Hoe ondersteunen servomotoren en -aandrijvingen de coördinatie van meerdere assen?

In moderne industriële automatisering is het vermogen om meerdere bewegingsassen tegelijkertijd te coördineren een van de meest uitdagende taken waarmee ingenieurs worden geconfronteerd. Of het nu gaat om een robotarm met zes assen, een CNC-bewerkingscentrum of een snelle verpakkingslijn: de precisie en synchronisatie die over elke as vereist zijn, moeten onberispelijk zijn. Kern van deze functionaliteit zijn servomotoren en aandrijvingen , die de regeling met terugkoppeling, realtime reactievermogen en communicatie-intelligentie bieden die nodig zijn om meervoudige ascoördinatie niet alleen mogelijk te maken, maar ook betrouwbaar en reproduceerbaar op productieschaal.

Om te begrijpen hoe servomotoren en servoregelaars meervoudige assen coördineren, moet men verder kijken dan de prestaties van afzonderlijke assen. Dit betekent dat men onderzoekt hoe elke regelaar communiceert met een centrale besturing, hoe positie- en snelheidsfeedback tussen de assen wordt gesynchroniseerd en hoe de systeemarchitectuur nauwkeurige interpolatie tussen bewegingen mogelijk maakt. In dit artikel worden de mechanismen, communicatieprotocollen en technische principes uiteengezet die servomotoren en servoregelaars in staat stellen te functioneren als een geïntegreerd, gecoördineerd bewegingssysteem, in plaats van als een verzameling onafhankelijke actuatoren.

De rol van de gesloten-regelkring in meervoudige-assen-systemen

Waarom feedback de basis vormt van coördinatie

Multi-assencoördinatie is volledig afhankelijk van het feit dat elk as op elk moment precies weet waar hij zich bevindt. Servomotoren en servoregelaars bereiken dit via regeling met een gesloten lus, waarbij een encoder met hoge resolutie voortdurend de werkelijke positie van de motor terugmeldt naar de regelaar. De regelaar vergelijkt deze terugkoppeling met de opgegeven positie en voert in realtime correcties uit om elke fout te elimineren. Zonder deze terugkoppelingslus zouden zelfs kleine afwijkingen op één as zich door het systeem heen versterken, waardoor het gecoördineerde pad afwijkt en de uiteindelijke uitvoer onnauwkeurig wordt.

In een multi-assomgeving werkt elk servoregelaar zijn eigen gesloten lus onafhankelijk, terwijl het tegelijkertijd gesynchroniseerde opdrachten ontvangt van een hoofdregelaar. Deze dubbele verantwoordelijkheid — lokale correctie en globale synchronisatie — maakt servomotoren en -regelaars uniek geschikt voor gecoördineerde beweging. Een stappermotor daarentegen werkt in open lus en kan zijn werkelijke positie niet bevestigen, waardoor deze ongeschikt is voor toepassingen waarbij assen elkaar met submillimeterprecisie moeten volgen.

De resolutie van de encoder speelt hier een cruciale rol. Encoder's met een hogere resolutie, zoals optische encoders met 23 bits, leveren meer dan acht miljoen pulsen per omwenteling, waardoor de regelaar een uiterst gedetailleerd beeld krijgt van de positie van de motor. Deze fijnmazigheid stelt de regelaar in staat om zelfs de kleinste positionele fouten te detecteren en te corrigeren voordat deze zich voortplanten in het gecoördineerde bewegingspad, wat essentieel is wanneer meerdere assen samen een complexe trajectoire moeten volgen.

Snelheids- en koppelregelcircuits ter ondersteuning van positienauwkeurigheid

Servomotoren en -aandrijvingen werken doorgaans met drie geneste regelcircuits: een buitenste positieregelcircuit, een middelste snelheidsregelcircuit en een binnenste koppelregelcircuit. Elk circuit wordt met een andere actualisatiefrequentie uitgevoerd, waarbij het koppelregelcircuit het snelst werkt — vaak op tientallen kilohertz — om ervoor te zorgen dat de motor onmiddellijk reageert op belastingsveranderingen. Deze in serie geschakelde structuur betekent dat, wanneer één as plotseling wordt belast, de aandrijving binnen microseconden compenseert, waardoor de storing geen invloed heeft op het gecoördineerde bewegingspad.

In toepassingen met meerdere assen is deze snelle koppelreactie vooral belangrijk tijdens versnellings- en vertragingfases, waarbij traagheidsverschillen tussen de assen kunnen leiden tot een achterblijvende as. Goed afgestemde servomotoren en -aandrijvingen beheren deze overgangen vlot door het koppel dynamisch aan te passen, waardoor alle assen ook bij de meest veeleisende bewegingsprofielen op hun opgegeven traject blijven.

Communicatieprotocollen die realtime-synchronisatie mogelijk maken

EtherCAT en deterministische netwerktiming

De synchronisatie van meerdere servomotoren en aandrijvingen over een machine hangt sterk af van het communicatieprotocol waarmee zij met de bewegingscontroller zijn verbonden. EtherCAT is uitgegroeid tot één van de meest gebruikte protocollen voor dit doel, omdat het deterministische, cyclusduur-consistente communicatie biedt met bijwerkfrequenties van wel 250 microseconden. In een systeem met meerdere assen ontvangt elke aandrijving zijn positieopdracht op precies hetzelfde moment binnen elke communicatiecyclus, wat garandeert dat alle assen tegelijkertijd hun bewegingsupdates starten.

Deze deterministiek is wat industriële fieldbusprotocollen onderscheidt van standaard Ethernet. In een conventioneel netwerk variëren de pakketbezorgingstijden onvoorspelbaar, wat zou leiden tot het ontvangen van commando’s door verschillende assen op lichtelijk verschillende tijdstippen. Zelfs een jitter van slechts enkele microseconden tussen de assen kan in hoogwaardige toepassingen zichtbare baanafwijkingen veroorzaken. EtherCAT elimineert dit probleem door gebruik te maken van een ringtopologie, waarbij elk aandrijfstation zijn data leest en schrijft terwijl het frame erdoorheen gaat, en waarbij de volledige cyclus wordt voltooid binnen een vaste, herhaalbare tijdspanne.

Servomotoren en servoregelaars die zijn ontworpen voor EtherCAT-integratie, omvatten hardware-synchronisatiefuncties zoals gedistribueerde klokken, waarmee de interne timers van elke regelaar op het netwerk tot op nanoseconden nauwkeurig worden gesynchroniseerd. Deze kloksynchronisatie zorgt ervoor dat alle regelaars hun bewegingsupdates op hetzelfde fysieke moment uitvoeren, zelfs als de communicatiecyclus vertraging introduceert, waardoor een nauwe synchronisatie tussen assen gedurende de gehele bewegingssequentie wordt gehandhaafd.

Andere veldbusopties en hun afwegingen

Hoewel EtherCAT een toonaangevende keuze is voor hoogwaardige multi-assystemen, zijn servomotoren en -aandrijvingen ook verkrijgbaar met ondersteuning voor andere industriële protocollen, waaronder PROFINET, CANopen en MECHATROLINK. Elk protocol biedt verschillende afwegingen op het gebied van cyclustijd, netwerktopologie en compatibiliteit met besturingen. CANopen is bijvoorbeeld goed gevestigd in eenvoudigere multi-assystemen waarbij actualisatiesnelheden van enkele milliseconden acceptabel zijn, terwijl PROFINET IRT deterministische prestaties biedt die geschikt zijn voor coördinatietaken met matige snelheid.

De keuze van het protocol beïnvloedt niet alleen de kwaliteit van de synchronisatie, maar ook de complexiteit van de systeemarchitectuur. Technici die servomotoren en aandrijvingen selecteren voor een nieuwe multi-assenmachine moeten rekening houden met de native protocolondersteuning van de controller, het aantal assen dat moet worden gecoördineerd, de vereiste bijwerkfrequentie en de beschikbare kabelinfrastructuur in de installatie. Een juiste keuze op het ontwerpniveau voorkomt kostbare nabouwmaatregelen later en zorgt ervoor dat het systeem kan schalen indien in de toekomst extra assen worden toegevoegd.

Interpolatiemodi en gecoördineerde baanuitvoering

Lineaire en cirkelvormige interpolatie over assen

Multi-assencoördinatie gaat niet eenvoudigweg over het onafhankelijk bewegen van elke as naar een doelpositie. In de meeste praktijktoepassingen moeten de assen samen langs een gedefinieerd pad bewegen — een rechte lijn, een boog of een complexe splinecurve — waarbij de verhouding van beweging tussen de assen voortdurend verandert gedurende de beweging. Dit wordt interpolatie genoemd en is een van de belangrijkste functies die servomotoren en -aandrijvingen moeten ondersteunen om echte multi-assencoördinatie mogelijk te maken.

Bij lineaire interpolatie berekent de bewegingscontroller de vereiste snelheidsverhouding tussen de assen, zodat alle assen gelijktijdig op de doelpositie aankomen en een rechte lijn volgen in de gecombineerde bewegingsruimte. Voor een twee-assig systeem dat een gereedschap diagonaal verplaatst, betekent dit dat de X- en Y-assen moeten versnellen, bewegen en vertragen in een nauwkeurig gecoördineerde verhouding. Servomotoren en servoregelaars voeren dit uit door positieopdrachten te ontvangen die de geïnterpoleerde traject al coderen; zij werken hun doelposities elke communicatiecyclus bij om het pad nauwkeurig te volgen.

Circulaire interpolatie breidt dit concept uit naar bogen en cirkels, waarbij de besturingseenheid voortdurend de snelheidscomponenten voor elke as moet herberekenen naarmate de bewegingsrichting verandert. Hoe sneller de beweging en hoe kleiner de boog, des te veeleisender wordt de interpolatie. Hoogwaardige servomotoren en servoregelaars met snelle communicatiecycli en lage latentie zijn essentieel om de baannaauwkeurigheid onder deze omstandigheden te behouden, met name in toepassingen zoals lasersnijden of precisieslijpen, waarbij de contournauwkeurigheid direct van invloed is op de productkwaliteit.

Elektronische tandwieloverbrenging en kamprofielen

Naast geïnterpoleerd padvolgen ondersteunen servomotoren en -aandrijvingen meervoudige ascoördinatie via elektronische tandwieloverbrenging en elektronische nokfuncties. Elektronische tandwieloverbrenging stelt een as in staat een andere as te volgen met een gedefinieerde verhouding, waardoor een mechanische versnellingsbak effectief wordt vervangen door een softwaregebaseerde relatie. Deze functie wordt veel gebruikt in de druk-, conversie- en wikkeltoepassingen, waarbij een volgasse een hoofdas moet volgen met een nauwkeurige snelheidsverhouding die tijdens de werking van de machine kan worden aangepast zonder deze stil te zetten.

Elektronische nokprofielen gaan hier verder op door een niet-lineaire relatie te definiëren tussen de positie van een masteras en de positie van een volgas, opgeslagen als een opzoektafel of wiskundige functie binnen de aandrijving of controller. Naarmate de masteras beweegt, voert de volgas een complex bewegingsprofiel uit dat onmogelijk te realiseren zou zijn met een fysieke nok. Servomotoren en aandrijvingen met voldoende verwerkingskracht en geheugen kunnen deze nokprofielen volledig in realtime uitvoeren, terwijl ze tegelijkertijd hun eigen gesloten-regelkringpositieregeling handhaven, waardoor zeer flexibele machineontwerpen mogelijk worden die uitsluitend via software kunnen worden hergeconfigureerd.

Overwegingen voor systeemarchitectuur bij multi-assystemen

Gecentraliseerde versus gedistribueerde besturingsarchitecturen

De manier waarop servomotoren en aandrijvingen binnen de besturingsarchitectuur van een machine zijn georganiseerd, heeft een aanzienlijke invloed op de kwaliteit waarmee meervoudige assen kunnen worden gecoördineerd. In een gecentraliseerde architectuur verwerkt één bewegingscontroller alle interpolatieberekeningen en verzendt positiecommando’s naar elke aandrijving via een veldbusnetwerk. Deze aanpak biedt de controller volledig inzicht in alle assen en maakt het eenvoudig om complexe gecoördineerde bewegingsprofielen te implementeren, maar stelt hoge eisen aan het verwerkingsvermogen van de controller en de communicatiesnelheid van het netwerk.

In een gedistribueerde architectuur wordt meer intelligentie naar de individuele servomotoren en -aandrijvingen zelf verplaatst. Elke aandrijving kan zijn eigen interpolatiesegment verwerken of een vooraf geladen bewegingsprogramma uitvoeren, terwijl de centrale controller uitsluitend hoogwaardige coördinatiesignalen levert. Dit vermindert de benodigde communicatiebandbreedte en kan de fouttolerantie verbeteren, aangezien een storing in één aandrijving niet noodzakelijkerwijs het gehele systeem tot stilstand brengt. Moderne servomotoren en -aandrijvingen ondersteunen steeds vaker zowel deze als andere architecturen, waardoor machinebouwers de flexibiliteit krijgen om de aanpak te kiezen die het beste aansluit bij hun toepassingsvereisten.

Afstemming en inbedrijfstelling voor gecoördineerde prestaties

Zelfs de meest geschikte servomotoren en aandrijvingen leveren geen goede meervoudige-ascoördinatie als ze niet correct zijn afgestemd. Elke as heeft zijn eigen mechanische kenmerken — traagheid, wrijving, vervormbaarheid en resonantiefrequenties — die in de regelparameters van de aandrijving moeten worden meegenomen. Als één as te agressief is afgestemd en een andere te conservatief, reageren de assen anders op hetzelfde commandoprofiel, wat leidt tot baanafwijkingen en mogelijk mechanische spanning op de scharnieren of koppelingen tussen de assen.

Moderne servomotoren en aandrijvingen zijn uitgerust met functies voor automatische afstemming die de mechanische belasting meten en automatisch de initiële regelkringparameters berekenen. Deze automatische afstemroutines verminderen de inbedrijfstellingstijd van machines met meerdere assen aanzienlijk, maar worden doorgaans gevolgd door handmatige fijnafstemming om de prestaties te optimaliseren voor de specifieke bewegingsprofielen die de machine zal uitvoeren. Ingenieurs moeten de nauwkeurigheid van gecoördineerde baanbewegingen altijd verifiëren onder werkelijke productieomstandigheden, en niet alleen tijdens statische of lage-snelheidstests, omdat dynamische effecten pas zichtbaar worden bij volledige bedrijfssnelheid.

Trillingsonderdrukkingsfilters die zijn ingebouwd in servomotoren en -aandrijvingen zijn een andere belangrijke afsteloptie voor meervoudige-assystemen. Mechanische resonanties in de machineconstructie kunnen ervoor zorgen dat één as gaat trillen, waardoor aangrenzende assen via gedeelde constructiedelen worden verstoord. Niet-filters en laagdoorlaatfilters in de aandrijving kunnen deze resonanties onderdrukken zonder de bandbreedte van de positieregelkring significant te verminderen, waardoor het systeem zowel hoge stijfheid als vloeiende gecoördineerde beweging kan bereiken.

Veelgestelde vragen

Wat maakt servomotoren en -aandrijvingen beter dan stappenmotoren voor coördinatie van meerdere assen?

Servomotoren en -aandrijvingen gebruiken een gesloten-regelkringfeedback om continu de positie te verifiëren en te corrigeren, wat essentieel is wanneer meerdere assen elkaar nauwkeurig moeten volgen. Stappermotoren werken in een open-regelkring en kunnen hun werkelijke positie niet bevestigen, waardoor ze onder belasting gevoelig zijn voor het missen van stappen. In toepassingen met meerdere assen kan één gemiste stap op één as ervoor zorgen dat het gehele gecoördineerde pad afwijkt, wat de reden is waarom servomotoren en -aandrijvingen de standaardkeuze zijn voor veeleisende coördinatietaken.

Hoe verbetert EtherCAT de synchronisatie van meerdere assen ten opzichte van oudere protocollen?

EtherCAT biedt deterministische communicatie met cyclusperioden van slechts 250 microseconden en gedistribueerde kloksynchronisatie met een nauwkeurigheid binnen nanoseconden. Dit zorgt ervoor dat alle servomotoren en aandrijvingen op het netwerk hun positieopdrachten ontvangen en hun bewegingsupdates uitvoeren op precies hetzelfde moment, waardoor de tijdsjitter wordt geëlimineerd die oudere protocollen introduceren. Het resultaat is een nauwere synchronisatie tussen assen en een betere baanprecisie, vooral bij hoge snelheden, waar zelfs kleine tijdsverschillen zichtbare contourfouten veroorzaken.

Kunnen servomotoren en aandrijvingen zowel positieregeling als momentregeling aansturen in een meervoudig-assen systeem?

Ja. Servomotoren en -aandrijvingen ondersteunen doorgaans meerdere regelmodi — positie, snelheid en koppel — en kunnen dynamisch tussen deze modi overschakelen op basis van commando’s van de bewegingscontroller. In meervoudige-assystemen kunnen sommige assen in positiemodus werken, terwijl andere assen in koppelmodus werken, afhankelijk van de toepassing. Bijvoorbeeld bij een spanningsregeltoepassing kan een wikkelas in koppelmodus werken, terwijl een voeras in positiemodus werkt, waarbij de servomotoren en -aandrijvingen hun uitgangssignalen coördineren om een constante materiaalspanning gedurende het gehele proces te behouden.

Hoeveel assen kunnen servomotoren en -aandrijvingen gelijktijdig coördineren?

Het aantal assen dat servomotoren en aandrijvingen gelijktijdig kunnen coördineren, hangt af van het verwerkingsvermogen van de bewegingscontroller en de bandbreedte van het communicatienetwerk. Moderne, op EtherCAT gebaseerde systemen coördineren routinematig 16, 32 of zelfs meer assen in één gesynchroniseerd netwerk, waarbij alle assen binnen dezelfde communicatiecyclus commando’s ontvangen. De praktische limiet wordt meestal bepaald door de complexiteit van de bewegingsprofielen en de interpolatiecapaciteiten van de controller, en niet door de servomotoren en aandrijvingen zelf, die zijn ontworpen om schaalbaar te zijn met de systeemarchitectuur.