מערכת סרוו ציר ליניארי

מערכות סרוו AC של ימינו שונות בהרבה מאלו שנבנו אפילו לפני 10 שנים. מעבדים מהירים יותר ומקודדים ברזולוציה גבוהה יותר מאפשרים ליצרנים ליישם התקדמות מדהימה בטכנולוגיית כוונון. בקרת מודלים ניבוייים ודיכוי רעידות הן שתי התקדמות כאלה שניתן ליישם בהצלחה אפילו במערכות סרוו מורכבות.

כוונון סרוו, כפי שהוא נוגע למערכות סרוו AC, הוא כוונון תגובת מערכת הבקרה החשמלית למערכת מכנית המחוברת. מערכת בקרה חשמלית מורכבת מבקר PLC או בקר תנועה, אשר שולח אותות למגבר הסרוו, וגורם למנוע הסרוו לגרום למערכת המכנית לנוע.

מנוע הסרוו - התקן אלקטרומכני - משמש כרכיב קריטי המאחד את שתי המערכות. ניתן לעשות הרבה בתוך מערכת הבקרה החשמלית כדי לחזות את התנהגות המערכת המכנית.

במאמר זה, נחקור שתי טכניקות של טכנולוגיית כוונון סרוו מודרנית - בקרת חיזוי מודלים (MPC) ודיכוי רעידות - ואת השיקולים שלהן ברמת היישום.

מהירות המעבד - מהירה מאי פעם

מהירות מעבד גבוהה יותר נמצאת בכל מקום, ומגברי סרוו אינם יוצאי דופן. מעבדים שבעבר היו יקרים מדי, מצאו את דרכם לתכנון מגברי סרוו, מה שאפשר אלגוריתמי כוונון מורכבים ויעילים יותר. לפני עשר שנים, היה נפוץ לראות רוחב פס של 100 או 200 הרץ בלולאת המהירות, בעוד שמהירויות היום יכולות להיות הרבה מעל 1,000 הרץ.

מעבר לפתרון לולאות בקרה, מעבדים מהירים יותר מאפשרים למגברי סרוו לבצע ניתוח בזמן אמת של מומנט, מהירות ומיקום על מנת לגלות תכונות מכונה שלא ניתן היה לזהות בעבר. כיום ניתן ליישם מודלים מתמטיים מורכבים בצורה חסכונית בתוך מגבר סרוו כדי לנצל אלגוריתמי בקרת כוונון מתקדמים, הרבה מעבר לכוונון PID סטנדרטי.

יתרה מכך, מעבד מהיר יותר יכול גם לטפל בנתונים ממקודד ברזולוציה גבוהה יותר, אם כי הרזולוציה המשופרת אינה מעניקה למערכת ביצועי מיקום טובים יותר. גורם המיקום המגביל הוא בדרך כלל המערכת המכנית, לא המקודד - אך מקודד ברזולוציה גבוהה יותר מאפשר למערכת הבקרה לראות תנועות מיקרו במערכת המכנית שאינן ניתנות לזיהוי באמצעות מקודד ברזולוציה נמוכה יותר. תנועות קטנות אלו הן לרוב תוצאה של רעידות או תהודה, ואם הן מזוהות, יכולות לספק נתונים חשובים להבנה, חיזוי ופיצוי על התנהגות המערכת המכנית.

יסודות בקרת ניבוי מודלים

בקצרה, מודל בקרת חיזוי משתמש בפרופיל שנקבע בעבר כדי לחזות מומנט ומהירות עתידיים. אם המהירות והמומנט עבור תנועה מסוימת ידועים באופן גס, אז אין צורך לכפות באופן עיוור את פרופיל התנועה דרך לולאות PID, אשר מגיבות רק לשגיאה. במקום זאת, הרעיון הוא לספק את המהירות והמומנט החזויים כהזנה קדימה ללולאות בקרת הסרוו ולתת ללולאות להגיב לשגיאה המינימלית שנותרה.

כדי שזה יעבוד כהלכה, למגבר חייב להיות מודל מתמטי תקף של המכונה, המבוסס על תכונות כגון אינרציה, חיכוך וקשיחות. לאחר מכן ניתן להזריק את פרופיל המומנט והמהירות של המודל ללולאות הסרוו, לשיפור הביצועים. מודלים אלה משתמשים בפונקציות מתמטיות מורכבות, אך הודות למעבדים מהירים יותר במגבר הסרוו, תעשיית בקרת התנועה מתחילה לראות את יישומן.

למרות יתרונותיה הרבים, ל-Model Predictive Control יש יתרון: היא עובדת מצוין עבור מיקום נקודה לנקודה, אך על חשבון עיכוב זמן במהלך התנועה. אלמנט הזמן טבוע ב-Model Predictive Control מכיוון שהתנועה האחרונה משמשת לחיזוי התגובה העתידית. בגלל עיכוב זה, ייתכן שלא יבוצע פרופיל הפקודה המדויק מהבקר; במקום זאת, נוצר פרופיל דומה שמייצר זמן מיקום מהיר בסוף התנועה.

דיכוי רעידות

אחד ההיבטים השימושיים ביותר של MPC הוא היכולת לדמות, לחזות ולדכא רעידות בתדר נמוך במכונה. רעידות יכולות להתרחש במכונה בתדרים החל מ-Hz חד-ספרתי ועד לאלפי הרץ. רעידות בתדר נמוך ב-1 ו-10 שניות של הרץ - שלעתים קרובות מורגשות בתחילת וסוף תנועה - הן בעייתיות במיוחד משום שהן נמצאות בתדר הפעולה של המכונה.

תצורות ציוד מסוימות (לדוגמה, מכונה עם זרוע אחיזה ארוכה ודקה) נוטות להציג תדר תהודה נמוך זה יותר מאחרות. עיצובים מועדים לרעידות כאלה עשויים להידרש לאורך, אולי להכנסת חלק דרך פתח. מכונות גדולות נוטות גם הן לרעידות, הנוטות להיות עשויות מחלקים גדולים המתנדנדים בתדרים נמוכים יותר. ביישומים מסוג זה, התנודה מופיעה במצב קצה המנוע. טכנולוגיית דיכוי רעידות במגבר הסרוו מפחיתה משמעותית את תנודות המכונה הללו.

MPC במערכת סרוו דו-מנועית

היישום של MPC על מפעיל בעל ציר יחיד הוא פשוט, וסטייה מהפרופיל המדויק שנקבע אינה חשובה לתנועה נקודה לנקודה. עם זאת, כאשר ציר סרוו אחד מקושר מכנית לאחר, פרופילי התנועה שלהם משפיעים זה על זה. מפעיל בורג כדורים בעל מנוע כפול הוא תצורה כזו.

תצורת מנוע כפולה זו יכולה להיות יתרון ביישומים גדולים יותר שבהם המומנט הנדרש להאצת הרוטור של המנוע משמעותי ומנוע יחיד וגדול יותר לא יוכל לספק את המומנט והתאוצה הנדרשים. מנקודת מבט של כוונון, הגורם הקריטי הוא ששני מנועי סרוו גדולים יחסית ממקמים עומס כבד ופועלים במומנט ומהירות מדורגים כמעט מלאים. אם המנועים הופכים ללא מסונכרנים, המומנטים שלהם יתבזבזו על מאבק זה בזה על מיקום. עם זאת, אם ההגברים של שני הסרוו שווים, אז גם עיכובי בקרת החיזוי של המודל שווים והמנועים נשארים מסונכרנים זה עם זה.

השלב הראשון בכוונון יישום כזה הוא להסיר פיזית אחד המנועים ולכוונן את המערכת כרגיל עם מנוע אחד בלבד. מנוע סרוו אחד מספיק לבקרת ציר יציבה, אך לא מספיק מומנט כדי להפעיל את הפרופיל הנדרש. במקרה זה, נעשה שימוש ברצף הכוונון האוטומטי של היצרן, אשר קובע פרמטר אינרציה ומאפשר את תכונת בקרת החיזוי של המודל. הערה: הגבר המערכת שנמצא עם מנוע אחד חייב להיות משותף בסופו של דבר שווה בשווה בין שני המנועים. פרמטר האינרציה הופך שלב זה לקל מכיוון שהוא משמש כגורם קנה מידה להגברי לולאת הסרוו, ולכן הוא מוגדר למחצית מתוצאת הכוונון המקורית בכל מגבר. לאחר מכן ניתן להעתיק את שאר תוצאת הכוונון מציר אחד לציר שני. ההתאמה הסופית היא הסרת רכיב האינטגרציה מציר שני - הקצאת תפקיד "סיוע בתאוצה" למנוע השני, והשארת תיקוני האינטגרציה הקטנים למנוע אחד בלבד.

קונספט הכוונון עבור יישום כזה כולל שני שלבים. השלב הראשון הוא כוונון כל ציר בנפרד באמצעות תכונת הכוונון האוטומטי שסופקה על ידי היצרן כנקודת התחלה, והפעלת בקרת חיזוי מודל. דיכוי רעידות מוחל גם כן. בסוף שלב זה, לכל ציר יש תגובה נקייה וחלקה עם רעידות מינימליות.

בשלב השני, הצירים מופעלים יחד, תוך ניטור השגיאה במהלך "ריצה יבשה" מנקודת מבטו של הבקר. החל מהגברי MPC המוגדרים כשווים, ניסוי וטעייה יקבעו את ההגדרות הטובות ביותר להגבר MPC המאזן שגיאת מיקום נמוכה, שגיאת מיקום שווה ותנועה חלקה. הרעיון הוא שאם שגיאת המיקום זהה, אז שני הצירים מתעכבים באותו פרק זמן, והחלק נחתך למידות הנכונות למרות ששגיאת המיקום גבוהה במהלך התנועה.