Die Bewegungssteuerung ist ein entscheidendes Element vieler Automatisierungssysteme. Die Bewegung kann auf verschiedene Arten gesteuert werden, z. B. linear, rotierend oder positionierend. Positionsbewegungen können in bestimmten Anwendungen verwendet werden, z. B. um Geräte an einen bestimmten Ort zu befördern. In vielen Fällen kann die Bewegungssteuerung auch zur Steuerung der Bewegungsrichtung verwendet werden.
Servomotoren
Servomotoren werden in Bewegungssteuerungssystemen verwendet, um eine Last zu bewegen. Der Motor ist mit einem Positionsgeber gekoppelt, der Positions- und Geschwindigkeitsrückmeldungen liefert. Der Encoder vergleicht die Position der Ausgangswelle mit der Position des Befehls, der der externe Eingang für die Steuerung ist. Wenn die Befehlsposition nahe an der gewünschten Position liegt, dreht sich der Motor langsam, ist sie jedoch zu weit davon entfernt, dreht sich der Motor sehr schnell. Dieser Vorgang wird als Proportionalsteuerung bezeichnet. Der Motor dreht sich nur so stark, wie es für die Ausführung der Bewegungsaufgabe erforderlich ist.
Servomotoren werden in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt. Sie sind leistungsstark und effizient und bieten eine ausgezeichnete Lösung für viele mechanische Probleme. Diese Motoren sind in zwei Haupttypen erhältlich: Asynchron- und Synchronmotoren. Der Unterschied zwischen diesen beiden Typen liegt in ihrer Konstruktion und ihrem Aufbau. Der Asynchronmotor verwendet zum Beispiel einen Dauermagneten im Rotor anstelle von Bürsten.
Servomotoren werden häufig mit Encodern und Resolvern gekoppelt. Diese Rückmeldegeräte sind in der Regel an der Motorwelle montiert und werden als starr angenommen. Wenn sie nicht übereinstimmen, sendet die Motorsteuerung ein Signal an den Motor, um den Fehler zu korrigieren. Das heißt, selbst wenn der Motor falsch positioniert ist, weiß das Rückmeldesystem, dass es das Drehmoment im Motor anpassen muss.
Servomotoren werden häufig in geschlossenen Kreisläufen, kommerziellen Anwendungen und industriellen Prozessen eingesetzt. Weitere Informationen finden Sie in der RealPars-Lektion über Bewegungssteuerung. Sie bietet einen Überblick über die Grundlagen der Bewegungssteuerung. Die häufigste Anwendung für Servomotoren ist der Einsatz in geschlossenen Regelkreisen.
Servomotoren sind äußerst zuverlässig und vielseitig. Sie sind sehr energieeffizient und können mit hohen Drehzahlen arbeiten. Sie können in vielen verschiedenen Industriezweigen eingesetzt werden und sind für die Automatisierung von Produktionslinien sehr effektiv. Sie werden auch in Strick-, Stick- und Webmaschinen eingesetzt. Darüber hinaus können sie auch in der Robotik eingesetzt werden.
Es gibt eine Vielzahl von Servomotoren, die Ihnen dabei helfen können, den richtigen Motor für Ihre Bedürfnisse zu finden. Ganz gleich, ob Sie ein schweres Objekt oder einen einfachen Schraubenzieher bewegen müssen, es gibt einen Servomotor, der Ihre Anforderungen erfüllt.
Relative Rückführgeräte
In der Bewegungssteuerung werden Rückführgeräte zur Bestimmung von Position und Verschiebung verwendet. Sie können zur absoluten Positionsmessung oder zur relativen inkrementellen Messung verwendet werden. Absolute Positionssensoren melden ihre Position innerhalb eines einzigen elektrischen Zyklus, während inkrementale Sensoren für jedes Bewegungsinkrement Ausgangsimpulse liefern. Diese Geräte können für hochpräzise Messungen verwendet werden, z. B. in der Robotik, die ein präzises, von Endeffektoren aufgebrachtes Drehmoment erfordert.
Eine gängige Methode zur Berechnung des Positionsausgleichs ist die Verwendung eines Master-Slave-Systems. Diese Methode kann verwendet werden, um den Fehler des Master-Slave-Systems zu reduzieren und die Verfolgungsleistung zu verbessern. Dieses System eignet sich nicht nur für die Nachführung, sondern auch für die inkrementelle Arbeitsraumabbildung. Es kann auch für die Steuerung im geschlossenen Regelkreis verwendet werden.
Die Qualität der Rückmeldesensoren ist ein wesentlicher Faktor für die Leistung herkömmlicher Steuerungssysteme. Um eine optimale Leistung zu erzielen, legen die Ingenieure von Steuerungssystemen in der Regel rauscharme Rückkopplungssignale fest. Der Grund dafür ist, dass Rauschen in den Rückkopplungssignalen die Reaktion des Steuersystems beeinträchtigen kann. Außerdem gibt es verschiedene Arten von Rückkopplungssensoren. Einige sind sehr robust, während andere für Präzisionslaborgeräte geeignet sind.
Ein modernerer Ansatz zur Bewegungssteuerung beinhaltet eine Kombination aus Encodern und Resolvern. Diese Geräte erfassen die Position der Motorwelle. Diese Geräte werden in der Regel entweder extern oder innerhalb des Motorgehäuses angebracht. Um eine möglichst genaue Position zu erhalten, werden diese Geräte normalerweise mit einem Widerstand kombiniert.
Die Kraftrückführung ist eine alternative Methode zur Positionsbestimmung. Eine kleine Masterhand mit Kraftrückführung kann eine herkömmliche Masterhand mit Stahldrahtübertragung ersetzen. Sie hat sechs Freiheitsgrade und ist in der Lage, die Haltung des Roboterarms zu verändern. Sie kann auch die Haltung der Slave-Hand steuern. Auf diese Weise können Roboter in allen Richtungen gesteuert werden.
Interpolationsalgorithmus
Bewegungssteuerungssysteme verwenden Interpolationsalgorithmen, um glatte Bewegungsprofile zu erreichen. Sie verwenden ein mathematisches Modell, das als lineare Interpolation bezeichnet wird, um den kürzesten Abstand zwischen zwei Punkten zu ermitteln. Dieses Modell verwendet zwei Achsen, von denen eine vor der anderen beginnt, und eine konstante maximale Vorschubgeschwindigkeit. Die Algorithmen sind in einer FPGA-Bewegungssteuerung (Field-Programmable Gate Array – System-on-Chip) implementiert.
Die Beschleunigungs-Verzögerungs-Interpolation ist eine Technik zur Glättung von Kurven und wird für Robotersteuerungssysteme verwendet. Diese Methode berechnet den Funktionswert an jedem Knotenpunkt und die Ableitungsinformationen an zwei Grenzen, um die Strecke zu bestimmen, die jede Drehachse zurücklegen wird. Darüber hinaus ist die Umkehrung der Bewegung eine Methode, die bei der Bewegungssteuerung von Robotern eingesetzt wird. Eine lineare Beschleunigungsmethode kann eine hohe Bewegungspräzision erreichen, ist aber nicht gleichmäßig.
Eine andere Methode der Bewegungssteuerung verwendet Referenzimpulse, um ein Referenzgeschwindigkeitsprofil zu erzeugen. Diese Technik basiert auf einem Interrupt-Takt und hat daher eine begrenzte Ausführungszeit für die Interpolation. Durch die synchrone Interpolations-Hardware- und Softwarestruktur werden diese Einschränkungen jedoch überwunden. Darüber hinaus ist sie auf hochpräzise Bewegungssysteme anwendbar und kann Fehler reduzieren.
Der vorgeschlagene Controller verwendet Hochleistungs-DSPs. Ein DSP berechnet das Bewegungsprofil, und die interpolierten Geschwindigkeitsdaten für jede Achse werden über eine Master-Slave-Wisbone-Schnittstelle (MSWI) an ein FPGA-Modul übertragen. Das MSWI-Modul verfügt über eine Wishbone-Master-Schnittstelle, eine Wishbone-Slave-Schnittstelle und einen FIFO-Pufferspeicher-Controller.
Das Verfahren der Interpolationssteuerung ist auch für Servomotoren anwendbar. Der Servo-Treiber kann eine Positions-, Geschwindigkeits- und Drehmomentregelung durchführen. Darüber hinaus kann der Servo-Treiber in das Interpolationsprogramm eingebettet werden, um die Datenmenge und die arithmetischen Fähigkeiten des Host-Computers zu reduzieren.
Kinematikumwandlung
Die Kinematikumwandlung ist ein wichtiger Bestandteil der Roboterbewegungssteuerung. Sie ist eine effiziente Methode, um die Bewegung eines Objekts von einem Referenzrahmen in einen anderen zu übertragen und umgekehrt. Sie hilft bei der Automatisierung komplexer Geschwindigkeitsformungsvorgänge und bei der Bewältigung von Echtzeit-Rechenanforderungen. Es gibt zwei Arten der Kinematikumwandlung: vorwärts und rückwärts.
Die Vorwärtskinematik berechnet die Pose und die Gelenkwinkel des Endeffektors und die Vorwärtskinematik höherer Ordnung berechnet die Gelenkgeschwindigkeiten und -beschleunigungen. Die inverse Kinematik verwendet dieselben Gleichungen, jedoch in umgekehrter Richtung. In diesem Fall berechnet der Roboter die Geschwindigkeiten und Gelenkwinkel des Endeffektors aus seiner aktuellen Position. Die inverse Kinematik höherer Ordnung kann auch Gelenkgeschwindigkeiten und -beschleunigungen berechnen.
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