Prečo môžu viacosiové servo pohonné jednotky EtherCAT nahradiť jednoosiové? Rozbor 3 kľúčových technických výhod

Synchronizácia v podmikrosekundovom rozsahu pre vysokopresné súradenie viacerých osí

Distribuované hodiny EtherCAT umožňujú jiter nižší ako 500 ns na všetkých osiach

Technológia distribuovanej hodiny (DC) v EtherCATe skutočne rieši tie otravné časové problémy, keď sú viaceré osi prepojené do siete. Dosahuje rozptyl (jitter) približne 500 nanosekúnd, čo výrazne prevyšuje staršie metódy synchronizácie, keďže tieto len postupne akumulujú oneskorenia a narušujú súradený pohyb. Tradičné vysokopresné servomotory pracujú s vlastnými hodinami pre každú os, no EtherCAT DC všetky uzly synchronizuje pomocou zdieľanej hardvérovej časovej referencie. Každý uzol je označený presnými časovými pečiatkami, aby sa všetko správne zarovnalo. To, čo robí túto technológiu tak zaujímavou, je jej schopnosť automaticky kompenzovať šíriace sa oneskorenia v reálnom čase a udržiavať zarovnanie na úrovni nanosekúnd bez nutnosti manuálneho nastavovania parametrov. Vezmime si napríklad manipuláciu s polovodičovými platňami – už odchýlka väčšia než 600 nanosekúnd spôsobuje problémy pri meraní v mikrónoch. A tu leží aj jej výhoda: systém sa automaticky kalibruje za všetkých podmienok prostredia, ako sú napríklad rôzne dĺžky káblov alebo kolísanie teploty, a to bez akéhokoľvek zásahu operátora.

Deterministické časy cyklu (< 100 µs) oproti tradičným fieldbusom

EtherCAT ponúka neuveriteľne rýchle doby odezvy pod 100 mikrosekúnd, čo znamená, že je približne 20-krát rýchlejší ako CANopen, ktorý zvyčajne vyžaduje aspoň 2 milisekundy. V porovnaní s väčšinou iných fieldbusových systémov je časovanie EtherCAT-u výrazne konzistentnejšie a spoľahlivejšie. Pri prechode od tradičných jednoosových nastavení to má veľký význam. Namiesto posielania príkazov postupne cez rôzne osi a hromadenia malých chýb polohy v priebehu času EtherCAT spracováva všetky príkazy pre osi naraz v jedinom cykle. Výsledkom je, že riadiace slučky môžu bežať prakticky nad 10 kHz, čo pomáha potláčať vibrácie pri prevádzke strojov na vysokých rýchlostiach. Jeden významný výrobca robotov zaznamenal pokles chýb sledovania dráhy takmer o 90 % po prechode od samostatných jednoosových servopohonov k viacosovému systému založenému na technológii EtherCAT. Systémy, ktoré vyžadujú nízku latenciu – napríklad zložité paralelné kinematické platformy používané v pokročilej výrobe – dosahujú dnes uholnú presnosť až v rozsahu mikroradiánov, čo bolo predtým s použitím starších metód riadenia rozptýlených medzi viaceré komponenty takmer nemožné.

Zjednodušenie architektúry: Nahradenie viacerých jednoosových vysokopresných servomotorov jedným unifikovaným pohonom

70 % zníženie káblovania a odstránenie brán master-slave

Keď spoločnosti kombinujú niekoľko jednoosových vysokopresných servopohonov do jedného viacosiachového pohonného systému, znížia zložitosť zapojenia približne o 70 % a úplne eliminujú tie otravné brány typu master-slave. Starý spôsob práce vyžadoval duplikáciu napájacích vedení, spojení pre spätnú väzbu a riadiacich vedení pre každú jednotlivú os, čo viedlo k rôznym problémom, ako sú neprehľadné káblové zväzky a príliš veľa miest ukončenia vedení. Viacosiachové pohony fungujú inak: zdieľajú spoločný jednosmerný zdroj napätia a potrebujú len jednu hlavnú EtherCAT pripojovaciu linku vedúcu cez rozvádzač, čím sa celý systém stáva menej chaotickým a jednoduchším na inštaláciu. Odstránenie týchto bránových boxov navyše pomáha odstrániť otravné komunikačné oneskorenia, ktoré vznikajú pri prechode signálov cez viacero stupňov. Podľa nedávnych výskumov v oblasti priemyselnej automatizácie z minulého roka sa v továrňach, ktoré tento prístup prijali, zvyčajne dosahuje zlepšenie rýchlosti inštalácie približne o 40 % a náklady na materiál klesajú približne o 25 %. Je preto pochopiteľné, prečo sa v súčasnosti stále viac výrobcov rozhoduje pre tento prechod.

Nativná zhoda s normou CIA 402 pre všetky osi – režimy CSP, CSV a CST sú plne podporované bez konfiguračného zaťaženia

Viacoosové pohonné systémy spolupracujú bezproblémovo okamžite, pretože dodržiavajú normu CIA 402 pre CAN-automatizáciu. Tieto systémy zabezpečujú riadenie polohy (CSP), riadenie rýchlosti (CSV) a riadenie krútiaceho momentu (CST) pre každú os bez potreby samostatnej konfigurácie pre každé zariadenie. Tradičné nastavenia s jednoosovými pohonnými systémami sú problematické, keďže každý z nich vyžaduje vlastné úpravy a nastavenia parametrov. S týmito novými pohonnými systémami všetko funguje spoločne od prvého dňa vďaka ich jednotnému návrhu. Pre inžinierske tímy to znamená menej času stráveného konfiguráciou jednotlivých komponentov a viac času venovaného efektívnemu dokončovaniu projektov.

• Okamžitá synchronizácia osí v režime CSP pre úlohy koordinovaného pohybu
• Bezproblémové prechody medzi rýchlosťami v režime CSV pre dopravníkové alebo systémy na manipuláciu s pásom
• Priame riadenie krútiaceho momentu v režime CST pre aplikácie kritické z hľadiska napätia, ako je navíjanie alebo tlač
  Testovanie validácie ukazuje, že uvádzanie do prevádzky je o 90 % rýchlejšie v porovnaní s tradičnými sieťami servopohonov (Motion Control Journal, 2024), pretože sady parametrov sa automaticky šíria cez všetky osi prostredníctvom štandardizovaného mapovania slovníka objektov.

Vyššia výkonová hustota a tepelná účinnosť: technické výhody oproti diskrétnym jednoosým servopohonom s vysokou presnosťou

Keď ide o výkon, viacoosové servoregulátory EtherCAT jasne prekročili svoje jednoosové prototypy vďaka niekoľkým veľmi pôsobivým polovodičovým technologickým pokrokom. Kúzlo sa deje s technológiou tranzistorov MOSFET na báze karbidu kremíka (SiC), ktorá umožňuje umiestniť približne o 40 % viac výkonu do rovnakého priestoru ako tradičné riadiace zariadenia na báze kremíka. Čo to znamená v reálnom použití? Stroje dokážu vyvinúť väčší krútiaci moment a zároveň zaberať menej miesta v riadiacich rozvádzačoch. Okrem toho komponenty na báze SiC generujú výrazne menej tepla v dôsledku ich širšej zakázaného pásmo, čím sa znížia vodivostné straty približne o 35 %. Menej tepla znamená dlhšiu životnosť komponentov a výrobcovia už nepotrebujú tieto obrovské chladiace systémy pripevnené k strojom – čo predstavuje obrovský rozdiel v odvetviach, kde je vybavenie v prevádzke nepretržite, napríklad v CNC obrábacích dielňach. Všetky tieto vylepšenia viedli k vyššej presnosti pri intenzívnej prevádzke strojov, kompaktným konštrukciám, ktoré šetria priestor na výrobnej ploche, a nakoniec k dlhodobému zníženiu nákladov pre manažérov výrobných závodov, ktorí sledujú každý cent.