Przewodnik po systemach sterowania do elektrycznych siłowników liniowych

Systemy sterowania są integralnymi elementami działania elektrycznych siłowników liniowych, zaprojektowanymi do zarządzania pracą i kierowania zachowaniem ruchu tych urządzeń. Popularne rozwiązania, takie jak skrzynki sterujące, to rodzaj systemu sterowania dla siłowników liniowych, w których wszystkie elementy elektroniczne są zabezpieczone w obudowie, często o kształcie pudełka. Zasadniczo system sterowania interpretuje polecenia wejściowe, ręczne lub zautomatyzowane, i przekształca je w sygnały regulujące ruch siłownika.

Głównym celem tych systemów jest zapewnienie, aby siłowniki pracowały dokładnie, wydajnie i niezawodnie zgodnie z wcześniej określonymi parametrami. Znaczenia systemów sterowania w działaniu siłowników nie można przecenić, zwłaszcza jeśli chodzi o osiąganie precyzyjnej i efektywnej kontroli ruchu. Systemy te są kluczowe z kilku powodów:
1. Precyzja: Systemy sterowania umożliwiają precyzyjne dostrajanie ruchów siłownika, aby osiągnąć wysoki poziom powtarzalności i dokładności. Jest to niezbędne w zastosowaniach, gdzie dokładne pozycjonowanie ma krytyczne znaczenie, na przykład w chirurgii robotycznej lub inżynierii lotniczej.
2. Wydajność: Poprzez optymalizację sposobu, w jaki siłowniki reagują na polecenia, systemy sterowania zmniejszają zużycie energii i minimalizują zużycie mechaniczne. To nie tylko wydłuża żywotność siłownika, ale także zwiększa ogólną efektywność systemu, w którym działa.
3. Adaptacyjność: Mechanizmy sprzężenia zwrotnego mogą dostosowywać zachowanie kompatybilnych siłowników w czasie rzeczywistym, analizując informacje zwrotne o położeniu od kompatybilnych siłowników. Ta zdolność adaptacji jest niezbędna w dynamicznych środowiskach, gdzie warunki szybko się zmieniają, na przykład w zautomatyzowanych procesach produkcyjnych lub gdy kilka siłowników doświadcza nierównomiernego rozkładu obciążenia.

4. Integracja: Systemy sterowania często pozwalają siłownikom pracować w połączeniu z innymi istniejącymi systemami, ułatwiając wykonywanie złożonych operacji na podstawie prostych sygnałów wysyłanych do systemu sterowania. Ta integracja jest wspierana przez postępy w łączności i programowaniu. W niektórych systemach sterowania ich wbudowane transformatory mogą również pełnić rolę płynnej integracji, działając jednocześnie jako konwerter napięcia, na przykład gdy do zasilenia siłownika 12 VDC potrzebne jest źródło 120 VAC.

5. Funkcje bezpieczeństwa: Zaprogramowane funkcje bezpieczeństwa, takie jak zabezpieczenie przeciw przeciążeniom, pomagają zapobiegać uszkodzeniom siłownika lub aplikacji poprzez zatrzymanie pracy po wykryciu przez system sterowania nadmiernie dużego poboru prądu. Inną funkcją bezpieczeństwa spotykaną w control boxes jest zabezpieczenie przed przegrzaniem, które zatrzymuje pracę po określonym czasie cykli, aby zapewnić pracę w ramach dopuszczalnych parametrów cyklu pracy siłownika i w ten sposób uniknąć spalania silnika. Systemy sterowania są fundamentem funkcjonowania siłowników, dostarczając niezbędnej inteligencji i zdolności adaptacyjnych, które zapewniają precyzję, wydajność, bezpieczeństwo i skuteczne sterowanie ruchem. Ich rola jest kluczowa w rozwijającej się dziedzinie technologii automatyki, gdzie precyzja ruchu często stanowi podstawę sukcesu operacyjnego.

Systemy sterowania dla elektrycznych siłowników liniowych składają się z kilku kluczowych elementów, które umożliwiają precyzyjną i wydajną pracę. Zrozumienie tych komponentów oraz zasad ich działania jest niezbędne do optymalizacji wydajności siłowników liniowych.

Kluczowe elementy podstawowej skrzynki sterującej

W podstawowej skrzynce sterującej przeznaczonej dla elektrycznych siłowników liniowych każdy element odgrywa istotną rolę w zapewnieniu efektywnej pracy. Oto podział tych głównych komponentów, ich funkcji i roli, jaką pełnią:

1. Relays: Przekaźniki działają jak przełączniki sterujące obwodem o dużej mocy przy użyciu sygnału o niskiej mocy. W skrzynkach sterujących zaprojektowanych do obsługi siłowników 2-przewodowych niezbędne są dwa przekaźniki do odwracania polaryzacji napięcia przykładnego na dwóch przewodach siłownika, co z kolei zmienia kierunek ruchu. Pozwala to na sterowanie dwukierunkowe w prostym układzie pozwalającym na wysuwanie i chowanie siłownika.

2. Kanały wejściowe: Kanały wejściowe to interfejsy, przez które system sterowania odbiera sygnały elektryczne z zewnętrznych źródeł, takich jak zasilacze lub sygnały z przewodowych pilotów. Skrzynki sterujące pracujące z informacją zwrotną pozycji mogą również otrzymywać sygnały z czujników siłownika. Te kanały przetwarzają wejścia od użytkownika i/lub czujników, aby określić, jak siłownik powinien pracować, co czyni je podstawą inicjowania i kontrolowania ruchów siłownika zgodnie z określonymi wymaganiami.

3. Kanały wyjściowe: Kanały wyjściowe dostarczają sygnały sterujące z kontrolera do siłownika lub innych elementów, takich jak przekaźniki. Skrzynki sterujące pracujące z informacją zwrotną pozycji mogą również dostarczać prąd elektryczny, aby czujniki siłownika miały zasilanie do działania. Te kanały są kluczowe dla wykonywania poleceń określonych przez system sterowania i bezpośrednio wpływają na zachowanie siłownika.

4. Przycisk synchronizacji pilota: Ten przycisk służy do synchronizacji systemu sterowania z urządzeniem zdalnego sterowania. Zapewnia, że sygnały z pilota są rozpoznawane i przetwarzane przez system sterowania, ułatwiając wygodną i elastyczną obsługę na odległość.

5. Wskaźnik świetlny: Wskaźniki świetlne dostarczają informacji wizualnej o stanie systemu. Mogą wskazywać włączenie/wyłączenie zasilania, tryby pracy, stany błędów lub odbiór sygnałów, co pomaga w monitorowaniu i rozwiązywaniu problemów bez konieczności stosowania złożonych narzędzi diagnostycznych.

6. Wybór trybu: Ta funkcja pozwala użytkownikowi przełączać się między różnymi trybami pracy skrzynki sterującej, takimi jak sterowanie chwilowe (momentary) lub zatrzaskowe (non-momentary). W trybie chwilowym przycisk pilota musi być stale przytrzymywany w pozycji aktywnej, aby urządzenie działało; po zwolnieniu przełącznika urządzenie przestaje działać. Tryb zatrzaskowy działa jak przełącznik, który pozostaje w ostatniej ustawionej pozycji aż do ponownej zmiany, niezależnie od tego, czy jest wciśnięty. Oznacza to, że po aktywacji urządzenie działa dalej aż do ręcznego wyłączenia przełącznika.

7. Antena: Antena jest częścią skrzynek sterujących wyposażonych w bezprzewodową konfigurację komunikacji. Anteny są używane do zwiększania zasięgu i jakości sygnału między systemem sterowania a pilotami lub między powiązanymi systemami. Jest to kluczowe dla utrzymania stabilnej komunikacji w środowiskach, gdzie bezpośrednie okablowanie jest niepraktyczne lub niepożądane.

8. Moduł odbiornika RF: Ten moduł odbiera sygnały radiowe wysyłane przez bezprzewodowe piloty. Odczytuje te sygnały i przekształca je w polecenia, które system sterowania może zrozumieć i wykonać. Moduł odbiornika RF jest niezbędny w konfiguracjach bezprzewodowych, umożliwiając zdalne sterowanie siłownikiem bez fizycznego kontaktu.

Razem te elementy tworzą kompleksowy system sterowania dla siłowników 2-przewodowych, z których każdy pełni określoną funkcję przyczyniającą się do ogólnej skuteczności i wydajności pracy siłownika. System ten nie tylko pozwala na precyzyjne sterowanie ruchem siłownika, lecz także poprawia interfejs użytkownika i interakcję, czyniąc go dostosowalnym do szerokiego zakresu 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.

Wybierając konfigurację z 2x aktuatorami wykorzystującymi efekt Halla, nasz FLTCON-2 przyjmuje napięcie wejściowe 110 VAC, jednak oferujemy także FLTCON-2-24 VDC, który przyjmuje napięcie wejściowe 24 VDC. W połączeniu z naszym PA-BT1-24-2200 Portable FLT Battery Pack (outputs 24 VDC), zestaw FLTCON-2-24 VDC i PA-BT1-24-2200 umożliwia pełną przenośność. Oferujemy szeroką gamę opcji zdalnego sterowania, dzięki czemu możesz korzystać ze wszystkich unikalnych funkcji naszych różnych programowalnych przewodowych pilotów — mogą one również być używane razem z naszymi bezprzewodowymi pilotami RT-14 dla dodatkowej wygody.