Сервосистема лінійної осі

Сучасні сервосистеми змінного струму значно відрізняються від тих, що були створені навіть 10 років тому. Швидші процесори та енкодери з вищою роздільною здатністю дозволяють виробникам впроваджувати дивовижні досягнення в технології налаштування. Модельно-прогнозируюче керування та придушення вібрацій – це два такі досягнення, які можна успішно застосовувати навіть у складних сервосистемах.

Сервоналаштування, що стосується сервосистем змінного струму, – це налаштування реакції електричної системи керування на підключену механічну систему. Електрична система керування складається з ПЛК або контролера руху, який надсилає сигнали до сервопідсилювача, змушуючи серводвигун рухати механічну систему.

Серводвигун — електромеханічний пристрій — служить критичним компонентом, що об'єднує дві системи. В системі електричного керування можна багато чого зробити для прогнозування поведінки механічної системи.

У цій статті ми розглянемо два методи сучасної технології налаштування сервоприводів — прогнозне керування моделлю (MPC) та придушення вібрацій — а також їх врахування на рівні застосування.

Швидкість процесора — швидша, ніж будь-коли

Швидша швидкість процесорів скрізь, і сервопідсилювачі не є винятком. Процесори, які колись були непомірно дорогими, знайшли своє застосування в конструкціях сервопідсилювачів, що дозволило створювати складніші та ефективніші алгоритми налаштування. Десять років тому в петлі швидкості можна було побачити смугу пропускання 100 або 200 Гц, тоді як сьогоднішні швидкості можуть бути значно вищими за 1000 Гц.

Окрім вирішення задач з циклами керування, швидші процесори дозволяють сервопідсилювачам виконувати вбудований аналіз крутного моменту, швидкості та положення в режимі реального часу, щоб виявити властивості машини, які раніше не можна було виявити. Складні математичні моделі тепер можна економічно ефективно реалізувати в сервопідсилювачі, щоб скористатися перевагами передових алгоритмів керування налаштуванням, які виходять далеко за рамки стандартного налаштування ПІД-регулятора.

Більше того, швидший процесор також може обробляти дані з кодера з вищою роздільною здатністю, хоча підвищена роздільна здатність не забезпечує системі кращої продуктивності позиціонування. Обмежувальним фактором позиціонування зазвичай є механічна система, а не кодер, але кодер з вищою роздільною здатністю дозволяє системі керування бачити мікрорухи в механічній системі, які неможливо виявити за допомогою кодера з нижчою роздільною здатністю. Ці невеликі рухи часто є результатом вібрацій або резонансу і, якщо їх виявити, можуть надати важливі дані для розуміння, прогнозування та компенсації поведінки механічної системи.

Основи прогнозного керування моделлю

Коротко кажучи, Модельно-прогнозируюче керування використовує минулий командний профіль для прогнозування майбутнього крутного моменту та швидкості. Якщо швидкість та крутний момент для певного руху приблизно відомі, то немає потреби сліпо пропускати профіль руху через петлі PID-регулятора, які реагують лише на похибку. Натомість ідея полягає в тому, щоб подавати прогнозовану швидкість та крутний момент як зворотний зв'язок до петль сервокерування та дозволяти петлям реагувати на будь-яку мінімальну похибку, що залишилася.

Щоб це працювало правильно, підсилювач повинен мати дійсну математичну модель машини, засновану на таких властивостях, як інерція, тертя та жорсткість. Потім профіль крутного моменту та швидкості моделі можна ввести в сервоконтури для підвищення продуктивності. Ці моделі використовують складні математичні функції, але завдяки швидшим процесорам у сервопідсилювачах, індустрія керування рухом починає бачити їхнє впровадження.

Незважаючи на численні переваги, прогнозне керування за моделлю має один недолік: воно чудово працює для позиціонування "точка-точка", але за рахунок затримки часу під час руху. Елемент часу є невід'ємною частиною прогнозного керування за моделлю, оскільки нещодавній рух використовується для прогнозування майбутньої реакції. Через цю затримку може не дотримуватися точного профілю команди від контролера; натомість генерується подібний профіль, який забезпечує швидке позиціонування в кінці руху.

Придушення вібрації

Одним із найкорисніших аспектів MPC є здатність моделювати, прогнозувати та придушувати низькочастотну вібрацію в машині. Вібрація може виникати в машині на частотах від одиниць Гц до тисяч Гц. Низькочастотна вібрація в межах 1-10 секунд Гц — часто помітна на початку та в кінці руху — є особливо проблематичною, оскільки вона знаходиться в межах робочої частоти машини.

Певні конфігурації обладнання (наприклад, машина з довгим і тонким захоплювальним важелем) схильні демонструвати цю низьку резонансну частоту більше, ніж інші. Такі конструкції, схильні до вібрації, можуть бути потрібні для збільшення довжини, можливо, для вставки деталі через отвір. Також схильні до вібрації великі машини, які, як правило, виготовляються з великих деталей, що коливаються на нижчих частотах. У таких типах застосувань коливання виникають у положенні двигуна в кінці руху. Технологія придушення вібрацій у сервопідсилювачі значно зменшує такі коливання машини.

MPC у сервосистемі з двома двигунами

Застосування MPC до одноосьового приводу є простим, і відхилення від точно заданого профілю не має значення для руху від точки до точки. Однак, коли одна сервовісь механічно пов'язана з іншою, їхні профілі руху впливають один на одного. Кульково-гвинтовий привід з двома двигунами є однією з таких конфігурацій.

Така конфігурація з двома двигунами може бути вигідною у великих застосуваннях, для яких крутний момент, необхідний для прискорення ротора двигуна, є значним, а один, більший двигун не зможе забезпечити необхідний крутний момент і прискорення. З точки зору налаштування, критичним фактором є те, що два відносно великі серводвигуни позиціонують важке навантаження та працюють майже з повним номінальним крутним моментом і швидкістю. Якщо двигуни стають несинхронізованими, їхні крутні моменти будуть витрачені, по суті, на боротьбу один з одним за позицію. Однак, якщо коефіцієнти підсилення обох серводвигунів однакові, то затримки прогнозного керування моделлю також однакові, і двигуни залишаються синхронізованими один з одним.

Першим кроком у налаштуванні такої програми є фізичне видалення одного з двигунів та налаштування системи як завжди, лише з одним двигуном. Одного серводвигуна достатньо для стабільного керування осями, але крутного моменту недостатньо для виконання необхідного профілю. У цьому випадку використовується послідовність автоматичного налаштування виробника, яка встановлює параметр інерції та активує функцію прогнозного керування моделлю. Примітка: Коефіцієнт системного підсилення, отриманий для одного двигуна, зрештою має розподілятися порівну між обома двигунами. Параметр інерції спрощує цей крок, оскільки він діє як масштабний коефіцієнт для підсилення сервоконтури, тому він встановлюється на рівні половини початкового результату налаштування в кожному підсилювачі. Решту результату налаштування можна скопіювати з осі один на вісь два. Остаточне налаштування полягає у видаленні компонента інтегрування з осі два — призначенні другому двигуну ролі «допомоги прискоренню» та залишенні невеликих коригувань інтегрування лише для двигуна один.

Концепція налаштування для такого застосування включає два етапи. Перший етап полягає в індивідуальному налаштуванні кожної осі, використовуючи функцію автоматичного налаштування, передбачену виробником, як відправну точку, та ввімкненні прогнозного керування моделлю. Також застосовується придушення вібрації. Після завершення цього етапу кожна вісь має чисту та плавну реакцію з мінімальною вібрацією.

На другому етапі осі запускаються разом, контролюючи похибку під час «пробного запуску» з точки зору контролера. Починаючи з рівних коефіцієнтів підсилення MPC, метод спроб і помилок визначить найкращі налаштування для коефіцієнта підсилення MPC, який збалансує низьку похибку положення, однакову похибку положення та плавний рух. Концепція полягає в тому, що якщо похибка положення однакова, то обидві осі затримуються на однаковий час, і деталь вирізається до правильних розмірів, навіть якщо похибка положення висока під час руху.