Leitfaden zu Steuerungssystemen für elektrische Linearantriebe

Steuerungssysteme sind integrale Bestandteile beim Betrieb elektrischer Linearantriebe und dienen dazu, den Betrieb zu steuern und das Bewegungsverhalten dieser Geräte zu lenken’. Beliebte Lösungen wie Steuerkästen sind eine Art Steuersystem für Linearantriebe, bei dem alle elektronischen Komponenten in einem Gehäusegehäuse, oft in Form eines Kastens, befestigt sind. Im Wesentlichen interpretiert ein Steuersystem Eingabebefehle, ob manuell oder automatisiert, und übersetzt diese in Signale, die die Bewegung des Aktuators anpassen.

Der Hauptzweck dieser Systeme besteht darin, sicherzustellen, dass Aktuatoren gemäß vordefinierten Parametern genau, effizient und zuverlässig funktionieren. Die Bedeutung von Steuerungssystemen im Aktuatorbetrieb kann nicht genug betont werden, insbesondere wenn es um die Erzielung einer präzisen und effizienten Bewegungssteuerung geht. Diese Systeme sind aus mehreren Gründen von entscheidender Bedeutung:
1. Präzision: Steuerungssysteme ermöglichen die Feinabstimmung der Aktuatorbewegungen, um hohe Werte von repeatability und Genauigkeit zu erreichen. Dies ist bei Anwendungen unerlässlich, bei denen eine genaue Positionierung von entscheidender Bedeutung ist, beispielsweise in der Roboterchirurgie oder der Luft- und Raumfahrttechnik.
2. Effizienz: Durch die Optimierung der Art und Weise, wie Aktuatoren auf Befehle reagieren, reduzieren Steuerungssysteme den Energieverbrauch und minimieren den Verschleiß. Dies verlängert nicht nur die Lebensdauer des Aktuators, sondern steigert auch die Gesamteffizienz des Systems, in dem er arbeitet.
3. Anpassungsfähigkeit: Rückkopplungsmechanismen können das Verhalten kompatibler Aktuatoren in Echtzeit anpassen, indem sie die Positionsrückkopplung kompatibler Aktuatoren analysieren. Diese Anpassungsfähigkeit ist in dynamischen Umgebungen von entscheidender Bedeutung, in denen sich die Bedingungen schnell ändern, beispielsweise bei automatisierten Herstellungsprozessen oder wenn mehrere Aktuatoren eine ungleiche Gewichtsverteilung aufweisen.

4. Integration: Steuerungssysteme ermöglichen häufig die Zusammenarbeit von Aktoren mit anderen bereits vorhandenen Systemen und erleichtern so komplexe Vorgänge anhand einfacher Eingaben, die an das Steuerungssystem gesendet werden. Diese Integration wird durch Fortschritte bei Konnektivität und Programmierung unterstützt. In einigen Steuerungssystemen können ihre eingebauten Transformatoren auch als nahtlose Integration dienen, indem sie gleichzeitig als Spannungswandler dienen, wenn beispielsweise eine 120-VAC-Eingangsquelle zur Stromversorgung eines 12-V DC-Aktuators benötigt wird.

5. Sicherheitsfunktionen: Programmierte Sicherheitsfunktionen wie der Überlastschutz helfen dabei, Schäden an einem Aktuator oder der Anwendung zu verhindern, indem sie den Betrieb stoppen, nachdem der Steuerkasten eine übermäßig hohe elektrische Stromaufnahme erkannt hat. Ein weiteres Sicherheitsmerkmal in den Boxen control umfasst einen Überhitzungsschutz, um den Betrieb nach einer bestimmten Zykluszeit zu stoppen und so sicherzustellen, dass der Betrieb innerhalb der Arbeitszykluswerte eines Aktuators bleibt und so Motorausbrüche vermieden werden. Steuerungssysteme sind für die Funktionalität von Aktuatoren von grundlegender Bedeutung und bieten die notwendige Intelligenz und Anpassungsfähigkeit, um Präzision, Effizienz, Sicherheit und effektive Bewegungssteuerung zu gewährleisten. Ihre Rolle ist von entscheidender Bedeutung im expandierenden Bereich der Automatisierungstechnologie, wo Bewegungspräzision oft der Eckpfeiler des betrieblichen Erfolgs ist.

Steuerungssysteme für elektrische Linearantriebe bestehen aus mehreren Schlüsselkomponenten, die einen präzisen und effizienten Betrieb ermöglichen. Das Verständnis dieser Komponenten und der ihnen zugrunde liegenden Prinzipien ist für die Leistungsoptimierung von Linearantrieben von entscheidender Bedeutung.

Schlüsselkomponenten einer Basissteuerbox

In einem grundlegenden Steuerkasten für elektrische Linearantriebe spielt jede Komponente eine entscheidende Rolle für einen effizienten Betrieb. Hier ist eine Aufschlüsselung dieser Hauptkomponenten, ihrer Funktionen und der Zwecke, denen sie dienen:

1. Relais: Relays fungieren als Schalter, die den Stromkreis mit hoher Leistung mithilfe eines Signals mit niedriger Leistung steuern. Bei Steuerkästen zur Verwaltung von 2-Draht-Aktuatoren sind zwei Relais unerlässlich, um die Polarität der an den beiden Drähten des Aktuators angelegten Spannung umzukehren, was wiederum die Bewegungsrichtung ändert. Dies ermöglicht eine bidirektionale Steuerung in einem einfachen Aufbau zum Ausfahren und Einfahren des Aktuators.

2. Eingangskanäle: Eingangskanäle sind Schnittstellen, über die das Steuersystem elektrische Signale von externen Quellen wie Stromversorgungen oder Signale von kabelgebundenen Fernbedienungen empfängt. Steuerboxen, die mit Positionsrückmeldung arbeiten, können auch Eingaben von den Sensoren eines Aktuators empfangen. Diese Kanäle verarbeiten die Eingaben des Benutzers und/oder der Sensoren, um zu bestimmen, wie der Aktuator funktionieren soll, und sind daher von grundlegender Bedeutung für die Initiierung und Steuerung von Aktuatorbewegungen basierend auf spezifischen Anforderungen.

3. Ausgangskanäle: Ausgangskanäle liefern Steuersignale vom Controller an den Aktuator oder andere Komponenten wie Relais. Steuerkästen, die mit Positionsrückkopplung arbeiten, können auch elektrischen Strom ausgeben, sodass die Sensoren eines Aktuators über die nötige Leistung verfügen, um zu arbeiten. Diese Kanäle sind entscheidend für die Ausführung der vom Steuerungssystem festgelegten Befehle und beeinflussen direkt das Verhalten des Aktuators.

4. Fernsynchronisierungstaste: Mit dieser Taste wird das Steuerungssystem mit einem Fernbedienungsgerät synchronisiert. Es stellt sicher, dass die Ferneingaben vom Steuerungssystem erkannt und verarbeitet werden, was einen bequemen und flexiblen Betrieb aus der Ferne ermöglicht.

5. Lichtanzeige: Lichtanzeigen geben visuelles Feedback zum Systemstatus. Sie können ein Indikator für Ein-/Ausschalten, Betriebsmodi, Fehlerzustände oder Signalempfang sein, was bei der Überwachung und Fehlerbehebung des Systems hilft, ohne dass komplexe Diagnosetools erforderlich sind.

6. Modusauswahl: Mit dieser Funktion kann der Benutzer zwischen verschiedenen Betriebsmodi der Steuerbox wechseln, beispielsweise zwischen momentanen und nicht-momentanen Steuerungen. Im Momentmodus muss die Taste einer Fernbedienung kontinuierlich in der aktiven Position gehalten werden, damit das Gerät funktioniert. Sobald Sie den Schalter loslassen, funktioniert das Gerät nicht mehr. Der nicht-momentane Modus funktioniert wie ein Schalter, der in seiner zuletzt eingestellten Position bleibt, bis er erneut gewechselt wird, unabhängig davon, ob er gedrückt wird. Das bedeutet, dass das Gerät nach der Aktivierung weiter arbeitet, bis der Schalter manuell ausgeschaltet wird.

7. Antenne: Die Antenne ist Teil von Steuerboxen, die über einen drahtlosen Kommunikationsaufbau verfügen. Antennen werden verwendet, um die Signalreichweite und -qualität zwischen dem Steuersystem und Fernbedienungsgeräten oder zwischen miteinander verbundenen Systemen zu verbessern. Dies ist von entscheidender Bedeutung für die Aufrechterhaltung einer robusten Kommunikation in Umgebungen, in denen eine direkte Verkabelung unpraktisch oder unerwünscht ist.

8. HF-Empfängermodul: Dieses Modul empfängt Hochfrequenzsignale, die von drahtlosen Fernbedienungen gesendet werden. Es dekodiert diese Signale in umsetzbare Befehle, die das Steuersystem verstehen und darauf reagieren kann. Das HF-Empfängermodul ist für drahtlose Steuerungsaufbauten unerlässlich und ermöglicht den Fernbetrieb des Aktuators ohne physischen Kontakt.

Zusammen bilden diese Komponenten ein umfassendes Steuerungssystem für 2-Draht-Aktuatoren, die jeweils eine bestimmte Funktion erfüllen, die zur Gesamteffektivität und Effizienz des Aktuatorbetriebs beiträgt. Dieses System ermöglicht nicht nur eine präzise Steuerung der Bewegungen des Aktuators, sondern verbessert auch die Benutzeroberfläche und Interaktion, sodass es an eine Vielzahl von Anwendungen angepasst werden kann.

Positional Feedback ist für die Verbesserung der Präzision und Genauigkeit der Aktuatorsteuerung unerlässlich. Drei gängige Arten von Rückkopplungsmechanismen umfassen Hall-Effekt-Sensoren, Potentiometer und Endschalter-Rückkopplung.

Halleffektsensoren

Die Hall-Effekt-Theorie von Edwin Hall (dem Entdecker des Hall-Effekts) besagt, dass immer dann, wenn ein Magnetfeld in einer Richtung senkrecht zum elektrischen Stromfluss in einem Leiter angelegt wird, eine Spannungsdifferenz induziert wird. Mit dieser Spannung kann erkannt werden, ob sich ein Hall-Effekt-Sensor in der Nähe eines Magneten befindet.

Durch die Befestigung eines Magneten an der rotierenden Welle eines Motors können Hall-Effekt-Sensoren erkennen, wann die Welle parallel zu ihnen verläuft. Mithilfe einer kleinen Leiterplatte können diese Informationen ähnlich wie bei optischen Encodern als Rechteckwelle ausgegeben werden. Hall-Effekt-Leiterplatten verfügen üblicherweise über zwei Sensoren, was zu einem Quadraturausgang führt, bei dem zwei Signale steigen und fallen, wenn sich der Elektromotor mit einer Phasendifferenz von 90° zwischen ihnen dreht. Indem sie diese Impulse zählen und sehen, welcher zuerst kommt, können Steuersysteme die Richtung bestimmen, in die sich der Motor dreht.

Potentiometer

Ein Potentiometer liefert einen variablen Widerstand, der proportional zur Position des Aktuators ist. Zwischen dem Knopf des Potentiometers und dem rotierenden Motor des Aktuators sind häufig Zahnräder angeschlossen. Während sich der Aktuator bewegt, ändert sich der Widerstandswert, der gemessen und in Positionsdaten umgewandelt werden kann. Diese Informationen werden dann von einem Steuersystem verwendet, um Feineinstellungen an der Position des Aktuators vorzunehmen und so die Genauigkeit zu verbessern.

Grenzschalter-Feedback

Der Zweck von Endschalter-Rückkopplungssignalen besteht darin, einem System die Feststellung zu ermöglichen, ob der Aktuator die internen Endschalter physisch ausgelöst hat. Diese Art der Rückmeldung ist einfach und nützlich für Anwendungen, die hauptsächlich nur Informationen darüber erfordern, ob der Aktuator die vollständig ausgefahrene oder vollständig eingefahrene Position erreicht hat.

Steuerungssysteme für Aktuatoren lassen sich grob in zwei Typen einteilen:

Open-Loop-Steuerungssysteme: Bei diesen Systemen wird der Aktuator ausschließlich auf Basis der Eingabebefehle gesteuert, ohne dass eine Rückmeldung über die tatsächliche Position erfolgt. Obwohl Open-Loop-Systeme einfacher und kostengünstiger sind, verfügen sie nicht über die Fähigkeit, Positionierungsfehler zu korrigieren, was sie weniger genau macht als ihre Gegenstücke.
Ein Beispiel für ein einfaches Open-Loop-System umfasst einen momentanen Wippschalter, der mit einem Linearantrieb verbunden ist. Dies erfordert, dass ein Bediener den Schalter physisch drückt und hält, damit der Aktuator weiter radeln kann, und das Loslassen des Schalters, bevor der Aktuator das Ende der Bewegung erreicht hat, führt dazu, dass der Aktuator die Bewegung auf halbem Weg stoppt.

Closed-Loop-Steuerungssysteme: Diese Systeme verfügen über Rückkopplungsmechanismen wie Hall-Effekt-Sensoren oder Potentiometer, um die Steuersignale basierend auf der tatsächlichen Position des Aktuators kontinuierlich anzupassen. Dieser Rückkopplungskreislauf ermöglicht eine präzise Steuerung und Fehlerkorrektur, wodurch geschlossene Kreislaufsysteme ideal für Anwendungen sind, bei denen Genauigkeit entscheidend ist. Steuerungssysteme mit geschlossenem Regelkreis sind häufig in Anwendungen zu finden, die Mikrocontroller, Steuerboxen und SPS verwenden, die für Aktuatoren programmiert sind, um bestimmte Funktionen auszuführen.
Die Wahl des Steuerungssystems und seiner Komponenten hat erhebliche Auswirkungen auf die Funktionalität und Leistungsoptimierung der Aktoren. Durch die Integration effektiver Rückkopplungsmechanismen und die Auswahl des geeigneten Steuerungssystemtyps können Aktuatoren für eine Vielzahl von Anwendungen optimiert werden, wodurch sowohl Präzision als auch Zuverlässigkeit in ihrem Betrieb gewährleistet werden.

In einer idealen Umgebung würden sich Linearantriebe immer vorhersehbar verhalten, Störungen können jedoch in Form von starkem Wind, ungleicher Gewichtsverteilung, physikalischen Hindernissen und mechanischem Verschleiß auftreten. Einige dieser Störungen können mithilfe von Steuerungssystemen erklärt werden, die so programmiert wurden, dass sie mit Linearantrieben arbeiten, die über eine kompatible Rückkopplung verfügen, um Fehler zu lesen und dann Fehlerkorrekturstrategien auszuführen, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.

Variablen, die Steuerungssysteme korrigieren für

1. Position: Steuerungssysteme tragen dazu bei, sicherzustellen, dass ein Aktuator die gewünschte Position genau erreicht und beibehält, indem sie die Position des Benutzers mit der tatsächlichen Positionsanzeige der Positionsrückkopplungssensoren vergleichen. Beispiele hierfür sind, wenn Stehpultbenutzer die Taste eines Controllers drücken, damit Aktuatoren zu einer bestimmten voreingestellten Speicherposition fahren, um ihren Arbeitsbereich von der Sitz- auf die Stehhöhe anzupassen.

2. Geschwindigkeit: Das Lesen der Positionsrückmeldung und das Teilen der zurückgelegten Strecke durch die verstrichene Zeit ergibt die Reisegeschwindigkeit. Einige Steuerungssysteme ermöglichen einstellbare Geschwindigkeitseinstellungen durch PWM (Pulsweitenmodulation), sodass sich der Aktuator je nach den Anforderungen der Anwendung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen kann. Dies ist nützlich bei Anwendungen, bei denen unterschiedliche Geschwindigkeiten erforderlich sind, beispielsweise für Aktuatoren, die die Bewegung von Flugsimulatoren antreiben.

3. Kraft: Bestimmte Steuerungssysteme können die von Aktuatoren ausgeübte Kraft regulieren und so sicherstellen, dass sie innerhalb sicherer Grenzen arbeitet und Schäden am System oder an umgebenden Komponenten verhindert. Durch die Messung der elektrischen Stromaufnahme können Steuerungssysteme ungefähr messen, wie viel Kraft von Linearantrieben ausgeübt wird. Diese Funktion ist nützlich für Linearantriebe, die Fenster öffnen und schließen, um den Strom abzuschalten und die Krafteinwirkung zu stoppen, falls die Hand oder das Hindernis einer Person den Bewegungsweg blockiert.

Um ein angemessenes Maß an Präzision bei der Bewegungssteuerung zu erreichen, werden in der Branche unterschiedliche Steuerungsstrategien eingesetzt. Jede dieser Steuerungsstrategien bietet unterschiedliche Vorteile und eignet sich je nach dem vom System geforderten Steuerungsgrad und der Präzision für verschiedene Anwendungen. Zu den weit verbreiteten Steuerungsstrategien für elektrische Linearantriebe gehören:

1. Ein-/Aus-Steuerung: Dies ist die einfachste Steuerungsform, die bei elektrischen Linearantrieben verwendet wird, die üblicherweise in offenen Steuerungssystemen zu finden sind. Dabei wird der dem Aktuator zugeführte elektrische Strom ohne Zwischenzustand ein- oder ausgeschaltet. Diese Methode ist unkompliziert und wird in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine präzise Kontrolle der Position nicht erforderlich ist. Der Aktuator arbeitet mit voller Leistung, bis er einen eingestellten Endschalter erreicht oder seine Aufgabe erfüllt. An diesem Punkt schaltet er sich aus.

2. P (Proportionalsteuerung): Die Proportionalsteuerung passt die Leistungsaufnahme des Aktuators basierend auf dem Fehler an, der die Differenz zwischen der tatsächlich gemessenen Position/Kraft und dem gewünschten Wert des Benutzers darstellt. Das Steuersignal ist proportional zu diesem Fehler, d. h. je größer der Fehler, desto stärker ist die Reaktion des Aktuators. Diese Methode ermöglicht einen reibungsloseren Betrieb als die Ein-/Aus-Steuerung, kann aber dennoch zu einem stationären Fehler führen, wenn sie nicht mit anderen Steuerungsarten kombiniert wird.

3. PI (Proportional-Integral Control): Diese Strategie verbessert die proportionale Steuerung durch Hinzufügen eines Integralterms, der das Problem des stationären Fehlers angeht. Die integrale Komponente summiert die Fehler der Vergangenheit im Zeitverlauf und bietet so eine kumulative Korrekturmaßnahme, die den Fehler auf Null senkt. Dadurch kann der Aktuator die gewünschte Position/Kraft des Benutzers nicht nur genauer erreichen, sondern auch beibehalten.

4. PID-Steuerung (proportional-integral-derivativ): Die PID-Steuerung ist eine fortschrittlichere Methode, die drei Arten von Steuerstrategien —proportional, integral und abgeleitet— kombiniert, um eine präzise und stabile Steuerung des Aktuators zu gewährleisten. Die proportionale Komponente hängt vom aktuellen Fehler ab, die integrale Komponente summiert vergangene Fehler und die abgeleitete Komponente sagt zukünftige Fehler basierend auf der Änderungsrate voraus. Dieser umfassende Ansatz ermöglicht eine hochpräzise Steuerung der Position, Kraft und Geschwindigkeit des Aktuators und eignet sich daher ideal für komplexe und dynamische Systeme, bei denen Präzision von entscheidender Bedeutung ist.

Bei der Auswahl von Steuerungssystemen für Ihre elektrischen Linearantriebe ist es wichtig, folgende Faktoren zu berücksichtigen:

• Einbruchschutz
• Kompatibilität
• Budget

1. Einbruchschutz: Bewerten Sie die spezifischen Umweltanforderungen Ihrer Anwendung, um die Art der benötigten Steuerungssysteme zu bestimmen. Die PA-33-Steuerbox verfügt beispielsweise über eine Eintrittsschutzklasse von IP65 für Staub- und Wasserbeständigkeit. Für Steuerungssysteme, die Außenelementen wie Regenwasser, Staub und Schmutz ausgesetzt sind, wird eine Eintrittsschutzklasse von IP65 oder höher empfohlen.

2. Kompatibilität: Stellen Sie sicher, dass das Steuerungssystem mit den elektrischen Linearantrieben kompatibel ist, die Sie ausgewählt haben oder derzeit verwenden, um eine nahtlose Integration zu gewährleisten. Überprüfen Sie, ob Ihr Aktuator über die passenden Kommunikationsprotokolle/Positionsrückmeldungen zu den von Ihnen in Betracht gezogenen Controllern verfügt. Beispielsweise bieten der Mikropräzisions-Servoaktuator PA-12-T (TTL/PWM) und PA-12-R (RS-485) eine präzise Positionskontrolle mit einer Positionsgenauigkeit von bis zu 100 μm und erfordern für eine solche Leistung erweiterte Kommunikationsprotokolle. Zu berücksichtigen ist auch, ob der Motortyp Ihres Aktuators mit einem Steuersystem kompatibel ist. Für den kontinuierlichen Betrieb bürstenloser Motoren, wie sie in unseren speziell bestellten PA-14-Aktuatoren zu finden sind, wären mit ihrem Betrieb kompatible Steuerkästen wie die LC-241-Steuerbox erforderlich.

Um zu sehen, welche unserer Steuerkästen und Aktuatoren miteinander kompatibel sind, sehen Sie sich unsere unten verlinkten Vergleichs- und Kompatibilitätstabellen für Steuerkästen an:

https://7717445.fs1.hubspotusercontent-na1.net/hubfs/7717445/PDF%20Manuals/Desk%20Accessories/Control%20Boxes%20Compatibility%20Chart%202023.pdf

https://7717445.fs1.hubspotusercontent-na1.net/hubfs/7717445/PDF%20Manuals/Desk%20Accessories/Control%20Boxes%20Comparison%20Chart-1.pdf

3. Budget: Überlegen Sie, ob es Budgetbeschränkungen für das Projekt gab, und wählen Sie ein Kontrollsystem, das den besten Wert für Ihre Investition bietet und gleichzeitig Ihre Leistungsanforderungen erfüllt. Beispielsweise würden einfache Innenprojekte, die keine hohe Präzision erfordern, problemlos funktionieren, indem ein einfacher Wippschalter ohne hohen Eintrittsschutz verkabelt wird, um einen 2-adrigen Mini-Linearantrieb zu einem erschwinglichen Preis zu steuern.

Control boxes such as our FLTCON series allow for the ability to have programmed functions, safety features, and other user settings that can be accessed through the connected remote control. When multiple hall effect type actuators are connected to an FLTCON control box, the control box ensures the synchronization of the motors so they move together at the same speed.
Read our blog on applications for the FLTCON control boxes for more information.

Wenn Sie eine Konfiguration mit 2x Hall-Effekt-Aktuatoren wählen, akzeptiert unser FLTCON-2 eine Eingangsspannung von 110 VAC, wir bieten jedoch auch das FLTCON-2-24VDC an, das eine Eingangsspannung von 24 V DC akzeptiert. In Kombination mit unserem tragbaren FLT-Akkupack PA-BT1-24-2200 (Ausgänge 24 V DC) ermöglicht die Kombination FLTCON-2-24VDC und PA-BT1-24-2200 volle Portabilität. Wir bieten eine große Auswahl an Fernbedienungsoptionen, damit Sie alle einzigartigen Funktionen unserer verschiedenen programmierbaren kabelgebundenen Fernbedienungen genießen können – sie können für zusätzlichen Komfort auch zusammen mit unseren drahtlosen RT-14-Fernbedienungen verwendet werden.