Przewodnik po systemach sterowania do elektrycznych siłowników liniowych

Systemy sterowania stanowią integralne elementy działania elektrycznych siłowników liniowych, zaprojektowane do zarządzania pracą i sterowania ruchem tych urządzeń. Popularne rozwiązania, takie jak skrzynki sterownicze, to rodzaj systemu sterowania siłownikami liniowymi, w którym wszystkie komponenty elektroniczne są umieszczone w obudowie, często o kształcie pudełka. Zasadniczo system sterowania interpretuje polecenia wejściowe, zarówno ręczne, jak i automatyczne, i przekształca je w sygnały, które regulują ruch siłownika.

Głównym celem tych systemów jest zapewnienie dokładnej, wydajnej i niezawodnej pracy siłowników, zgodnie z predefiniowanymi parametrami. Znaczenia systemów sterowania w działaniu siłowników nie można przecenić, szczególnie w kontekście precyzyjnego i wydajnego sterowania ruchem. Te systemy są kluczowe z kilku powodów:
1. Precyzja: Systemy sterowania umożliwiają precyzyjne dostrojenie ruchów siłowników, aby osiągnąć wysoki poziom powtarzalności i dokładności. Jest to niezbędne w zastosowaniach, w których dokładne pozycjonowanie ma kluczowe znaczenie, takich jak chirurgia robotyczna czy inżynieria lotnicza.
2. Wydajność: Optymalizując sposób, w jaki siłowniki reagują na polecenia, systemy sterowania zmniejszają zużycie energii i minimalizują zużycie. Nie tylko wydłuża to żywotność siłownika, ale także zwiększa ogólną wydajność systemu, w którym działa.
3. Adaptowalność: Mechanizmy sprzężenia zwrotnego mogą regulować działanie kompatybilnych siłowników w czasie rzeczywistym, analizując sprzężenie zwrotne od położenia kompatybilnych siłowników. Ta adaptowalność jest niezbędna w dynamicznych środowiskach, w których warunki zmieniają się szybko, na przykład w zautomatyzowanych procesach produkcyjnych lub gdy wiele siłowników charakteryzuje się nierównomiernym rozkładem masy.

4. Integracja: Systemy sterowania często umożliwiają siłownikom współpracę z innymi, istniejącymi systemami, ułatwiając wykonywanie złożonych operacji na podstawie prostych sygnałów wejściowych przesyłanych do systemu sterowania. Integrację tę wspierają postępy w dziedzinie łączności i programowania. W niektórych systemach sterowania wbudowane transformatory mogą również służyć do bezproblemowej integracji, pełniąc funkcję przetwornika napięcia, na przykład gdy do zasilania siłownika 12 VDC potrzebne jest źródło napięcia wejściowego 120 VAC.

5. Funkcje bezpieczeństwa: Zaprogramowane funkcje bezpieczeństwa, takie jak zabezpieczenie przed przeciążeniem, pomagają zapobiegać uszkodzeniom siłownika lub aplikacji poprzez zatrzymanie działania po wykryciu przez skrzynkę sterowniczą nadmiernie wysokiego poboru prądu. Kolejną funkcją bezpieczeństwa zastosowaną w skrzynkach sterowniczych jest zabezpieczenie przed przegrzaniem, które zatrzymuje działanie po upływie określonego czasu cyklu, zapewniając, że działanie pozostaje w zakresie znamionowego cyklu pracy siłownika, zapobiegając w ten sposób przepaleniu silnika. Systemy sterowania są podstawą działania siłowników, zapewniając niezbędną inteligencję i elastyczność, gwarantując precyzję, wydajność, bezpieczeństwo i efektywne sterowanie ruchem. Ich rola jest kluczowa w rozwijającym się obszarze technologii automatyzacji, gdzie precyzja ruchu jest często podstawą sukcesu operacyjnego.

Systemy sterowania elektrycznymi siłownikami liniowymi składają się z kilku kluczowych komponentów, które umożliwiają precyzyjną i wydajną pracę. Zrozumienie tych komponentów i zasad ich działania ma kluczowe znaczenie dla optymalizacji wydajności siłowników liniowych.

Kluczowe komponenty podstawowej skrzynki sterowniczej

W podstawowej skrzynce sterowniczej przeznaczonej do elektrycznych siłowników liniowych każdy komponent odgrywa kluczową rolę w zapewnieniu wydajnej pracy. Oto zestawienie tych głównych komponentów, ich funkcji i celów, którym służą:

1. Przekaźniki: Przekaźniki działają jako przełączniki, które sterują obwodem elektrycznym dużej mocy za pomocą sygnału małej mocy. W przypadku skrzynek sterowniczych zaprojektowanych do zarządzania siłownikami dwuprzewodowymi, dwa przekaźniki są niezbędne do odwrócenia polaryzacji napięcia przyłożonego do dwóch przewodów siłownika, co z kolei zmienia kierunek ruchu. Umożliwia to dwukierunkowe sterowanie w prostym układzie, umożliwiając wysuwanie i wsuwanie siłownika.

2. Kanały wejściowe: Kanały wejściowe to interfejsy, za pośrednictwem których system sterowania odbiera sygnały elektryczne ze źródeł zewnętrznych, takich jak zasilacze lub sygnały z przewodowych pilotów. Skrzynki sterownicze działające ze sprzężeniem zwrotnym położenia mogą również odbierać dane wejściowe z czujników siłownika. Kanały te przetwarzają dane wejściowe od użytkownika i/lub czujników, aby określić sposób działania siłownika, co czyni je kluczowymi dla inicjowania i sterowania ruchami siłownika w oparciu o określone wymagania.

3. Kanały wyjściowe: Kanały wyjściowe dostarczają sygnały sterujące ze sterownika do siłownika lub innych komponentów, takich jak przekaźniki. Skrzynki sterownicze działające ze sprzężeniem zwrotnym położenia mogą również generować prąd elektryczny, aby czujniki siłownika miały zasilanie. Kanały te są kluczowe dla wykonywania poleceń określonych przez system sterowania, bezpośrednio wpływając na zachowanie siłownika.

4. Przycisk synchronizacji zdalnej: Ten przycisk służy do synchronizacji systemu sterowania z urządzeniem sterującym. Zapewnia rozpoznawanie i przetwarzanie sygnałów wejściowych przez system sterowania, ułatwiając wygodną i elastyczną obsługę z dużej odległości.

5. Wskaźnik świetlny: Wskaźniki świetlne zapewniają wizualną informację zwrotną o stanie systemu. Mogą sygnalizować włączanie/wyłączanie zasilania, tryby pracy, stany błędów lub odbiór sygnału, co ułatwia monitorowanie i rozwiązywanie problemów z systemem bez konieczności stosowania skomplikowanych narzędzi diagnostycznych.

6. Wybór trybu: Ta funkcja umożliwia użytkownikowi przełączanie między różnymi trybami pracy skrzynki sterowniczej, takimi jak sterowanie chwilowe lub niechwilowe. W trybie chwilowym przycisk pilota musi być stale przytrzymywany w pozycji aktywnej, aby urządzenie działało. Po zwolnieniu przełącznika urządzenie przestaje działać. Tryb niechwilowy działa jak przełącznik, który pozostaje w ostatnio ustawionej pozycji do momentu jej ponownej zmiany, niezależnie od tego, czy jest wciśnięty. Oznacza to, że po aktywacji urządzenie kontynuuje działanie do momentu ręcznego wyłączenia przełącznika.

7. Antena: Antena jest częścią skrzynek sterowniczych wyposażonych w układ komunikacji bezprzewodowej. Anteny służą do zwiększenia zasięgu i jakości sygnału między systemem sterowania a urządzeniami zdalnego sterowania lub między systemami połączonymi. Jest to kluczowe dla utrzymania niezawodnej komunikacji w środowiskach, w których bezpośrednie okablowanie jest niepraktyczne lub niepożądane.

8. Moduł odbiornika RF: Ten moduł odbiera sygnały radiowe wysyłane przez bezprzewodowe piloty zdalnego sterowania. Dekoduje te sygnały na polecenia, które system sterowania może zrozumieć i na które może zareagować. Moduł odbiornika RF jest niezbędny w konfiguracjach sterowania bezprzewodowego, umożliwiając zdalną obsługę siłownika bez kontaktu fizycznego.

Wspólnie te komponenty tworzą kompleksowy system sterowania siłownikami 2-przewodowymi, z których każdy pełni określoną funkcję, która przyczynia się do ogólnej skuteczności i wydajności działania siłownika. System ten nie tylko pozwala na precyzyjną kontrolę ruchów siłownika, ale także ulepsza interfejs użytkownika i interakcję, dzięki czemu można go dostosować do szerokiej gamy zastosowań.

Pozycyjne sprzężenie zwrotne jest niezbędne do zwiększenia precyzji i dokładności sterowania siłownikiem. Trzy powszechne typy mechanizmów sprzężenia zwrotnego to czujniki efektu Halla, potencjometry oraz sprzężenie zwrotne z wyłączników krańcowych.

Czujniki efektu Halla

Teorię efektu Halla — Edwin Hall (który odkrył efekt Halla) — sformułował, że za każdym razem, gdy pole magnetyczne jest przyłożone w kierunku prostopadłym do przepływu prądu elektrycznego w przewodniku, powstaje różnica potencjałów. To napięcie można wykorzystać do wykrycia, czy czujnik efektu Halla znajduje się w pobliżu magnesu.

Przymocowując magnes do wirującej osi silnika, czujniki efektu Halla mogą wykryć, kiedy oś jest z nimi równoległa. Za pomocą małej płytki drukowanej te informacje można wyprowadzić jako falę prostokątną podobną do tej z enkoderów optycznych. Często płytki z układami Halla mają 2 czujniki, co skutkuje wyjściem kwadraturowym, gdzie dwa sygnały narastają i opadają podczas obracania się silnika elektrycznego z różnicą faz 90° między nimi. Zliczając te impulsy i sprawdzając, który pojawia się pierwszy, systemy sterowania mogą określić kierunek obrotu silnika.

Potencjometry

Potencjometr zapewnia zmienną rezystancję proporcjonalną do położenia siłownika. Koła zębate są często sprzężone między pokrętłem potencjometru a obracającym się silnikiem siłownika. W miarę przemieszczania się siłownika wartość rezystancji zmienia się, co można zmierzyć i przekształcić w dane o położeniu. Te informacje są następnie wykorzystywane przez system sterowania do dokonywania drobnych korekt położenia siłownika, zwiększając dokładność.

Sprzężenie zwrotne wyłączników krańcowych

Celem sygnałów sprzężenia zwrotnego wyłączników krańcowych jest umożliwienie systemowi określenia, czy siłownik fizycznie zadziałał wewnętrzne wyłączniki krańcowe. Tego rodzaju sprzężenie jest proste i przydatne w zastosowaniach, które głównie wymagają informacji o tym, czy siłownik osiągnął pozycję całkowicie wysuniętą lub całkowicie wsuniętą.

Systemy sterowania siłownikami można ogólnie podzielić na dwa typy:

Systemy sterowania otwartą pętlą: W tych systemach siłownik jest sterowany wyłącznie na podstawie poleceń wejściowych, bez żadnego sprzężenia zwrotnego dotyczącego rzeczywistej pozycji. Chociaż prostsze i tańsze, systemy otwartej pętli nie mają możliwości korekcji błędów pozycjonowania, co sprawia, że są mniej dokładne niż ich odpowiedniki.
Przykładem prostego systemu otwartej pętli jest chwilowy przełącznik kołyskowy podłączony do siłownika liniowego. Wymaga to od operatora fizycznego naciśnięcia i przytrzymania przełącznika, aby siłownik kontynuował ruch; puszczenie przełącznika przed osiągnięciem przez siłownik końca skoku spowoduje zatrzymanie ruchu siłownika w połowie drogi.

Systemy sterowania w pętli zamkniętej: Systemy te zawierają mechanizmy sprzężenia zwrotnego, takie jak czujniki efektu Halla lub potencjometry, aby ciągle dostosowywać sygnały sterujące na podstawie rzeczywistej pozycji siłownika. Ta pętla sprzężenia zwrotnego umożliwia precyzyjną kontrolę i korekcję błędów, co sprawia, że systemy w pętli zamkniętej są idealne do zastosowań, w których dokładność ma kluczowe znaczenie. Systemy sterowania w pętli zamkniętej są powszechnie stosowane w aplikacjach wykorzystujących mikrokontrolery, skrzynki sterownicze oraz PLC zaprogramowane do realizacji określonych funkcji przez siłowniki.
Wybór systemu sterowania i jego komponentów ma znaczący wpływ na funkcjonalność siłowników i optymalizację ich wydajności. Poprzez integrację skutecznych mechanizmów sprzężenia zwrotnego i wybór odpowiedniego typu systemu sterowania, siłowniki można zoptymalizować do szerokiego zakresu zastosowań, zapewniając zarówno precyzję, jak i niezawodność ich działania.

W idealnych warunkach siłowniki liniowe zawsze zachowywałyby się przewidywalnie, jednak zaburzenia mogą występować w postaci silnych wiatrów, nierównomiernego rozłożenia masy, fizycznych przeszkód i zużycia mechanicznego. Na niektóre z tych zaburzeń można reagować za pomocą systemów sterowania zaprogramowanych do współpracy z siłownikami liniowymi wyposażonymi w kompatybilne sprzężenie zwrotne, które odczytują błędy, a następnie wykonują strategie korekcji błędów, aby osiągnąć pożądane rezultaty.

Zmienne, które korygują systemy sterowania

1. Pozycja: Systemy sterowania pomagają zapewnić, że siłownik osiąga i utrzymuje zadaną pozycję z wymaganą dokładnością, porównując żądaną pozycję użytkownika z rzeczywistym odczytem pozycji z czujników sprzężenia zwrotnego. Przykładem są sytuacje, gdy użytkownicy biurek regulowanych naciskają przycisk sterownika, aby siłowniki przemieściły się do określonej, wstępnie zaprogramowanej pozycji pamięci i dostosowały miejsce pracy z wysokości siedzącej do stojącej.

2. Prędkość: Odczyt sprzężenia zwrotnego pozycji i podzielenie przebytej odległości przez upływ czasu daje prędkość ruchu. Niektóre systemy sterowania pozwalają na regulację ustawień prędkości za pomocą PWM (Pulse Width Modulation), co umożliwia siłownikowi poruszanie się z różnymi prędkościami w zależności od wymagań zastosowania. Jest to przydatne w aplikacjach, w których konieczne są zmienne prędkości, na przykład w siłownikach napędzających ruch symulatorów lotu.

3. Siła: Niektóre systemy sterowania mogą regulować siłę wywieraną przez siłowniki, zapewniając pracę w bezpiecznych granicach i zapobiegając uszkodzeniom systemu lub otaczających komponentów. Poprzez pomiar poboru prądu elektrycznego systemy sterowania mogą w przybliżeniu ocenić, jaką siłę wywiera siłownik liniowy. Ta funkcja jest przydatna w siłownikach liniowych otwierających i zamykających okna — wyłącza zasilanie i zaprzestaje przykładania siły, jeśli ręka osoby lub przeszkoda blokuje tor ruchu.

Różne strategie sterowania są stosowane w przemyśle, aby osiągnąć rozsądny poziom precyzji w kontroli ruchu. Każda z tych strategii oferuje różne korzyści i nadaje się do różnych zastosowań, w zależności od poziomu kontroli i precyzji wymaganego przez system. Niektóre z powszechnie stosowanych strategii sterowania dla elektrycznych siłowników liniowych obejmują:

1. Sterowanie załącz/wyłącz (On/Off Control): Jest to najprostsza forma sterowania stosowana przy elektrycznych siłownikach liniowych, powszechnie spotykana w systemach sterowania otwartej pętli. Polega na włączaniu lub wyłączaniu prądu zasilającego siłownik, bez stanu pośredniego. Metoda ta jest prosta i stosowana w aplikacjach, w których nie jest wymagana precyzyjna kontrola położenia. Siłownik pracuje z pełną mocą, aż osiągnie ustawiony wyłącznik krańcowy lub wykona zadanie, po czym się wyłącza.

2. P (Sterowanie proporcjonalne): Sterowanie proporcjonalne dostosowuje sygnał zasilający siłownik w oparciu o błąd, którym jest różnica między rzeczywistą zmierzoną pozycją/siłą a wartością zadaną przez użytkownika. Sygnał sterujący jest proporcjonalny do tego błędu, co oznacza, że im większy błąd, tym silniejsza reakcja siłownika. Ta metoda pozwala na płynniejszą pracę niż sterowanie włącz/wyłącz, ale nadal może skutkować błędem w stanie ustalonym, jeśli nie jest łączona z innymi typami sterowania.

PI (sterowanie proporcjonalno‑całkujące): Ta strategia wzmacnia sterowanie proporcjonalne poprzez dodanie członu całkującego, który rozwiązuje problem błędu w stanie ustalonym. Człon całkujący sumuje przeszłe błędy w czasie, zapewniając skumulowane działanie korygujące, które doprowadza błąd do zera. Dzięki temu aktuator nie tylko osiąga, lecz także dokładniej utrzymuje żądaną przez użytkownika pozycję/siłę.

4. Sterowanie PID (proporcjonalno‑całkująco‑różniczkujące): Sterowanie PID to bardziej zaawansowana metoda, która łączy trzy strategie sterowania — proporcjonalną, całkującą i różniczkującą — aby zapewnić precyzyjne i stabilne sterowanie siłownikiem. Składnik proporcjonalny zależy od bieżącego błędu, składnik całkujący sumuje błędy z przeszłości, a składnik różniczkujący przewiduje przyszłe błędy na podstawie szybkości zmian. Takie kompleksowe podejście umożliwia bardzo dokładne sterowanie pozycją, siłą i prędkością siłownika, co czyni je idealnym dla złożonych i dynamicznych systemów, w których precyzja jest krytyczna.

When selecting control systems for your electric linear actuators, it is important to consider the following factors:

• Ingress Protection
• Compatibility
• Budget

1. Ingress Protection: Assess the specific environmental requirements of your application to determine the type of control systems needed. The PA-33 control box for example has an ingress protection rating of IP65 for dust and water resistance. An ingress protection rating of IP65 or higher is recommended for control systems exposed to outdoor elements such as rainwater, dust, and debris.

2. Compatibility: Ensure that the control system is compatible with the electric linear actuators you have chosen or are currently using to ensure seamless integration. Check if your actuator has the matching communication protocols/positional feedback to the controllers you were considering. For example, the PA-12-T (TTL/PWM) and PA-12-R (RS-485) Micro Precision Servo Actuator provide precise position control with positional accuracy up to 100 um and require advanced communication protocols for such performance. Another thing to consider is whether the type of motor your actuator has will be compatible with a control system. Continuously operating brushless motors such as those found in our custom ordered PA-14 actuators would require control boxes compatible with their operation such as the LC-241 control box.

To see which of our control boxes and actuators are compatible with each other, check out our control box comparison and compatibility charts linked below:

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: Consider if there were any budget constraints for the project and choose a control system that offers the best value for your investment while meeting your performance requirements. For example, simple indoor projects that do not require high precision would work without any issues by wiring a basic rocker switch without high ingress protection to control a 2-wire mini linear actuator at an affordable price.

Skrzynki sterujące, takie jak nasza seria FLTCON, umożliwiają stosowanie zaprogramowanych funkcji, elementów bezpieczeństwa oraz innych ustawień użytkownika, do których można uzyskać dostęp za pomocą podłączonego pilota. Gdy do skrzynki sterującej FLTCON podłączonych jest kilka siłowników z czujnikiem Halla, skrzynka zapewnia synchronizację silników, dzięki czemu poruszają się one razem z tą samą prędkością.
Przeczytaj nasz wpis na blogu o zastosowaniach skrzynek sterujących FLTCON, aby uzyskać więcej informacji.

W przypadku konfiguracji z dwoma siłownikami hallotronowymi, nasz FLTCON-2 akceptuje napięcie wejściowe 110 V AC, jednak oferujemy również model FLTCON-2-24 VDC, który akceptuje napięcie wejściowe 24 VDC. W połączeniu z naszym przenośnym akumulatorem PA-BT1-24-2200 (wyjścia 24 VDC), połączenie FLTCON-2-24 VDC i PA-BT1-24-2200 zapewnia pełną mobilność. Oferujemy szeroki wybór pilotów zdalnego sterowania, dzięki czemu możesz cieszyć się wszystkimi unikalnymi funkcjami naszych różnych programowalnych pilotów przewodowych – można ich również używać razem z naszymi pilotami bezprzewodowymi RT-14 dla dodatkowej wygody.