Bewegungssteuerungsanwendungen haben im Vergleich zu den meisten Anwendungen einige einzigartige Anforderungen;Zwei sind besonders einzigartig: 1) sie haben einen Spitzenleistungsbedarf, der im Vergleich zum durchschnittlichen Bedarf typischerweise sehr hoch ist, und 2) die Motoren fungieren oft eher als Generator als als Last und pumpen Strom in die Stromversorgung, anstatt daraus zu ziehen it (regenerierte Energie oder „regen“).Wenn Sie eine DC-Stromversorgung für Ihre Schritt- oder Servomotoranwendung benötigen, haben Sie drei Typen zur Auswahl: 1) ungeregelte lineare Massenstromversorgungen;2) geregelte PWM-Schaltnetzteile (SMPS oder PWM-Umschalter);oder 3) Hybridversorgungen mit geregeltem Resonanzmodus.In diesem Artikel werden die technischen Überlegungen erörtert, die für die Bewegungssteuerung einzigartig sind, und die drei Arten von Netzteilen verglichen.Bei der Auswahl einer Stromversorgung ist es wichtig, die besonderen Anforderungen einer Bewegungssteuerungsanwendung zu berücksichtigen.Bei Beschleunigungen können Motorantriebe schnell große Mengen an Leistung ziehen.Darüber hinaus können Motoren während des Abbremsens eine Rückspeisung erzeugen und Strom zurück in die Stromversorgung schieben (dh sie wirken als Generatoren), was bedeutet, dass die Stromversorgung den resultierenden Spannungsanstieg bewältigen muss.Hochdynamische Bewegungsanwendungen (mit großen Trägheitslasten, schnellen Beschleunigungen/Verzögerungen und hohen Spitzengeschwindigkeiten) stellen große und schnelle Stromanforderungen an die Stromversorgung.Bei der Auswahl des besten Netzteils sind viele andere wichtige Faktoren zu berücksichtigen, die nicht speziell mit der Bewegungssteuerung zusammenhängen.Einige davon sind besonders wichtig für OEM-Maschinenkonstrukteure, die die Kosten ihres Produkts minimieren und einen zuverlässigen Betrieb unter einer Vielzahl von Betriebsbedingungen gewährleisten möchten.Erforderliche Leistung (Spitze und Durchschnitt): Eine Pumpanwendung, die im Allgemeinen mit einer festen oder sich langsam ändernden Drehzahl und einem Drehmoment läuft, verwendet eine Spitzenleistung, die ziemlich nahe an ihrer durchschnittlichen (Dauer-) Leistung liegt.Andererseits hat eine Bestückungsmaschine mit vielen Starts und Stopps bei hoher Beschleunigung eine viel höhere Spitzenleistung als der durchschnittliche Leistungsbedarf.Für ein gut konzipiertes System müssen Sie die maximale und durchschnittliche Leistungsaufnahme für alle Achsen zusammen berücksichtigen (was normalerweise nicht einfach die Summe der Anforderungen der einzelnen Achsen ist).Eine mehrachsige Maschine mit Achsen mit überlappenden Bewegungsprofilen (dh die Achsen können gleichzeitig beschleunigen) benötigt wahrscheinlich viel mehr Spitzenleistung als Maschinen, bei denen sich jeweils nur eine Achse bewegt.DC-Ausgangsspannungspegel: Unter der Annahme, dass Sie die niedrigsten Gesamtkosten für die mechanische Leistung wünschen, die Ihre Anwendung benötigt, und Sie Motoren im Bereich von 100 bis 750 Watt (Bruchpferdestärke) verwenden, gibt es einen Sweet Spot um 65-85 Volt DC.Viele Menschen möchten eine 24-Volt-Stromversorgung verwenden, weil sie sehr leicht zu finden sind oder weil ihre Anwendung bereits 24 Volt benötigt (für Sensoren und andere Komponenten).Viele Motoren können mit einer 24-Volt-Versorgung betrieben werden, warum also nicht 24 Volt verwenden?Der Hauptgrund ist, dass die Erhöhung der Busspannung des Motors (bis zu einem bestimmten Punkt) die kostengünstigste Möglichkeit ist, mehr Motorleistung zu erhalten.Die mechanische Leistung von der Welle eines Motors bei einer bestimmten Geschwindigkeit ist die Geschwindigkeit multipliziert mit dem Drehmoment.Die maximale Drehzahl eines jeden Motors steht in direktem Zusammenhang mit seiner zugeführten Spannung.Das Drehmoment, das Sie von einem Motor erhalten können, ist proportional zu dem Strom, den Sie durch seine Wicklungen treiben, der wiederum auch durch die Versorgungsspannung begrenzt wird.Um also die meiste Leistung aus einem bestimmten Motor (Drehzahl × Drehmoment) herauszuholen, muss die zugeführte Spannung erhöht werden.Bei jeder gegebenen Spannung dreht sich ein Motor schneller, wenn die Statorspulen des Motors weniger Kupferdrahtwicklungen haben.Und mit weniger Windungen können Sie dickeren Draht verwenden, der einen geringeren Widerstand hat und mehr Strom pro Volt liefert.Umgekehrt, warum nicht wirklich hohe Spannung verwenden?Bei Motoren mit mehr als 1-2 PS wäre es unpraktisch, keine Hochspannung zu verwenden, aber bei Motoren mit geringer Leistung bringt die Verwendung von Hochspannung eine Reihe von Sicherheits- und Regulierungsproblemen mit sich, die die Komplexität des Projekts und die Kosten erhöhen.Bei Verwendung einer Versorgung im 75-VDC-Bereich ist der Strom, der zum Erreichen einer Motorleistung von bis zu 1-2 PS erforderlich ist, nicht hoch genug, um sich über die oben beschriebenen Widerstandsverluste und Kupferfüllungsprobleme Gedanken zu machen.Und bei 75 VDC ist es ziemlich einfach und kostengünstig, elektrische Sicherheitsvorschriften einzuhalten.Möglicherweise können Sie eine niedrigere als die optimale Spannung verwenden und trotzdem die benötigte mechanische Leistung erhalten, aber Sie müssen wahrscheinlich einen größeren und teureren Motor verwenden.Lastregulierung/Steifigkeit der Ausgangsspannung: Die Ausgangsspannung von Netzteilen sinkt bis zu einem gewissen Grad, wenn die Last des Netzteils zunimmt.Die Höhe des Abfalls hängt von der Art der Versorgung, der Qualität des Designs und der Höhe der Last ab.Wenn die Versorgungsausgangsspannung abnimmt, nimmt die maximal verfügbare Motorwellenleistung ab.Motorantriebe fungieren als Leistungswandler, sodass ein gewisses Maß an Droop vorübergehend durch den Antrieb kompensiert werden kann, da er einfach mehr Strom zieht, um die erforderliche Leistung für den Motorantrieb bereitzustellen.Da jedoch die Droop die an den Motor gelieferte Spannung reduziert, wird auch die maximale Motorleistung reduziert.Netzteile mit zu starkem Spannungsabfall können Motorpositions- und Geschwindigkeitsfehler verursachen.Bei ausreichend hoher Droop verliert ein Schrittmotor Schritte und ein Servo kann aufgrund eines übermäßigen Momentanfehlers abschalten.Leitungsregelung: Es gibt weltweit eine breite Palette von nominalen Wechselspannungen;Sie variieren je nach Standort, Tageszeit und Stromnetzlast.Geregelte Netzteile verarbeiten im Allgemeinen jede vernünftige Änderung der AC-Netzspannung gut – sie haben typischerweise eine sehr geringe Änderung der Ausgangsspannung.Aber der Ausgang einer ungeregelten Versorgung, wie z. B. einer linearen Massenversorgung, ändert sich proportional zur Änderung der Eingangsleitungsspannung.Wenn Ihre Maschine die volle Ausgangsspannung benötigt, um ihre Zielmotordrehzahl zu erreichen, und bei voller Netzspannung getestet wurde, werden Sie möglicherweise eine böse Überraschung erleben, wenn die Maschine unter niedrigen Netzbedingungen betrieben wird.Ein hoher Netzwechselstrom kann auch ein Problem für Anwendungen ohne Netzregelung sein.Die meisten Motorantriebe schützen sich selbst vor Überspannungsbedingungen, aber wenn die DC-Busspannung an einer ungeregelten Versorgung aufgrund einer hohen AC-Leitung ansteigt, arbeitet Ihr Antrieb jetzt näher an seiner Überspannungsgrenze.Dies verringert den Auslegungsspielraum in Bezug auf regenerative Energie, da die regenerative Energie auch dazu dient, die vom Motorantrieb gesehene Spannung zu erhöhen.Regenerationssteuerungsunterstützung: Alle Elektromotoren erzeugen eine Gegenspannung (Gegen-EMK), wenn sie ein Drehmoment gegen die Bewegungsrichtung erzeugen (z. B. während einer Verzögerung).Diese Rückspeisung pumpt Strom zurück in die Versorgung und erhöht die Gesamtbusspannung.Es gibt verschiedene Möglichkeiten, mit diesem Rückstromfluss umzugehen.Sie können eine Kapazität parallel zum Versorgungsausgang hinzufügen, um als Reservoir zu fungieren, das diese regenerative Energie absorbiert und zur späteren Wiederverwendung speichert, wenn Strom aus der Versorgung entnommen werden muss.Ein großer Ausgangskondensator benötigt Platz, ist relativ teuer und hat im Vergleich zu anderen elektronischen Komponenten eine relativ geringe Lebensdauer.Das Problem der Lebensdauer kann durch die Wahl eines Kondensators mit einer deutlich höheren Nennspannung als der Nennversorgungsspannung gemildert werden.Wenn Ihre Achse oder Maschine eine erhebliche Regeneration erzeugt, müssen Sie möglicherweise einen dedizierten Regenerationsschaltkreis in Betracht ziehen, um Strom durch einen Lastwiderstand zu leiten und die überschüssige Energie zu verbrennen.Sie können auch einen separaten Ausgangskondensator mit zugehöriger „Sperrdiode“ und/oder eine Regenerierungssteuerschaltung mit zugehörigem Last-„Bremswiderstand“ einbauen.Der Kondensator funktioniert passiv, um eine gewisse Menge an regenerierter Energie zu absorbieren (und sie bei Bedarf zurückzugeben).Diese zusätzlichen Komponenten (Abbildung 1) erhöhen zusammen mit der erforderlichen Verkabelung die Kosten, die Verkabelungskomplexität und nehmen mehr Platz im Schaltschrank ein.Außerdem kann der Bremswiderstand so heiß werden, dass er ein Sicherheitsrisiko darstellt, und es können Maßnahmen erforderlich sein, um Verletzungen des Benutzers zu vermeiden.Der Ausgangskondensator benötigt möglicherweise zusätzliche Schaltkreise, um zu verhindern, dass der Einschaltstrom Ihren Leistungsschalter beim Einschalten auslöst, sowie Schaltkreise, um die gespeicherte Energie beim Ausschalten zu entladen.Größe/Stellfläche: Größe und/oder Formfaktor sind für die meisten Maschinenbauer wichtig, und das Netzteil für die Bewegungssteuerung ist oft eine der größten Komponenten in einem Schaltschrank.Elektronikschränke oder -gehäuse (insbesondere wenn sie für eine raue Umgebung ausgelegt sind) sind teuer, sodass kleinere Verbrauchsmaterialien und weniger Komponenten den Platzbedarf und die Kosten verringern.Einschaltstromschutz: Einschaltstrom ist der anfängliche, sofortige Strom, den eine Komponente zieht, wenn sie zum ersten Mal eingeschaltet wird.Ungeladene Kondensatoren ziehen viel Strom, wenn sie mit dem Laden beginnen.Der Einschaltstrom für eine Gleichstromversorgung kann um ein Vielfaches größer sein als der stationäre Eingangsstrom.Ohne Schaltkreise zur Begrenzung des Einschaltstroms können Netzteile richtig dimensionierte Leistungsschalter auslösen oder Sicherungen durchbrennen, wenn sie eingeschaltet werden.Kosten: OEM-Maschinenbauer können besonders kostenempfindlich sein, da sie mit zunehmendem Maschinenvolumen an Bedeutung gewinnen.Es ist wichtig, die Kosten und den Arbeitsaufwand zu berücksichtigen, die mit der Integration zusätzlicher elektrischer Komponenten verbunden sind (z. B. eine externe Bremssteuerschaltung, Sperrdiode, Bremswiderstand oder zusätzliche Kondensatoren).Ungeregelte, lineare Netzteile – Das lineare ungeregelte Bulk-Netzteil ist eines der einfachsten Netzteile überhaupt und besteht aus drei Hauptkomponenten:Transformator: Der Primärtransformator wandelt die AC-Netzeingangsspannung in eine alternative AC-Spannung um (normalerweise der endgültige, gewünschte DC-Spannungspegel).Sie nehmen viel Platz ein und ihre Stahlbleche und Kupferwicklungen sind schwer.Vollwellen-Brückengleichrichter: Der Brückengleichrichter ist eine Anordnung von Dioden (typischerweise in einem Gehäuse), die die negative Halbwelle der AC-Ausgangsspannung des Transformators in eine positive Spannung umwandelt.Der Ausgang des Gleichrichters hat die doppelte Frequenz des Eingangswechselstroms, aber nur positive Polarität.Kondensator: Die Kapazität speichert Energie, sodass selbst wenn Sie während der Phase des AC-Eingangs, in der die Spannung niedrig ist, Strom aus der Versorgung ziehen, die Ausgangsspannung nicht zu stark abfällt.Bulk-lineare Stromversorgungen haben eine Reihe von Vorteilen.Sie sind einfach, elektrisch leise und bieten eine leicht verfügbare Stromquelle.Zu den Nachteilen gehört eine höhere Spannungswelligkeit als bei den meisten Designs, da die AC-Eingangsspannung für eine relativ lange Zeit deutlich unter der DC-Ausgangsspannung liegt.Wenn die Spannung zu weit abfällt, hat der Schritt- oder Servomotor nicht genug Spannung, um mit der erforderlichen Geschwindigkeit zu drehen.Diese Netzteile sind relativ groß und schwer, was es schwieriger macht, sie in eine kompakte Maschine einzubauen.Nicht alle Bulk-Linear-Netzteile sind für die Regenerierung gut geeignet.Die von einem Motor zurückgeführte Energie lädt den Ausgangskondensator auf und erhöht die DC-Ausgangsspannung.Bulk-lineare, ungeregelte Netzteile (Abbildung 2) sind in der Regel „nackte“ Geräte und verfügen nicht über eine Vielzahl nützlicher Funktionen, die in anderen Netzteilen zu finden sind, wie z. B. Diagnose-LEDs oder Entladung gespeicherter Energie beim Ausschalten.Außerdem sind die meisten linearen Bulk-Versorgungen nicht eingeschlossen, sodass Sie eine Art Gehäuse herstellen müssen, wenn der Schutz vor Stößen für den Benutzer oder der mechanische Schutz der Schaltung in Ihrer Anwendung wichtig ist.Geregelte Schaltnetzteile – Ein geregeltes Schaltnetzteil (Abbildung 3) enthält eine Steuerelektronik, die dafür ausgelegt ist, die Ausgangsspannung unabhängig von der Last auf dem angegebenen Pegel zu halten.Umschalter enthalten aktive Schaltungen und sind komplizierter als ihre massenlinearen, ungeregelten Gegenstücke.Umschalter regulieren aktiv ihre DC-Ausgangsspannung mithilfe einer Technik namens „Pulsweitenmodulation“ (PWM) und Rückkopplung.Die Vorteile von Schaltnetzteilen bestehen darin, dass sie unabhängig von der Last eine nahezu konstante Spannung erzeugen, da sie über eine aktive Schaltung zur Regulierung der Ausgangsspannung verfügen.Solange Sie sie innerhalb ihres angegebenen Strombereichs verwenden, werden Sie unter Last keinen großen Spannungsabfall feststellen.Dies kann einen bemerkenswerten Leistungsvorteil gegenüber ungeregelten Netzteilen bieten.Umschalter haben ein kleineres Volumen und sind leichter als ungeregelte Netzteile.Ihre Transformatoren sind deutlich kleiner und die Ausgangskapazität ist viel geringer.Die meisten Schaltnetzteile akzeptieren direkt einen breiten Bereich von AC-Eingangsspannungen, normalerweise 100 bis 240 VAC, mit Netzfrequenzen von 50 bis 60 Hz.Ein ordnungsgemäß spezifizierter Umschalter löst im Allgemeinen keine Leistungsschalter aus, wenn der Strom eingeschaltet wird.Die meisten Umschalter haben auch eine Form von Überlastschutz;Sie schalten sich automatisch ab, wenn die Last zu anspruchsvoll ist, und liefern keine DC-Ausgangsleistung, bis Sie zum ersten Mal die AC-Eingangsleistung aus- und wieder einschalten.Es gibt mehrere Nachteile von Schaltnetzteilen.Switcher haben im Allgemeinen eine geringe Spitzenkapazität.Bewegungsanwendungen erfordern Spitzenleistung für die Dauer der Beschleunigung der Last;Dies dauert in der Regel viel länger als die Zeit, die ein Schaltnetzteil Spitzenleistung liefern kann.Im Vergleich zur Ausgangsregelung eines Umschalters wird der Spannungsabfall einer ungeregelten Bulk-Linear-Versorgung normalerweise als Nachteil angesehen;Sie können jedoch für kurze Zeiträume wesentlich mehr Kraft ziehen (gut geeignet für Beschleunigungsabschnitte eines Bewegungsprofils).Alle Elektromotoren erzeugen regenerative Energie, wenn sie ein Drehmoment mit entgegengesetztem Vorzeichen zur Bewegungsrichtung liefern.Der Motor gibt diese Energie an den DC-Spannungsausgang des Netzteils zurück, wodurch die Spannung erhöht wird.Schaltnetzteile haben keine ausreichende Ausgangskapazität oder einen separaten Bremskreis, um diese Energie zu absorbieren und/oder abzuleiten.Obwohl PWM-Schaltnetzteile eine Reihe von Nachteilen für den Einsatz in Bewegungsanwendungen haben, können sie erfolgreich sein, insbesondere in Anwendungen mit kontinuierlicher Belastung (z. B. Pumpen und Mischer) im Gegensatz zu Anwendungen mit mehr Spitzenbedarf (z. B. Multi- Achsmaschinen mit häufigen Motorbeschleunigungen und -verzögerungen).Hybrid-Netzteile für Schritt- oder Servomotorsteuerung – Umschalter müssen deutlich überdimensioniert werden, um die typischen Spitzenlasten zu bewältigen.Switcher benötigen außerdem fast immer einige zusätzliche, vom Benutzer bereitgestellte Schaltungen, um zuverlässig zu funktionieren.Bulk-Linear-Netzteile können die hohe Spitzenleistung liefern, die normalerweise für Bewegungsanwendungen erforderlich ist (allerdings mit Ausgangsspannungsabfall), und sie haben aufgrund ihrer typischerweise großen Ausgangskapazität eine moderate Regenerierungskapazität.Eine RDFC-Versorgung könnte so ausgelegt werden, dass sie große Spitzenlasten handhaben kann.In einem RDFC schalten die Schalttransistoren nur ein und aus, wenn sie sich in einem „stromlosen“ oder „spannungslosen“ Zustand befinden.Beim häufigeren PWM-Umschalter schalten die Transistoren mit voller Leistung, und ihr Siliziumchip muss viel Wärme abführen.Aus diesem Grund wird jeder Stromverbrauch, der die Dauernennleistung übersteigt, die Transistoren schnell auf ein schädliches Niveau aufheizen.Beim Resonanzmodusschalter verbrauchen die Transistoren viel weniger Leistung, sodass die thermische Grenze bei dieser Art der Versorgung die thermische Grenze des Transformators ist.Der Transformator hat viel mehr thermische Masse als das Silizium in den Transistoren und kann daher viel höhere Spitzenlasten und Spitzen mit längerer Dauer absorbieren.Wenn Sie einen Resonanzmodusumschalter mit einer gesunden Menge an Ausgangskapazität und einem Regen-Controller kombinieren, haben Sie eine Hybrid-Stromversorgung, die sich ideal für Bewegungssteuerungsanwendungen eignet.Dieses Hybriddesign (Abbildung 4) kombiniert alle Vorteile der PWM-Schaltversorgung mit den Vorteilen der Bulk-Linear-Versorgung.Dieses Design ermöglicht es Ihrer Anwendung auch, deutlich mehr als den Nennspitzenstrom zu ziehen, ohne eine Abschaltung zu verursachen.Das Überschreiten des Spitzenstroms führt zu einem gewissen Abfall, aber ein Spannungsabfall kann akzeptabel sein, wenn Sie dadurch mehr Strom für die Momente mit hohem Drehmomentbedarf bei niedrigerer Drehzahl erhalten können.Hoffentlich haben Sie jetzt ein gutes Verständnis für die verschiedenen Arten von Netzteilen und ihre Vor- und Nachteile für Bewegungssteuerungsanwendungen.Ungeregelte Bulk-Linear- und geregelte Schaltnetzteile sind beide üblich, haben aber einige Nachteile für Bewegungssteuerungsanwendungen.Die Hybrid-Resonanzmodus-Architektur kombiniert die besten Eigenschaften der anderen Netzteile und ist ideal geeignet, um Gleichstrom für Servo- und Schrittmotorantriebe bereitzustellen.Dieser Artikel wurde von Abe Amirana, Direktor, Teknic (Victor, NY) geschrieben.Weitere Informationen finden Sie hier.Dieser Artikel erschien erstmals in der Dezemberausgabe 2020 des Motion Design Magazine.Lesen Sie hier weitere Artikel aus dieser Ausgabe.Lesen Sie hier weitere Artikel aus dem Archiv.Testen Sie Ihr Wissen über BatterienZuverlässigere Stromversorgung für puertoricanische MicrogridsHaus ausschließlich mit Gleichstrom elektrifiziertTesten Sie Ihr Wissen über tragbare TechnologieVom Weltraum zum Meer: Ein Unterwasserroboter taucht tief einInnovative Materialien für ADAS-HerausforderungenDie Insider-Geschichte zu thermoplastischen Verbundwerkstoffen für das Produktdesign in der Luft- und RaumfahrtOptimierung von Leistungswandlern: Wie Simulation Ihnen hilft, erstklassige Leistungselektronik zu entwickelnBewältigung der Herausforderungen der elektrischen und EMI-Anforderungen von RTCA/DO-160GMaschinelles Lernen zur Verringerung der Lücke zwischen Simulation und TestZuverlässigere Stromversorgung für puertoricanische MicrogridsProdukt des Monats: LED Light Engines für Fluoreszenzbildgebung mit großem Sichtfeld...Kohlefaser-Strukturbatterie für „masselose“ Energiespeicherung in FahrzeugenSechster Spiegelguss bringt riesiges Magellan-Teleskop näher an die FertigstellungOptische Dünnschichten auf komplexen SubstratgeometrienKann ein Wearable Ihnen helfen, hochwertige Zzzz zu bekommen?Durch die Übermittlung Ihrer personenbezogenen Daten stimmen Sie zu, dass die SAE Media Group und sorgfältig ausgewählte Branchensponsoren dieser Inhalte Sie kontaktieren dürfen, und dass Sie die Datenschutzrichtlinie gelesen haben und ihr zustimmen.Sie erreichen uns unter privacy@saemediagroup.com.Sie können sich jederzeit abmelden.© 2009-2022 Tech Briefs Mediengruppe