Waarom kunnen EtherCAT-servoregelaars met meerdere assen ééndimensionale regelaars vervangen? Een analyse van 3 kerntechnische voordelen

Submicrosecond-synchronisatie voor hoogprecieze multi-assige coördinatie

EtherCAT-distributie-klokken maken een jitter van <500 ns over alle assen mogelijk

De Distributed Clock (DC)-technologie in EtherCAT lost werkelijk die vervelende tijdsproblemen op wanneer meerdere assen met elkaar zijn verbonden via een netwerk. De jitter daalt tot ongeveer 500 nanoseconden, wat een enorme verbetering is ten opzichte van ouderwetse synchronisatiemethodes, die immers vertragingen accumuleren in de tijd en zo gecoördineerde bewegingen verstoren. Traditionele hoogprecieze servomotoren werken met een eigen klok per as, maar EtherCAT DC brengt alle assen in sync met behulp van een gemeenschappelijke hardwaretijdreferentie. Elk knooppunt wordt voorzien van exacte tijdstempels, zodat alles correct op elkaar afgestemd is. Wat dit zo bijzonder maakt, is de manier waarop het systeem propagatievertragingen automatisch compenseert zodra ze optreden, waardoor de afstemming op nanosecondniveau behouden blijft zonder dat iemand handmatig instellingen hoeft aan te passen. Neem bijvoorbeeld het hanteren van halfgeleiderwafers: zelfs een minimale afwijking van meer dan 600 nanoseconden leidt tot problemen bij metingen in micrometers. En hierin ligt het grote voordeel: het systeem kalibreert zichzelf continu bij allerlei omgevingsveranderingen, zoals verschillende kabellengtes of temperatuurschommelingen, zonder dat operators daar op enige wijze bij betrokken hoeven te zijn.

Deterministische cyclus tijden (<100 µs) vs. traditionele veldbussen

EtherCAT biedt ongelofelijk snelle reactietijden van minder dan 100 microseconden, waardoor het ongeveer 20 keer sneller is dan CANopen, dat doorgaans ten minste 2 milliseconden nodig heeft. In vergelijking met de meeste andere veldbussystemen is de tijdsbepaling van EtherCAT veel consistenter en betrouwbaarder. Bij de overstap van traditionele single-axis-opstellingen is dit van groot belang. In plaats van opdrachten achtereenvolgens naar verschillende assen te sturen — waardoor zich langzaam kleine positioneringsfouten opstapelen — verwerkt EtherCAT alle asopdrachten tegelijk in slechts één cyclus. Het resultaat? Regelkringen kunnen praktisch boven de 10 kilohertz draaien, wat helpt bij het onderdrukken van trillingen tijdens het werken van machines met hoge snelheden. Een grote robotfabrikant constateerde dat de fouten in het volgen van een baan bijna met 90% daalden nadat zij overgingen van afzonderlijke single-axis-servo’s naar een multi-axis-systeem gebaseerd op EtherCAT-technologie. Systemen die lage latentie vereisen, zoals de complexe parallelle kinematische platforms die worden gebruikt in geavanceerde productie, bereiken nu hoeknauwkeurigheden tot op microradialen — iets wat bijna onmogelijk was met oudere regelmethoden die over meerdere componenten waren verspreid.

Architectonische vereenvoudiging: vervanging van meerdere enkelassige hoogprecieze servotyperen door één geïntegreerde aandrijving

70% minder bedrading en eliminatie van master-slave-gateways

Wanneer bedrijven meerdere enkelassige, hoge-nauwkeurigheids-servo’s combineren tot één multi-assig aandrijfsysteem, verminderen ze de complexiteit van de bedrading met ongeveer 70% en elimineren ze volledig die vervelende master-slave-gatewayapparaten. De oude werkwijze vereiste het dupliceren van stroomlijnen, terugkoppelverbindingen en besturingsbedrading voor elke afzonderlijke as, wat allerlei problemen veroorzaakte, zoals rommelige kabelbundels en te veel aansluitpunten. Multi-assige aandrijvingen werken echter anders: zij delen een gemeenschappelijke gelijkstroomvoeding en hebben slechts één hoofd-EtherCAT-verbinding nodig die door de schakelkast loopt, waardoor alles veel netter en eenvoudiger te installeren is. Het weglaten van die gatewayboxen helpt ook, omdat daarmee de vervelende communicatievertragingen verdwijnen die optreden wanneer signalen via meerdere stadia moeten worden doorgegeven. Volgens recent onderzoek op het gebied van industriële automatisering uit vorig jaar zien fabrieken die deze aanpak toepassen doorgaans een verbetering van ongeveer 40% in de snelheid waarmee installaties worden uitgevoerd, terwijl de materiaalkosten met ongeveer 25% dalen. Geen wonder dat steeds meer fabrikanten tegenwoordig overschakelen.

Native CIA 402-conformiteit voor alle assen — CSP-, CSV- en CST-modi volledig ondersteund zonder configuratie-inspanning

De multi-assen-aandrijfsystemen werken na installatie direct naadloos samen, omdat ze voldoen aan de CIA 402-norm voor CAN-automatisering. Deze systemen ondersteunen positieregeling (CSP), snelheidsregeling (CSV) en koppelregeling (CST) op elke as, zonder dat afzonderlijke instellingen per apparaat nodig zijn. Traditionele opstellingen met enkel-assenaandrijvingen zijn omslachtig, aangezien elk apparaat individuele aanpassingen en parameterinstellingen vereist. Met deze nieuwe aandrijvingen werkt alles vanaf dag één samen dankzij hun geïntegreerde ontwerp. Voor engineeringteams betekent dit minder tijd besteed aan het configureren van afzonderlijke componenten en meer focus op het efficiënt afronden van projecten.

• Directe as-synchronisatie in CSP-modus voor gecoördineerde bewegingstaken
• Naadloze snelheidsovergangen in CSV-modus voor transportband- of baanverwerkende systemen
• Directe koppelregeling in CST-modus voor toepassingen waarbij spanning kritisch is, zoals wikkelen of drukken
  Validatietests tonen een 90% snellere inbedrijfstelling vergeleken met traditionele servo-netwerken (Motion Control Journal, 2024), aangezien parametersets automatisch over alle assen worden doorgegeven via gestandaardiseerde objectwoordenboekafbeelding.

Hogere vermogensdichtheid en thermische efficiëntie: Technische voordelen ten opzichte van discrete, eenas-precisieservo’s van hoge kwaliteit

Wat betreft prestaties hebben multi-assige EtherCAT-servoaandrijvingen duidelijk hun single-assige tegenhangers overtroffen dankzij enkele zeer indrukwekkende halfgeleiderdoorbraken. De magie zit in de siliciumcarbide (SiC) MOSFET-technologie, die ongeveer 40% meer vermogen in dezelfde ruimte verwerkt als traditionele siliciumgebaseerde aandrijvingen. Wat betekent dit in de praktijk? Machines kunnen meer koppel leveren terwijl ze minder ruimte innemen in besturingskasten. Bovendien genereren SiC-componenten aanzienlijk minder warmte dankzij hun grotere bandafstand, waardoor geleidingsverliezen met ongeveer 35% worden verminderd. Minder warmte betekent langere levensduur van onderdelen en fabrikanten hoeven geen enorme koelsystemen meer aan machines te bevestigen — een belangrijk voordeel in sectoren waar apparatuur continu draait, zoals CNC-bewerkingsbedrijven. Al deze verbeteringen resulteren in betere precisie tijdens zware machinebelasting, compacte ontwerpen die ruimte op de productievloer besparen en uiteindelijk lagere kosten op de lange termijn voor bedrijfsleiders die elk cent nauwlettend in de gaten houden.