De PA-12 elektrische lineaire actuator is een fantastisch voorbeeld van lean designprincipes en staat voor de toekomst van lineaire beweging. Als je op zoek bent naar een apparaat dat topprestaties levert in een compact formaat, zoek dan niet verder. De PA-12 zit vol moderne oplossingen voor terugkerende problemen, en dit artikel geeft een kijkje in de belangrijkste kenmerken van het ontwerp van deze actuator. Deze lineaire actuator is specifiek ontwikkeld om uiterst precieze beweging met hoge resolutie te bieden, zonder dat de gebruiker stuurparameters hoeft te bepalen of positielezingen hoeft te compenseren voor verschillende belastingcondities. Hiervoor is de actuator uitgerust met een zeer nauwkeurige potentiometer met een ingebouwd filter om elektrische ruis te verminderen, en een zeer lichte motor om het effect van traagheid te beperken. We verkopen ook PA-12-actuators met kernloze motoren, die aanzienlijk betere prestaties kunnen leveren dan motoren met kern, en zo de nauwkeurigheid verder verhogen.
Deze elektrische actuator wordt geleverd met een on-board computer die alle noodzakelijke berekeningen uitvoert. Het enige wat de gebruiker hoeft te doen, is de opdrachten aan te leveren in TTL- of RS-485-formaat. Als alternatief kan de PA-12 worden aangesloten op de LC-12-computercontroller, waarna je via een interface op je pc opdrachten kunt verzenden. Met dat in gedachten: laten we in de PA-12 duiken en ontdekken wat hij allemaal te bieden heeft!
Bewegingsnauwkeurigheid
We hebben een onafhankelijke test laten uitvoeren op onze PA-12-actuators om de bewegingsnauwkeurigheid te bepalen. De test bestond uit het nauwkeurig uitvoeren van twee servo-tellingen per bewegingsopdracht, wat neerkomt op 0,001074” per beweging. Metingen zijn verzameld met een nauwkeurige laser-positie-indicator en er was ook een 15 lbs belasting aan de actuator bevestigd, zowel bij uitschuiven als inschuiven. De resultaten zijn te zien in de onderstaande grafieken.
De meeste gangbare instrumenten kunnen een zo kleine positieverandering niet nauwkeurig waarnemen. Als de actuator in grotere stappen zou bewegen, zouden de resultaten nog nauwkeuriger zijn geweest. Deze beweging berust op twee factoren – de hoge precisie van de ingebouwde potentiometer en een correct gekalibreerde PID‑regelaar. De parameters voor PID‑regeling kunnen desgewenst via digitale opdrachten worden gewijzigd, maar dat raden we niet aan.
Motor met kern vs. kernloze motor
De PA-12 kan worden uitgerust met een motor met kern of een kernloze DC‑motor. We bespreken de voor‑ en nadelen van beide.
Motor met kern
In een typische gelijkstroommotor wordt een spoel om de ijzeren kern van de rotor gewikkeld. Wanneer er stroom op de spoel wordt gezet, ontstaat er een magnetisch veld dat, samen met een stator, de rotatie van de motor veroorzaakt. De gelijkstroommotor met ijzeren kern en borstels is een beproefde, betrouwbare en kostenefficiënte optie. Een motor met kern en borstels kan direct op een gelijkspanning werken en een hoog koppel aankunnen doordat de ijzeren kern alles stijf houdt. De kern helpt de motor ook hogere stroomafnames te bereiken, omdat hij als koellichaam fungeert en warmte laat afvloeien. Dit type motor is zeer eenvoudig en toch effectief, maar kent enkele nadelen.
Een geborstelde motor met kern heeft doorgaans een lagere acceleratie en vertraging door het extra gewicht van de ijzeren kern. Deze motor heeft ook een hogere inductantie, wat betekent dat er meer ongewenste elektrische overslagen tussen de commutator en de borstels ontstaan. Dit effect vergroot na verloop van tijd de slijtage van de borstels.
Kernloze motor
Een kernloze, geborstelde gelijkstroommotor vormt de oplossing voor veel van deze problemen. Een kernloze motor wordt geconstrueerd met een zelfdragende wikkeling die geen kern nodig heeft om zijn vorm te behouden. Hierdoor is de rotor zeer licht, wat betekent dat hij veel sneller kan accelereren en stoppen. Hij is efficiënter en heeft minder stroom nodig om hetzelfde koppel te leveren als de motor met ijzeren kern. Dit soort geavanceerde wikkelingen heeft ook een lagere inductantie, wat betekent dat de vonkvorming tussen de commutator en de borstels bij een lager vermogen en met een lagere frequentie optreedt.
De nadelen van kernloze motoren zijn de beperkte afmeting, hogere kosten en de vereiste van een koellichaam. In een motor met kern zorgt de kern voor de warmteafvoer uit de spoelen, maar voor een kernloze gelijkstroommotor zijn alternatieve warmtebeheermethoden nodig om langdurig consistent te blijven functioneren.
De PA-12-motor met kern is al een zeer lichte constructie met een compact formaat en een verminderde traagheidsbelasting. Voor specifieke micropositioneringsbehoeften is het waarschijnlijk verstandig te kiezen voor de kernloze motoroptie, omdat die de beste resultaten voor je toepassing mogelijk maakt.
Filtering en ruis
Het onderscheidende kenmerk van de PA-12 is de mogelijkheid om met de potentiometer nauwkeurig en consistent positie‑metingen te doen. Om dit te realiseren is de PA-12 uitgerust met een analoog‑naar‑digitaalomzetter (ADC) die met de potentiometer communiceert. De on-board controller voert de filterfunctie uit voor de signalen van de potentiometer en zet de analoge data om in digitale antwoorden die via TTL‑ of RS‑485‑communicatiepakketten kunnen worden verzonden. Om metingen onder normale omstandigheden mogelijk te maken, is de aanbevolen uitleesfrequentie 100 keer per seconde. Dit betekent dat de positiedata kan worden ververst met 100 Hz.
Dat gezegd hebbende, de PA-12-actuators zijn in staat tot een maximale uitleesfrequentie van 500 keer per seconde. De units moeten hiervoor in de fabriek op maat worden geconfigureerd, maar een hoge verversingssnelheid is mogelijk zonder aan nauwkeurigheid in te boeten.
Communicatie
Het belangrijkste om te onthouden bij deze actuators is dat ze niet op de gebruikelijke manier kunnen worden aangestuurd. Om de prestaties, stabiliteit en positionele nauwkeurigheid van PA-12‑actuators te bereiken, moet de gebruiker via het RS‑485‑ of TTL‑protocol een interface maken met de interne microcontroller. Voor TTL‑geschikte units is communicatie via servopulsen mogelijk.
Zowel TTL als RS‑485 zijn standaarden voor seriële communicatie. Ze bieden een raamwerk om een set opdrachten en antwoorden in 8‑bitformaat te ontwikkelen die kan worden gebruikt om te interfacen met de on-board microcontroller in de PA-12.
De communicatieparameters voor de seriële dataverbinding voor zowel TTL als RS‑485 worden hieronder getoond:
Structuur
De datastructuur voor communicatie met de on-board microcontroller van de PA-12 is half‑duplex UART. Een full‑duplex communicatiesysteem stelt beide apparaten in staat om tegelijkertijd gegevens te verzenden en te ontvangen. In het geval van de PA-12 is het systeem half‑duplex, ook wel semi‑duplex genoemd. Dit betekent dat de apparaten met elkaar kunnen communiceren, maar niet gelijktijdig. Op elk moment tijdens de communicatie moet het ene apparaat zenden terwijl het andere ontvangt, en omgekeerd.
Om deze reden moet je, als je probeert te communiceren met een PA-12 via een full‑duplex seriële communicatie‑unit, een buffer tussen beide gebruiken.
Figuur 1: Bedradingsschema voor TTL/PWM‑communicatie in half‑duplex
Voor TTL/PWM‑communicatie tussen een full‑duplex apparaat en de PA-12 raden we aan een 74LVC2G241‑chip te implementeren als buffer. Een full‑duplex apparaat kan bijvoorbeeld een Arduino‑microcontroller zijn. Voor gedetailleerde informatie over de configuratie kun je ons artikel over aan de slag met Arduino en de PA-12 bekijken.
Figuur 2: Bedradingsschema voor RS‑485‑communicatie in half‑duplex
Voor RS‑485‑actuators raden we aan de MAX485‑chip te gebruiken als buffer tussen een full‑duplex controller en het half‑duplex PA‑12‑apparaat. Natuurlijk hebben communicatieapparaten die zelf half‑duplex zijn geen probleem om rechtstreeks met de PA‑12 te communiceren. Zo kan de Allen‑Bradley 1769‑ASCII PLC‑module rechtstreeks met de PA‑12 communiceren.
Baudrate
De baudrate staat voor de snelheid van communicatie tussen apparaten via het datakanaal. De standaard baudrate van PA‑12‑actuators is ingesteld op 57600 bps. Als je communicatieapparaat een andere baudrate gebruikt, zijn er twee manieren om deze te wijzigen. De eenvoudigste manier is om de PA‑12 met een pc te verbinden via onze LC-12 interface controller en de wijzigingen via de app door te voeren. Als alternatief kun je de baudrate ook instellen via de RS‑485 schrijfopdracht. Dit vereist het volgende:
1. Stel de baudrate voor de communicatiemodule in op 57600.
2. Schrijf de gewenste baudrate in geheugenadres 0x04.
3. De waarde voor de baudrate op adres 0x04 moet een van 4 specifieke waarden zijn, waarbij 32 overeenkomt met 57600 (standaard).
4. De PA‑12 moet opnieuw worden opgestart om deze wijzigingen van kracht te laten worden. Je moet de PA‑12 uitschakelen, vervolgens de baudrate op je communicatieapparaat wijzigen en het systeem weer inschakelen.
LC-12 pc‑interfacecontroller
De eenvoudigste manier om te communiceren met de PA-12 internal computer is via de LC-12 pc‑interfacecontroller. Deze kan worden gebruikt om verbinding te maken met zowel TTL/PWM‑ als RS‑485‑actuators. De LC‑12 is ook vereist om firmware‑upgrades te downloaden en te installeren.
De interfacecontroller kan worden gebruikt om eenvoudig de bedrijfsparameters van de PA‑12‑actuators in te stellen. In bepaalde toepassingen wil je bijvoorbeeld de uitschuif- en inschuiflimieten, de baudrate, de maximumtemperatuur, de maximale stroom, de maximaal toegestane positiefout, enzovoort instellen. Bij grotere aantallen programmeert Progressive Automations alle units vooraf, maar als het om productieseries van 50 of minder gaat, kan het eenvoudiger zijn om de parameters via de interface in te stellen.
Met de LC‑12 kun je de beweging van de actuator testen zonder je te hoeven vastbijten in het instellen van de TTL‑ en RS‑485‑communicatie. De LC‑12 kan altijd verbinding maken met de PA‑12‑actuator als er geen hardwareproblemen zijn. Dit kan nuttig zijn bij het monitoren van de parameters die in de geheugendatamap zijn ingesteld om te controleren of alles klopt en om fouten waar nodig te verhelpen.
De interne computer van de PA‑12 kan problemen zelf diagnosticeren en foutcodes weergeven tijdens het bedrijf. Het kan lastig zijn precies te bepalen wat er mis is met de actuator als je alleen de terugkoppelsignalen ontvangt. De LC‑12 pc‑interface kan de fouten die de actuator genereert opzoeken en weergeven, waardoor het eenvoudiger wordt te zien hoe de problemen zijn op te lossen. Als de actuator bijvoorbeeld de doelpositie niet bereikt, kun je kijken naar de foutweergave en de stroommonitor op de interface en vaststellen dat er een obstructie in de weg zit.
Tot slot heeft de LC‑12 pc‑interfacecontroller twee belangrijke functies voor de PA‑12‑actuators, waardoor hij onmisbaar is voor eerste tests en probleemoplossing. De LC‑12 is de enige manier om de actuator terug te zetten naar de standaard fabrieksinstellingen en om firmware‑updates toe te passen.
Slotwoord
In dit artikel hebben we de belangrijkste kenmerken van bewegingsnauwkeurigheid, motoren met kern versus kernloos en het lage geluidsniveau van onze PA‑12 elektrische lineaire actuator doorgenomen. Er zijn verschillende manieren om met deze actuator te communiceren, waarbij de LC‑12 pc‑interfacecontroller door onze ingenieurs als de eenvoudigste wordt beschouwd.
We hopen dat je dit artikel interessant vond – als je nog vragen hebt over onze PA‑12 of over een van de onderwerpen in dit artikel, stuur ons een e‑mail of bel 1-800-676-6123 (gratis).