Theorie - motorsturingen

Frequentie omzetter voor kortsluitankermotor
Regeling voor de asynchrone commutatormotor
Regeling van sleepringankermotoren
Regeling voor synchrone draaistroommotoren
Stappenmotorsturingen
Toerental sturingen voor brushless motoren
Toerental sturingen / regelingen voor dc motoren
Universeel motoren
Versterkers voor servo motoren

(Alle theoriepagina's zijn gebundeld in een ‘Theorieboek'. Op verzoek kunnen wij u dit toesturen. Klik hier om het theorieboek aan te vragen.)

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 elektroniscche 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
Zie hiervoor "Regeling voor de asynchrone commutatormotor".

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.