Lineaariakseliservojärjestelmä

Nykypäivän AC-servojärjestelmät ovat hyvin erilaisia ​​kuin vaikkapa 10 vuotta sitten rakennetut järjestelmät. Nopeammat prosessorit ja korkeamman resoluution enkooderit mahdollistavat valmistajille uskomattomia edistysaskeleita viritystekniikassa. Mallin ennakoiva ohjaus ja tärinänvaimennus ovat kaksi tällaista edistysaskelta, joita voidaan soveltaa menestyksekkäästi jopa monimutkaisissa servojärjestelmissä.

AC-servojärjestelmissä servovirityksellä tarkoitetaan sähköisen ohjausjärjestelmän vasteen säätämistä kytkettyyn mekaaniseen järjestelmään. Sähköinen ohjausjärjestelmä koostuu PLC:stä eli liikkeenohjaimesta, joka lähettää signaaleja servovahvistimelle, jolloin servomoottori liikuttaa mekaanista järjestelmää.

Servomoottori – sähkömekaaninen laite – toimii kriittisenä komponenttina, joka yhdistää nämä kaksi järjestelmää. Sähköisen ohjausjärjestelmän sisällä voidaan tehdä paljon mekaanisen järjestelmän käyttäytymisen ennustamiseksi.

Tässä artikkelissa tutkimme kahta modernia servomoottorien viritystekniikkaa – mallin ennustavaa ohjausta (MPC) ja tärinänvaimennusta – ja niiden sovellustason huomioitavia seikkoja.

Suorittimen nopeus – nopeampi kuin koskaan

Nopeammat suorittimen nopeudet ovat kaikkialla, eivätkä servovahvistimet ole poikkeus. Aiemmin kustannuksiltaan kohtuuttomat suorittimet ovat löytäneet tiensä servovahvistimien suunnitteluun, mikä mahdollistaa monimutkaisempia ja tehokkaampia viritysalgoritmeja. Kymmenen vuotta sitten oli yleistä nähdä 100 tai 200 Hz:n kaistanleveys nopeussilmukassa, kun taas nykyään nopeudet voivat olla selvästi yli 1 000 Hz.

Ohjaussilmukoiden ratkaisemisen lisäksi nopeammat prosessorit mahdollistavat servovahvistimien reaaliaikaisen vääntömomentin, nopeuden ja sijainnin analysoinnin, jotta voidaan löytää koneen ominaisuuksia, joita ei aiemmin voitu havaita. Monimutkaisia ​​matemaattisia malleja voidaan nyt toteuttaa kustannustehokkaasti servovahvistimen sisällä, jotta voidaan hyödyntää edistyneitä viritysalgoritmeja, jotka menevät paljon pidemmälle kuin tavallinen PID-viritys.

Lisäksi nopeampi prosessori pystyy käsittelemään myös korkeamman resoluution enkooderin dataa, vaikka parannettu resoluutio ei anna järjestelmälle parempaa paikannussuorituskykyä. Rajoittava paikannustekijä on yleensä mekaaninen järjestelmä, ei enkooderi – mutta korkeamman resoluution enkooderi mahdollistaa ohjausjärjestelmän havaita mekaanisen järjestelmän mikroliikkeitä, joita matalamman resoluution enkooderilla ei voida havaita. Nämä pienet liikkeet ovat usein seurausta värähtelyistä tai resonanssista, ja jos ne havaitaan, ne voivat tarjota tärkeää tietoa mekaanisen järjestelmän käyttäytymisen ymmärtämiseksi, ennustamiseksi ja kompensoimiseksi.

Mallin ennustavan ohjauksen perusteet

Lyhyesti sanottuna mallinnusennusteohjaus käyttää aiemmin annettua profiilia ennustaakseen tulevaa vääntömomenttia ja nopeutta. Jos tietyn liikkeen nopeus ja vääntömomentti tunnetaan karkeasti, liikeprofiilia ei tarvitse sokeasti pakottaa PID-silmukoiden läpi, jotka reagoivat vain virheeseen. Sen sijaan ajatuksena on syöttää ennustettu nopeus ja vääntömomentti eteenpäin syötteenä servoohjaussilmukoille ja antaa silmukoiden reagoida jäljellä olevaan pienimpään virheeseen.

Jotta tämä toimisi oikein, vahvistimella on oltava koneesta pätevä matemaattinen malli, joka perustuu ominaisuuksiin, kuten inertiaan, kitkaan ja jäykkyyteen. Sitten mallin vääntömomentti- ja nopeusprofiili voidaan syöttää servoviiveihin suorituskyvyn parantamiseksi. Nämä mallit käyttävät monimutkaisia ​​matemaattisia funktioita, mutta servovahvistimen nopeampien prosessorien ansiosta niitä aletaan käyttää myös liikkeenohjausteollisuudessa.

Monista eduistaan ​​huolimatta mallin ennustavalla ohjauksella on kompromissi: Se toimii erinomaisesti pisteestä pisteeseen -paikannuksessa, mutta liikkeen aikaviiveen kustannuksella. Aikaelementti on luontainen mallin ennustavassa ohjauksessa, koska lähimenneisyyden liikettä käytetään tulevan vasteen ennustamiseen. Tämän viiveen vuoksi ohjaimen tarkkaa komentoprofiilia ei välttämättä noudateta; sen sijaan luodaan samanlainen profiili, joka tuottaa nopean paikannusajan liikkeen lopussa.

Tärinänvaimennus

Yksi MPC:n hyödyllisimmistä puolista on kyky mallintaa, ennustaa ja vaimentaa koneen matalataajuista värähtelyä. Tärinää voi esiintyä koneessa taajuuksilla yksinumeroisista hertseistä tuhansiin hertseihin. Matalataajuinen värähtely, joka on Hz:n taajuusalueella ja ulottuu tuhansiin hertseihin – usein havaittavissa liikkeen alussa ja lopussa – on erityisen ongelmallista, koska se on koneen toimintataajuuden sisällä.

Tietyillä laitekokoonpanoilla (esimerkiksi koneella, jossa on pitkä ja hoikka tarttujavarsi) on taipumus esittää tätä matalaa resonanssitaajuutta useammin kuin toisilla. Tällaisia ​​tärinälle alttiita rakenteita voidaan tarvita pituuden vuoksi, ehkä osan työntämiseksi aukon läpi. Myös suuret koneet ovat alttiita tärinälle, sillä ne on yleensä valmistettu suurista osista, jotka värähtelevät matalammilla taajuuksilla. Tällaisissa sovelluksissa värähtelyä esiintyy moottorin liikkeen loppuasennossa. Servovahvistimen tärinänvaimennustekniikka vähentää merkittävästi tällaista koneen värähtelyä.

MPC kaksimoottorisessa servojärjestelmässä

MPC:n soveltaminen yksiakseliseen toimilaitteeseen on suoraviivaista, eikä poikkeama tarkasta käsketystä profiilista ole merkittävä pisteestä pisteeseen -liikkeessä. Kuitenkin, kun yksi servoakseli on mekaanisesti kytketty toiseen, niiden liikeprofiilit vaikuttavat toisiinsa. Kaksimoottorinen kuularuuvitoimilaite on yksi tällainen kokoonpano.

Tämä kahden moottorin kokoonpano voi olla edullinen suuremmissa sovelluksissa, joissa moottorin roottorin kiihdyttämiseen tarvittava vääntömomentti on merkittävä ja yksi suurempi moottori ei kykenisi tarvittavaan vääntömomenttiin ja kiihtyvyyteen. Virityksen kannalta kriittinen tekijä on, että kaksi suhteellisen suurta servomoottoria asemoivat raskasta kuormaa ja toimivat lähes täydellä nimellisellä vääntömomentilla ja nopeudella. Jos moottorit menevät synkronoimattomiksi, niiden vääntömomentit menevät hukkaan käytännössä keskinäiseen asennosta taistelemiseen. Jos molempien servojen vahvistukset ovat kuitenkin yhtä suuret, myös mallin ennustavan ohjauksen viiveet ovat yhtä suuret ja moottorit pysyvät synkronoituina toistensa kanssa.

Ensimmäinen vaihe tällaisen sovelluksen virittämisessä on poistaa fyysinen yksi moottoreista ja virittää järjestelmä normaalisti vain yhdellä moottorilla. Yksi servomoottori riittää vakaaseen akselin ohjaukseen, mutta ei riittävästi vääntömomenttia vaaditun profiilin ajamiseen. Tässä tapauksessa käytetään valmistajan automaattisen virityksen sekvenssiä, joka asettaa inertiaparametrin ja ottaa käyttöön mallin ennustavan säätöominaisuuden. Huomautus: Yhdellä moottorilla löydetty järjestelmävahvistus on lopulta jaettava tasan molempien moottoreiden kesken. Inertiaparametri tekee tästä vaiheesta helpon, koska se toimii skaalauskertoimena servosilmukan vahvistuksille, joten se asetetaan puoleen alkuperäisestä viritystuloksesta kummassakin vahvistimessa. Loput viritystuloksesta voidaan sitten kopioida akselilta yksi akselille kaksi. Viimeinen säätö on integrointikomponentin poistaminen akselilta kaksi – toiselle moottorille annetaan "kiihdytyksen avustajan" rooli ja pienet integrointikorjaukset jätetään yksinomaan moottorille yksi.

Tällaisen sovelluksen virityskonsepti käsittää kaksi vaihetta. Ensimmäisessä vaiheessa jokainen akseli viritetään erikseen käyttämällä valmistajan toimittamaa automaattista viritystoimintoa lähtökohtana ja otetaan käyttöön mallin ennakoiva ohjaus. Myös tärinänvaimennus on käytössä. Tämän vaiheen lopussa jokaisella akselilla on puhdas ja tasainen vaste ja minimaalinen tärinä.

Toisessa vaiheessa akseleita ajetaan yhdessä ja virhettä seurataan ohjaimen näkökulmasta tapahtuvan "kuiva-ajon" aikana. Aloitetaan asettamalla MPC-vahvistukset yhtä suuriksi, ja kokeilemalla määritetään parhaat asetukset MPC-vahvistukselle, joka tasapainottaa pienen sijaintivirheen, samanlaisen sijaintivirheen ja tasaisen liikkeen. Periaatteena on, että jos sijaintivirhe on sama, molemmat akselit viivästyvät samalla aikavälillä ja kappale leikataan oikeisiin mittoihin, vaikka sijaintivirhe on suuri liikkeen aikana.