:

• Lager energieverbruik
• Agile productie
• Digitale transformatie
• Minder stilstandtijd voor maximaal gebruik van bedrijfsmiddelen

De toepassing van motors met een hoog rendement en VSD's met een lager verlies, evenals de toevoeging van intelligentie aan bewegingsbesturingstoepassingen, zijn sleutelfactoren in het bereiken van een aanzienlijke energie-efficiëntie via slimme productie.

Agile productie is afhankelijk van snel herconfigureerbare productielijnen. Deze flexibiliteit is nodig om te kunnen inspelen op de fluctuerende vraag van consumenten naar een gevarieerd aanbod van producten in kleinere hoeveelheden. Industriële robots spelen een cruciale rol bij het uitvoeren van complexe en repetitieve bewerkingen, waardoor de doorvoer en productiviteit toenemen.

Digitale transformatie omvat de capaciteit om bewegingsbesturing en uitgebreide sensorgegevens van de hele productiefaciliteit in een netwerk op te nemen en deze gegevens in realtime te delen. Dergelijke connectiviteit maakt cloudgebaseerde computing en AI-algoritmen (kunstmatige intelligentie) mogelijk om productieworkflows te optimaliseren en het gebruik van bedrijfsmiddelen te verbeteren.

Het gebruik van bedrijfsmiddelen dient als basis voor verschillende nieuwe bedrijfsmodellen en richt zich op de productiviteit van bedrijfsmiddelen in de fabriek, niet alleen op de initiële installatiekosten. Systeemleveranciers zijn steeds meer geïnteresseerd in het factureren van diensten op basis van de uptime of productiviteit van deze bedrijfsmiddelen. Deze benadering maakt gebruik van voorspellende onderhoudsdiensten, die vertrouwen op real-time bewaking van elke machine om de productiviteit te verhogen en ongeplande stilstand te minimaliseren.

Vereisten voor componenten voor intelligente bewegingsbesturing

Ontwerpers moeten zich ervan bewust zijn dat intelligente bewegingstoepassingen oplossingen op systeemniveau vereisen voor meerdere ontwerpgebieden in een typische signaalketen van een motoraandrijving (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Weergegeven zijn componentoplossingen die hogere prestatieniveaus mogelijk maken op zes belangrijke gebieden in een intelligente bewegingstoepassing. (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

De belangrijkste gebieden waaraan ontwerpers prioriteit moeten geven zijn vermogenselektronica, bewegingsbesturing, stroomdetectie, positiebepaling, netwerkinterfacing en bewaking van de gezondheid van de machine. Analog Devices biedt meerdere apparaten op elk gebied voor ontwerpers om te overwegen bij het updaten van oudere ontwerpen of om opnieuw te beginnen.

Vermogenselektronica

Vermogenselektronica vergemakkelijkt de vermogensomzetting van DC- naar PWM-vermogensingangen (Pulse Width Modulated) in een motoraandrijvingssysteem.

De vermogensomzetting in een motoraandrijvingssysteem begint met een hoogspanningsgelijkstroombron, meestal afkomstig van het wisselstroomnet. Zoals geïllustreerd in Afbeelding 2, is het vermogenselektronicagedeelte geconfigureerd met behulp van een driefasige halfbrugtopologie met MOSFET's. De poorten van de bovenste MOSFET's zweven ten opzichte van massa en vereisen een geïsoleerde driver. Een geschikte optie is de ADUM4122CRIZ van Analog Devices. Dit is een geïsoleerde gatedriver die tot 5 kilovolt (kV) root mean square (rms) isolatie biedt. Het hoge isolatieniveau wordt bereikt door een combinatie van snelle complementaire metaaloxide halfgeleidertechnologie (CMOS) en monolithische transformatortechnologie. Deze gate driver heeft een instelbare zwenksnelheidsregeling, die het verlies aan schakelvermogen en elektromagnetische interferentie (EMI) minimaliseert. Dit is vooral belangrijk als apparaten met galliumnitride (GaN) of siliciumcarbide (SiC) worden gebruikt, gezien hun hogere schakelsnelheden.

De onderste MOSFET's hebben hun bronelementen aan massa gerefereerd en kunnen de LTC7060IMSE#WTRPBF van Analog Devices gebruiken, een 100 volt halfbrugdriver met zwevende massa.

De eindtrappen van zowel de drivers voor de lage kant als de hoge kant zijn zwevend en niet verbonden met massa. Deze unieke dubbel zwevende architectuur maakt de gate driver uitgangen robuust en minder gevoelig voor massaruis. Bovendien bevatten de apparaten een adaptieve doorschietbeveiliging met programmeerbare dode tijd om te voorkomen dat beide halfbrug-schakelapparaten tegelijkertijd inschakelen.

Bewegingscontroller

De bewegingscontroller dient als het brein van het bewegingsbesturingssysteem. De centrale processor genereert de PWM-signalen die de vermogenselektronica aansturen. Deze signalen zijn gebaseerd op commando's van een centraal regelcentrum en feedback van de motor, zoals stroom, positie en temperatuur. Op basis van deze gegevens bepaalt de controller de snelheid, de richting en het koppel van de motor. De controller bevindt zich vaak op afstand en wordt geïmplementeerd via een FPGA of een speciale processor, en vereist geïsoleerde communicatieverbindingen.

Hiervoor kan een seriële datalink zoals de ADM3067ETRZ-EP van Analog Devices worden gebruikt. Dit is een door elektrostatische ontlading (ESD) beschermde, full-duplex, 50 megabit per seconde (Mbps) RS485-zendontvanger. Het is geconfigureerd om seriële communicatie met hoge bandbreedte van de sensors voor positieterugkoppeling terug te sturen naar de bewegingscontroller. Deze seriële lijn is beschermd tegen ESD tot ±12 kV en kan werken over een temperatuurbereik van -55 tot +125 °C.

Stroommeting

Stroomterugkoppeling van de motor is de primaire terugkoppelingsparameter voor besturing. Aangezien stroomterugkoppeling de totale regelbandbreedte en dynamische respons van het bewegingsregelsysteem bepaalt, moet het terugkoppelmechanisme zeer nauwkeurig zijn en een hoge bandbreedte hebben om een nauwkeurige bewegingsbesturing te garanderen.

Er zijn twee veelgebruikte stroommeettechnieken:

• Shuntmetingen vereisen het plaatsen van een weerstand of shunt met lage waarde in serie met de te meten geleider. De differentiële spanningsval over de shunt wordt dan gemeten, meestal met behulp van een analoog-digitaalconvertor (ADC) met hoge resolutie. Shuntstroommetingen worden beperkt door de spanningsval en vermogensdissipatie in de shuntweerstand en zijn beperkt tot toepassingen met lage tot middelhoge stromen.
• Magnetische stroomdetectie meet de stroom door het magnetische veld in de buurt van de geleider te evalueren met behulp van contactloze anisotrope magnetoresistentiemetingen (AMR). De weerstand van het AMR-apparaat, die varieert met het magnetische veld en dus de stroom, wordt gemeten met een weerstandsbrug.

Magnetische stroommeting elimineert de spanningsval en het daaropvolgende vermogensverlies in shuntweerstanden, waardoor het beter geschikt is voor hoge stroommetingen. De meting is ook elektrisch geïsoleerd van de gemeten geleider.

Voor geïsoleerde stroommetingen kan de ADUM7701-8BRIZ-RL van Analog Devices worden gebruikt. Dit is een krachtige 16-bits tweede-orde sigma-delta ADC die een analoog ingangssignaal, van een spanningsval over een sensorweerstand, omzet in een snelle, single-bit digitaal geïsoleerde gegevensstroom.

Een alternatief voor stroommetingen is de AD8410AWBRZ-stroomdetectieversterker met hoge bandbreedte. Dit is een verschilversterker met een versterking van 20, een bandbreedte van 2,2 megahertz (MHz) en een laag offsetdrift (~1 microvolt per graad Celsius (μV/°C)). Met een DC common mode rejection ratio (CMRR) van 123 decibel (dB) kan hij bidirectionele stroommetingen aan met common mode ingangen tot 100 volt.

Positiedetectie

Rotatiepositiesensor gebaseerd op magnetische AMR-positiesensors biedt een kosteneffectiever alternatief voor optische encoders. Deze sensors hebben als bijkomend voordeel dat ze robuust zijn in industriële omgevingen, waar ze vaak worden blootgesteld aan stof en trillingen. Feedback over de motorashoek kan worden gebruikt voor directe positieregeling in servosystemen of voor het bepalen van de rotatiesnelheid.

De ADA4571BRZ-RL van Analog Devices is een AMR-sensor met signaalconditionering en ADC-drivercircuits in de behuizing (afbeelding 3).

Afbeelding 3: Weergegeven is een functioneel blokschema van de ADA4571BRZ-RL-hoeksensor, samen met de grafiek van de sinus- en cosinusuitgangen als functie van de draaihoek. (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

De ADA4571BRZ-RL is een magnetoresistieve hoeksensor die gebruikmaakt van dubbele AMR-sensors met temperatuurcompensatie om de ashoek te detecteren over een bereik van 180° (±90°) met een nauwkeurigheid van <0,1° fout (<0,5° over levensduur/temperatuur). Dit apparaat produceert zowel sinus als cosinus analoge uitgangen die de hoekpositie van het omringende magnetische veld aangeven. Het apparaat kan in magnetisch zware omgevingen werken en heeft geen last van verslechtering van de hoekafleesfout bij grote luchtspleten.

De uitgangen van de hoeksensor kunnen worden aangesloten op de AD7380BCPZ-RL7 van Analog Devices, een dubbele 16-bits ingang, successive approximation register (SAR) ADC. Deze ADC bemonstert gelijktijdig op beide differentiële ingangskanalen met maximaal 4 megasamples per seconde (MSPS). Een interne overbemonsteringsfunctie verbetert de prestaties. Overbemonstering is een veelgebruikte techniek om de ADC-nauwkeurigheid te verhogen. Door meerdere monsters van de analoge ingang vast te leggen en te middelen, vermindert deze functie de ruis met behulp van de modi normaal gemiddelde of voortschrijdend gemiddelde overbemonstering. Overbemonstering kan ook helpen om een hogere nauwkeurigheid te bereiken onder langzamere bedrijfsomstandigheden.

Netwerkinterface

Slim produceren is gebaseerd op een netwerk van intelligente bewegingstoepassingen die gegevens uitwisselen tussen de machines op de fabrieksvloer en het centrale besturings- en beheernetwerk. Dit delen vereist robuuste connectiviteit. Hiervoor kunnen ontwerpers de laag-vermogen en laag-latency Ethernet physical layers (PHY's) van Analog Devices gebruiken, inclusief de ADIN1300CCPZ Ethernet PHY-zendontvanger. De ADIN1300CCPZ werkt met gegevenssnelheden van 10, 100 of 1000 megabit per seconde (Mbits/s) en is ontworpen om te werken in zware industriële omgevingen, inclusief omgevingstemperaturen tot 105 °C.

Switches worden gebruikt om Ethernetverbindingen te routeren. Analog Devices biedt een industriële Ethernet Layer 2 embedded dual-port switch, de FIDO5200BBCZ. De switch voldoet aan IEEE 802.3 op 10 en 100 Mbits/s en ondersteunt zowel half- als full-duplex modi voor ondersteuning van industriële Ethernet-protocollen PROFINET, Ethernet/IP, EtherCAT, Modbus TCP en Ethernet POWERLINK.

Gezondheid van de machine

Bewaking van de gezondheid van machines maakt gebruik van sensoren om fysieke parameters zoals trillingen, schokken en temperatuur te meten, waardoor real-time inzicht wordt verkregen in de toestand van een machine. Door deze gegevens te loggen tijdens standaardbewerkingen van de bewegingsbesturing en ze na verloop van tijd te analyseren, wordt het mogelijk om de mechanische gezondheid van de machine nauwkeurig te beoordelen. Deze gegevensgestuurde aanpak maakt voorspellende onderhoudsschema's mogelijk, die niet alleen de operationele levensduur van de machine verlengen, maar ook de ongeplande stilstand aanzienlijk verminderen.

Om de machine gezond te maken, moeten er trillings- en schoksensors in de motor worden geïnstalleerd. De ADXL1001BCPZ-RL ±100 g versnellingsmeter voor micro-elektromechanische systemen (MEMS) is een voorbeeld van een sensor met weinig ruis en een -3 dB bandbreedte van 11 kilohertz (kHz). Het is een alternatief met hoge bandbreedte en lager vermogen voor piëzo-elektrische sensors. Voor toepassingen die metingen langs drie assen vereisen, kan de ADXL371 een geschikte keuze zijn.

Conclusie

Intelligente bewegingsbesturing is essentieel om slimme fabrieken mogelijk te maken en vereist zorgvuldig gekozen elektronische componenten om effectief te kunnen worden geïmplementeerd. Zoals u kunt zien, zijn veel van deze componenten al samengesteld om een ontwerp te starten. Ze omvatten vermogenselektronica om de motor aan te drijven, stroom- en positiesensors om nauwkeurige feedbackgegevens te leveren voor precieze en nauwkeurige bewegingsbesturing, industriële netwerkconnectiviteit om inzichten op systeemniveau te bieden om de productiestroom te optimaliseren, en trillings- en schoksensors om de gezondheid van machines te bewaken om ongeplande stilstandtijd te verminderen en de operationele levensduur van bedrijfsmiddelen te verlengen.