نظام سيرفو المحور الخطي

تختلف أنظمة أجهزة التيار المتردد اليوم كثيرًا عن تلك التي تم إنشاؤها قبل 10 سنوات. تعمل المعالجات الأسرع وأجهزة التشفير ذات الدقة العالية على تمكين الشركات المصنعة من تحقيق تطورات مذهلة في تكنولوجيا الضبط. يعد التحكم التنبؤي النموذجي وقمع الاهتزاز من هذه التطورات التي يمكن تطبيقها بنجاح حتى في أنظمة المؤازرة المعقدة.

ضبط المؤازرة فيما يتعلق بأنظمة مؤازرة التيار المتردد هو تعديل استجابة نظام التحكم الكهربائي لنظام ميكانيكي متصل. يتكون نظام التحكم الكهربائي من وحدة تحكم PLC أو وحدة تحكم في الحركة، والتي ترسل إشارات إلى مكبر الصوت المؤازر، مما يتسبب في قيام المحرك المؤازر بتحريك النظام الميكانيكي.

يعمل المحرك المؤازر - وهو جهاز كهروميكانيكي - كعنصر حاسم يوحد النظامين. يمكن فعل الكثير داخل نظام التحكم الكهربائي للتنبؤ بسلوك النظام الميكانيكي.

في هذه المقالة، سنستكشف تقنيتين من تقنيات ضبط المؤازرة الحديثة — التحكم التنبؤي للنموذج (MPC) وقمع الاهتزاز — واعتبارات مستوى التطبيق الخاصة بهما.

سرعة وحدة المعالجة المركزية — أسرع من أي وقت مضى

توجد سرعة أكبر لوحدة المعالجة المركزية في كل مكان، ومكبرات الصوت المؤازرة ليست استثناءً. وحدات المعالجة المركزية (CPU) التي كانت في السابق باهظة التكلفة، قد شقت طريقها إلى تصميم مكبر الصوت المؤازر، مما يسمح بخوارزميات ضبط أكثر تعقيدًا وفعالية. قبل عشر سنوات، كان من الشائع رؤية عرض النطاق الترددي 100 أو 200 هرتز في حلقة السرعة، في حين أن سرعات اليوم يمكن أن تكون أعلى بكثير من 1000 هرتز.

بالإضافة إلى حل حلقات التحكم، تعمل المعالجات الأسرع على تمكين مكبرات الصوت المؤازرة من إجراء تحليل فوري لعزم الدوران والسرعة والموضع من أجل اكتشاف خصائص الماكينة التي لم يكن من الممكن اكتشافها سابقًا. يمكن الآن تنفيذ النماذج الرياضية المعقدة بشكل فعال من حيث التكلفة داخل مضخم مؤازر للاستفادة من خوارزميات التحكم في الضبط المتقدمة التي تتجاوز ضبط PID القياسي.

علاوة على ذلك، يمكن للمعالج الأسرع أيضًا التعامل مع البيانات من جهاز تشفير عالي الدقة، على الرغم من أن الدقة المحسنة لا تمنح النظام أي أداء أفضل لتحديد المواقع. عادة ما يكون عامل تحديد المواقع المحدد هو النظام الميكانيكي، وليس المشفر - ولكن المشفر عالي الدقة يسمح لنظام التحكم برؤية الحركات الدقيقة في النظام الميكانيكي التي لا يمكن اكتشافها باستخدام مشفر منخفض الدقة. غالبًا ما تكون هذه الحركات الصغيرة نتيجة للاهتزازات أو الرنين، وإذا تم اكتشافها، فيمكن أن توفر بيانات مهمة لفهم سلوك النظام الميكانيكي والتنبؤ به والتعويض عنه.

أساسيات التحكم التنبئي بالنموذج

باختصار، يستخدم التحكم التنبؤي للنموذج ملف التعريف السابق للتنبؤ بعزم الدوران والسرعة في المستقبل. إذا كانت السرعة وعزم الدوران لحركة معينة معروفة تقريبًا، فليست هناك حاجة إلى فرض ملف تعريف الحركة بشكل أعمى من خلال حلقات PID، والتي تستجيب فقط للخطأ. بدلاً من ذلك، تتمثل الفكرة في توفير السرعة وعزم الدوران المتوقعين كتغذية أمامية لحلقات التحكم المؤازرة والسماح للحلقات بالاستجابة لأي خطأ بسيط متبقي.

لكي يعمل هذا بشكل صحيح، يجب أن يكون لدى مكبر الصوت نموذج رياضي صالح للآلة، استنادًا إلى خصائص مثل القصور الذاتي والاحتكاك والصلابة. ومن ثم يمكن حقن ملف تعريف عزم الدوران والسرعة الخاص بالنموذج في حلقات المؤازرة لزيادة الأداء. تستخدم هذه النماذج وظائف رياضية معقدة، ولكن بفضل المعالجات الأسرع في مكبر الصوت المؤازر، بدأت صناعة التحكم في الحركة في رؤية تنفيذها.

على الرغم من فوائده العديدة، فإن التحكم التنبؤي للنموذج لديه مقايضة: فهو يعمل بشكل رائع لتحديد المواقع من نقطة إلى نقطة، ولكن على حساب التأخير الزمني أثناء الحركة. يعد عنصر الوقت متأصلًا في نموذج التحكم التنبؤي نظرًا لأن حركة الماضي القريب تُستخدم للتنبؤ بالاستجابة المستقبلية. وبسبب هذا التأخير، قد لا يتم اتباع ملف تعريف الأمر الدقيق من وحدة التحكم؛ بدلاً من ذلك، يتم إنشاء ملف تعريف مماثل ينتج عنه وقت تحديد موقع سريع في نهاية الحركة.

قمع الاهتزاز

أحد الجوانب الأكثر فائدة لـ MPC هو القدرة على تصميم الاهتزازات ذات التردد المنخفض في الجهاز والتنبؤ بها وقمعها. يمكن أن يحدث الاهتزاز في الآلة بترددات تتراوح من رقم واحد هرتز إلى آلاف هرتز. يعد الاهتزاز منخفض التردد في 1 و10 هرتز — والذي يمكن ملاحظته غالبًا في بداية الحركة ونهايتها — أمرًا مزعجًا بشكل خاص لأنه يقع ضمن تردد تشغيل الآلة.

تميل تكوينات معينة من المعدات (على سبيل المثال، آلة ذات ذراع قابض طويل ونحيل) إلى إظهار تردد الرنين المنخفض هذا أكثر من غيرها. قد تكون مثل هذه التصاميم المعرضة للاهتزاز مطلوبة من أجل الطول، ربما لإدخال جزء من خلال الفتحة. كما أن الآلات الكبيرة عرضة للاهتزاز، والتي تميل إلى أن تكون مصنوعة من أجزاء كبيرة تتأرجح عند ترددات منخفضة. مع هذه الأنواع من التطبيقات، يظهر التذبذب في موضع المحرك في نهاية الحركة. تعمل تقنية منع الاهتزاز في مكبر الصوت المؤازر على تقليل تذبذب الماكينة بشكل كبير.

MPC في نظام مؤازر ثنائي المحرك

يعد تطبيق MPC على مشغل أحادي المحور أمرًا مباشرًا، كما أن الانحراف عن الوضع الدقيق الموجه غير مهم للحركة من نقطة إلى نقطة. ومع ذلك، عندما يتم ربط أحد المحاور المؤازرة ميكانيكيًا بآخر، فإن ملفات تعريف الحركة الخاصة بها تؤثر على بعضها البعض. يعد المحرك ذو المحرك المزدوج أحد هذه التكوينات.

يمكن أن يكون تكوين المحرك المزدوج هذا مفيدًا في التطبيقات الأكبر التي يكون فيها عزم الدوران المطلوب لتسريع دوار المحرك كبيرًا، ولن يكون المحرك الأكبر حجمًا قادرًا على تحقيق عزم الدوران والتسارع المطلوبين. من وجهة نظر الضبط، فإن العامل الحاسم هو أن هناك محركين مؤازرين كبيرين نسبيًا يضعان حملًا ثقيلًا، ويعملان بأقصى عزم دوران وسرعة تقريبًا. إذا أصبحت المحركات غير متزامنة، فسيتم إهدار عزم الدوران الخاص بها في قتال بعضها البعض بشكل أساسي من أجل الموقع. ومع ذلك، إذا كانت مكاسب كلا المجهزين متساوية، فإن تأخيرات التحكم التنبؤي للنموذج متساوية أيضًا وتظل المحركات متزامنة مع بعضها البعض.

الخطوة الأولى في ضبط تطبيق مثل هذا هي إزالة أحد المحركات فعليًا وضبط النظام كالمعتاد باستخدام محرك واحد فقط. محرك مؤازر واحد يكفي للتحكم في المحور بشكل مستقر، لكن ليس عزم الدوران كافيًا لتشغيل الملف المطلوب. في هذه الحالة، يتم استخدام تسلسل الضبط التلقائي الخاص بالشركة المصنعة، والذي يقوم بتعيين معلمة القصور الذاتي وتمكين ميزة التحكم التنبؤي للنموذج. ملحوظة: مكاسب النظام التي يتم الحصول عليها باستخدام محرك واحد يجب أن تتم مشاركتها بالتساوي بين كلا المحركين. تجعل معلمة القصور الذاتي هذه الخطوة سهلة لأنها تعمل كعامل قياس لمكاسب حلقة المؤازرة، وبالتالي يتم ضبطها على نصف نتيجة الضبط الأصلية في كل مكبر للصوت. ويمكن بعد ذلك نسخ بقية نتيجة الضبط من المحور الأول إلى المحور الثاني. التعديل الأخير هو إزالة مكون التكامل من المحور الثاني - تعيين المحرك الثاني دور "مساعدة التسارع"، وترك تصحيحات التكامل الصغيرة للمحرك الأول وحده.

يتضمن مفهوم الضبط لمثل هذا التطبيق مرحلتين. تتمثل المرحلة الأولى في ضبط كل محور على حدة باستخدام ميزة الضبط التلقائي المقدمة من الشركة المصنعة كنقطة بداية، وتمكين التحكم التنبؤي للنموذج. يتم أيضًا تطبيق قمع الاهتزاز. وفي نهاية هذه المرحلة، يتمتع كل محور باستجابة نظيفة وسلسة مع الحد الأدنى من الاهتزاز.

في المرحلة الثانية، يتم تشغيل المحاور معًا، ومراقبة الخطأ أثناء "التشغيل التجريبي" من منظور وحدة التحكم. بدءًا من تعيين مكاسب MPC على أنها متساوية، ستحدد التجربة والخطأ أفضل الإعدادات لكسب MPC الذي يوازن بين خطأ الموضع المنخفض وخطأ الموضع المتساوي والحركة السلسة. المفهوم هو أنه إذا كان خطأ الموضع هو نفسه، فسيتم تأخير كلا المحورين بنفس المقدار من الوقت، ويتم قطع الجزء لتصحيح الأبعاد على الرغم من أن خطأ الموضع مرتفع أثناء الحركة.