Proč mohou víceosé servopohony EtherCAT nahradit jednoosé? Rozbor tří klíčových technických výhod

Synchronizace pod mikrosekundu pro vysoce přesnou koordinaci více os

Distribuované hodiny EtherCAT umožňují jiter nižší než 500 ns na všech osách

Technologie distribuovaných hodin (DC) v EtherCATu skutečně řeší ty otravné časové problémy, ke kterým dochází při propojení více os do sítě. Dosahuje rozptylu (jitteru) pouhých asi 500 nanosekund, což je výrazně lepší než starší metody synchronizace, které se postupně hromadí a narušují koordinovaný pohyb. Tradiční servopohony s vysokou přesností pracují s vlastními hodinami pro každou osu, ale EtherCAT DC všechny uzly synchronizuje pomocí společného hardwarového časového referenčního signálu. Každý uzel je opatřen přesnými časovými razítky, aby bylo zajištěno správné vzájemné zarovnání. To, co tuto technologii činí tak zajímavou, je její schopnost automaticky kompenzovat šíření zpoždění v reálném čase a udržovat zarovnání na úrovni nanosekund bez nutnosti manuálního nastavování parametrů. Například při manipulaci s polovodičovými wafery již odchylka větší než 600 nanosekund vede k problémům měřitelným v mikronech. A právě toto je klíčová výhoda: systém se automaticky kalibruje za všech podmínek – například při změně délky kabelů nebo kolísání teploty – a to bez jakéhokoli zásahu operátora.

Deterministické doby cyklu (< 100 µs) oproti tradičním polním sběrnicím

EtherCAT nabízí neuvěřitelně rychlé doby odezvy pod 100 mikrosekund, což je přibližně 20krát rychlejší než CANopen, který obvykle vyžaduje alespoň 2 milisekundy. Ve srovnání s většinou ostatních fieldbusových systémů je časování EtherCAT mnohem konzistentnější a spolehlivější. Při přechodu od tradičních jednoosých uspořádání to má zásadní význam. Místo posílání příkazů postupně po jednotlivých osách – čímž se postupně hromadí malé chyby polohování – EtherCAT zpracovává všechny příkazy pro všechny osy najedou v jediném cyklu. Výsledkem je, že řídicí smyčky mohou běžet prakticky nad 10 kiloherců, což pomáhá potlačit vibrace při provozu strojů na vysokých rychlostech. Jeden významný výrobce robotů zaznamenal téměř 90% snížení chyb sledování dráhy poté, co přešel od samostatných jednoosých servopohonů k víceosému systému založenému na technologii EtherCAT. Systémy vyžadující nízkou latenci, jako jsou složité paralelní kinematické platformy používané v pokročilém průmyslovém výrobním procesu, dosahují nyní úhlové přesnosti až v rozmezí mikroradiánů – něčeho, co bylo dříve s použitím starších řídicích metod rozprostřených mezi více komponentami téměř nedosažitelné.

Zjednodušení architektury: Nahrazení několika jednoosých vysokopřesných servomotorů jedním unifikovaným pohonem

snížení množství kabeláže o 70 % a eliminace bránových zařízení pro řízení hlavního-podřízeného systému

Když společnosti kombinují několik jednoosých vysokopřesných servopohonů do jednoho víceosého pohonného systému, snižují složitost zapojení přibližně o 70 % a zcela eliminují ty obtížné brány pro řízení hlavního a podřízeného zařízení (master-slave). Starý způsob řešení spočíval v duplikaci napájecích vedení, zpětnovazebních připojení a řídicích kabelů pro každou jednotlivou osu, což vyvolávalo celou řadu problémů, jako například nepřehledné kabelové svazky a příliš mnoho míst ukončení kabelů. Víceosé pohony fungují jinak: sdílejí společný stejnosměrný zdroj napájení a vyžadují pouze jedno hlavní EtherCAT připojení vedoucí skrz rozvaděč, čímž se celá instalace stává mnohem přehlednější a jednodušší na montáž. Odstranění těchto bránových zařízení navíc pomáhá odstranit otravné komunikační zpoždění, ke kterému dochází, když signály musí projít několika stupni. Podle nedávného výzkumu v oblasti průmyslové automatizace z minulého roku zaznamenaly továrny, které tento přístup zavedly, typicky zlepšení rychlosti instalací přibližně o 40 % a současně pokles nákladů na materiál přibližně o 25 %. Je tedy pochopitelné, proč se v současné době stále více výrobců rozhoduje pro tento přechod.

Nativní soulad s normou CIA 402 pro všechny osy – režimy CSP, CSV a CST jsou plně podporovány bez nutnosti konfiguračních úprav

Víceosé pohonné systémy spolupracují bezproblémově okamžitě, protože dodržují normu CIA 402 pro automatizaci přes sběrnici CAN. Tyto systémy zajišťují řízení polohy (CSP), řízení rychlosti (CSV) a řízení krouticího momentu (CST) na každé ose bez nutnosti samostatné konfigurace jednotlivých zařízení. Tradiční nastavení s jednoosými pohony je problematické, neboť každý pohon vyžaduje vlastní úpravy a nastavení parametrů. U těchto nových pohonů vše funguje společně od prvního dne díky jejich jednotnému návrhu. Pro inženýrské týmy to znamená méně času stráveného konfigurací jednotlivých komponent a více času věnovaného efektivnímu dokončování projektů.

• Okamžitá synchronizace os v režimu CSP pro koordinované pohybové úkoly
• Bezproblémové přechody mezi rychlostmi v režimu CSV pro dopravníky nebo systémy zpracování pásů
• Přímé řízení krouticího momentu v režimu CST pro aplikace kritické z hlediska tahové síly, jako je navíjení nebo tisk
  Testování ověřování ukazuje, že uvedení do provozu je o 90 % rychlejší než u tradičních servosítí (Motion Control Journal, 2024), protože sady parametrů se automaticky šíří napříč osami prostřednictvím standardizovaného mapování slovníku objektů.

Vyšší výkonová hustota a tepelná účinnost: technické výhody oproti diskrétním jednoosým servopohonným jednotkám s vysokou přesností

Pokud jde o výkon, víceosové servopohony s protokolem EtherCAT zřetelně předčí své jednoosové protějšky díky několika opravdu pozoruhodným polovodičovým průlomům. Klíčovou roli hraje technologie tranzistorů MOSFET na bázi karbidu křemíku (SiC), která umožňuje umístit přibližně o 40 % vyšší výkon do stejného prostoru jako u tradičních pohonů na bázi křemíku. Co to znamená v praxi? Stroje mohou vyvíjet vyšší krouticí moment a zároveň zabírat méně místa v řídicích skříních. Navíc komponenty z karbidu křemíku generují výrazně méně tepla díky své širší štěrbinové energetické pásmové struktuře, čímž se ztráty vedením snižují přibližně o 35 %. Nižší teplota znamená delší životnost součástek a výrobci již nepotřebují ty obrovské chladicí systémy připevněné na strojích – což má obrovský význam v odvětvích, kde zařízení pracuje nepřetržitě, například ve strojírenských dílnách s CNC obráběním. Všechny tyto vylepšení vedou ke zvýšené přesnosti strojů za zatížení, k kompaktnějším konstrukcím, které šetří prostor na výrobní ploše, a nakonec k dlouhodobému snížení nákladů pro manažery provozů, kteří sledují každou korunu.