Линейная осевая сервосистема

Современные сервосистемы переменного тока значительно отличаются от тех, что были созданы даже 10 лет назад. Более быстрые процессоры и энкодеры с более высоким разрешением позволяют производителям реализовывать поразительные достижения в технологиях настройки. Управление с прогнозированием по моделям и подавление вибраций — два таких достижения, которые могут быть успешно применены даже в сложных сервосистемах.

Настройка сервопривода в сервосистемах переменного тока — это регулировка реакции электрической системы управления на подключенную механическую систему. Электрическая система управления состоит из ПЛК (контроллера движения), который посылает сигналы на сервоусилитель, заставляя серводвигатель приводить механическую систему в движение.

Серводвигатель — электромеханическое устройство — служит важнейшим компонентом, объединяющим две системы. В рамках электрической системы управления можно многое сделать для прогнозирования поведения механической системы.

В этой статье мы рассмотрим два современных метода настройки сервоприводов — управление на основе прогнозных моделей (MPC) и подавление вибраций — и аспекты их применения.

Скорость процессора — выше, чем когда-либо

Более высокие частоты ЦП встречаются повсюду, и сервоусилители не являются исключением. ЦП, которые когда-то были слишком дорогими, нашли применение в разработке сервоусилителей, позволяя использовать более сложные и эффективные алгоритмы настройки. Десять лет назад полоса пропускания контура скорости была обычной для 100 или 200 Гц, тогда как сегодня частоты могут значительно превышать 1000 Гц.

Помимо решения задач управления, более быстрые процессоры позволяют сервоусилителям проводить встроенный анализ крутящего момента, скорости и положения в реальном времени, чтобы выявлять ранее недоступные характеристики машины. Сложные математические модели теперь можно эффективно реализовывать в сервоусилителях, используя передовые алгоритмы управления, которые выходят далеко за рамки стандартной настройки ПИД-регулятора.

Более того, более быстрый процессор также может обрабатывать данные с энкодера с более высоким разрешением, хотя это не улучшает характеристики позиционирования системы. Ограничивающим фактором позиционирования обычно является механическая система, а не энкодер, но энкодер с более высоким разрешением позволяет системе управления регистрировать микроперемещения в механической системе, которые не могут быть обнаружены энкодером с более низким разрешением. Эти незначительные перемещения часто являются результатом вибраций или резонанса и, если они обнаружены, могут предоставить важные данные для понимания, прогнозирования и компенсации поведения механической системы.

Основы модельного предиктивного управления

Вкратце, управление с предсказательным моделированием использует заданный ранее профиль для прогнозирования будущих крутящего момента и скорости. Если скорость и крутящий момент для определённого движения приблизительно известны, то нет необходимости слепо прогонять профиль движения через контуры ПИД-регулирования, которые реагируют только на ошибку. Вместо этого идея заключается в том, чтобы передавать прогнозируемые скорость и крутящий момент в качестве прямой связи в контуры сервоуправления и позволять контурам реагировать на любую оставшуюся минимальную ошибку.

Для корректной работы усилителя необходимо иметь корректную математическую модель механизма, учитывающую такие характеристики, как инерция, трение и жёсткость. Затем крутящий момент и профиль скорости, полученные с помощью этой модели, можно передать в сервоконтуры для повышения производительности. Эти модели используют сложные математические функции, но благодаря более быстрым процессорам в сервоусилителях они начинают применяться в сфере управления движением.

Несмотря на многочисленные преимущества, у предиктивного управления с моделью есть и недостаток: оно отлично подходит для позиционирования «точка-точка», но при этом возникает задержка во время перемещения. Временной фактор неотъемлем от предиктивного управления с моделью, поскольку для прогнозирования будущей реакции используется недавнее перемещение. Из-за этой задержки точный профиль команд контроллера может не соблюдаться; вместо этого генерируется похожий профиль, обеспечивающий быстрое позиционирование в конце перемещения.

Подавление вибрации

Одним из наиболее полезных аспектов MPC является возможность моделирования, прогнозирования и подавления низкочастотной вибрации в машине. Вибрация может возникать в машине на частотах от единиц до тысяч герц. Низкочастотная вибрация в пределах единиц и десятков герц, часто заметная в начале и конце движения, особенно опасна, поскольку находится в пределах рабочей частоты машины.

Некоторые конфигурации оборудования (например, машины с длинной и тонкой рукой захвата) склонны проявлять эту низкую резонансную частоту чаще, чем другие. Такие конструкции, подверженные вибрации, могут потребоваться из-за большой длины, например, для установки детали в отверстие. Также подвержены вибрации крупногабаритные машины, которые, как правило, состоят из крупных деталей, колеблющихся на более низких частотах. В таких случаях колебания возникают в конце хода двигателя. Технология подавления вибраций в сервоусилителе значительно снижает эти колебания.

MPC в двухмоторной сервосистеме

Применение MPC к одноосному приводу не вызывает затруднений, и отклонение от заданного профиля не имеет значения для движения из одной точки в другую. Однако, когда одна сервоось механически связана с другой, их профили движения влияют друг на друга. Одной из таких конфигураций является двухмоторный шарико-винтовой привод.

Такая конфигурация с двумя двигателями может быть выгодна в более крупных приложениях, где крутящий момент, необходимый для разгона ротора двигателя, значителен, а один более мощный двигатель не сможет обеспечить требуемые крутящий момент и ускорение. С точки зрения настройки критическим фактором является то, что два относительно больших серводвигателя позиционируют тяжёлую нагрузку, работая практически с полным номинальным крутящим моментом и скоростью. Если двигатели рассинхронизированы, их крутящие моменты будут тратиться впустую, фактически борясь друг с другом за положение. Однако, если коэффициенты усиления обоих сервоприводов одинаковы, то задержки управления с прогнозированием также равны, и двигатели остаются синхронизированными.

Первый шаг настройки такого приложения — физически снять один из двигателей и настроить систему как обычно, используя только один двигатель. Одного серводвигателя достаточно для стабильного управления осью, но его крутящего момента недостаточно для работы по требуемому профилю. В этом случае используется последовательность автонастройки производителя, которая устанавливает параметр инерции и активирует функцию управления с прогнозированием модели. Примечание: коэффициент усиления системы, полученный для одного двигателя, в конечном итоге должен быть поровну распределен между обоими двигателями. Параметр инерции упрощает этот шаг, поскольку он действует как масштабный коэффициент усиления контура сервопривода, поэтому он устанавливается равным половине исходного результата настройки в каждом усилителе. Оставшуюся часть результата настройки можно затем скопировать с оси 1 на ось 2. Последняя настройка заключается в удалении интегрального компонента из оси 2, назначая второму двигателю роль «помощника при ускорении» и оставляя небольшие поправки интегрирования только для первого двигателя.

Концепция настройки для такого применения включает два этапа. Первый этап заключается в индивидуальной настройке каждой оси с использованием функции автонастройки, предоставляемой производителем, в качестве отправной точки и включения функции управления с прогнозированием модели. Также применяется подавление вибрации. В результате этого этапа каждая ось обеспечивает чистый и плавный отклик с минимальным уровнем вибрации.

На втором этапе оси работают одновременно, отслеживая погрешность во время «холостого прогона» с точки зрения контроллера. Начиная с равных коэффициентов усиления MPC, методом проб и ошибок определяются оптимальные настройки усиления MPC, обеспечивающие баланс между низкой погрешностью позиционирования, одинаковой погрешностью позиционирования и плавностью движения. Идея заключается в том, что если погрешность позиционирования одинакова, то обе оси задерживаются на одинаковое время, и деталь вырезается с правильными размерами, несмотря на высокую погрешность позиционирования во время движения.