نظام سيرفو المحور الخطي

تختلف أنظمة سيرفو التيار المتردد الحالية اختلافًا كبيرًا عن تلك التي بُنيت قبل عشر سنوات. تُمكّن المعالجات الأسرع وأجهزة التشفير عالية الدقة المصنّعين من تطبيق تطورات مذهلة في تكنولوجيا الضبط. يُعدّ التحكم التنبؤي بالنماذج وقمع الاهتزاز من هذه التطورات التي يُمكن تطبيقها بنجاح حتى في أنظمة سيرفو المعقدة.

ضبط المؤازرة في أنظمة المؤازرة ذات التيار المتردد هو ضبط استجابة نظام التحكم الكهربائي لنظام ميكانيكي متصل. يتكون نظام التحكم الكهربائي من وحدة تحكم PLC أو وحدة تحكم الحركة، التي ترسل إشارات إلى مُضخّم المؤازرة، مما يُؤدي إلى تحريك محرك المؤازرة للنظام الميكانيكي.

يُعدّ محرك السيرفو، وهو جهاز كهروميكانيكي، العنصرَ الأساسي الذي يربط النظامين. ويمكن إجراء الكثير من العمليات داخل نظام التحكم الكهربائي للتنبؤ بسلوك النظام الميكانيكي.

في هذه المقالة، سوف نستكشف تقنيتين من تقنيات ضبط المؤازرة الحديثة - التحكم التنبئي بالنموذج (MPC) وقمع الاهتزاز - واعتبارات مستوى تطبيقهما.

سرعة وحدة المعالجة المركزية - أسرع من أي وقت مضى

أصبحت سرعة وحدة المعالجة المركزية (CPU) في كل مكان، ومضخمات السيرفو ليست استثناءً. فقد دخلت وحدات المعالجة المركزية، التي كانت باهظة الثمن في السابق، في تصميم مضخمات السيرفو، مما أتاح خوارزميات ضبط أكثر تعقيدًا وفعالية. قبل عشر سنوات، كان من الشائع رؤية نطاق ترددي يبلغ 100 أو 200 هرتز في حلقة السرعة، بينما يمكن أن تتجاوز سرعات اليوم 1000 هرتز بكثير.

بالإضافة إلى حل حلقات التحكم، تُمكّن المعالجات الأسرع مُضخّمات المؤازرة من إجراء تحليل فوري لعزم الدوران والسرعة والموضع على متنها، وذلك لاكتشاف خصائص الآلة التي لم يكن من الممكن اكتشافها سابقًا. يُمكن الآن تطبيق نماذج رياضية مُعقدة بتكلفة معقولة داخل مُضخّم المؤازرة، للاستفادة من خوارزميات التحكم المُتقدمة في الضبط، والتي تتجاوز بكثير ضبط PID القياسي.

علاوة على ذلك، يمكن لمعالج أسرع أيضًا معالجة البيانات من مُرمِّز ذي دقة أعلى، مع أن الدقة المُحسَّنة لا تُحسِّن أداء النظام في تحديد المواقع. عادةً ما يكون عامل تحديد المواقع المُحدِّد هو النظام الميكانيكي، وليس المُرمِّز - ولكن المُرمِّز عالي الدقة يُمكِّن نظام التحكم من رؤية الحركات الدقيقة في النظام الميكانيكي، والتي لا يُمكن اكتشافها باستخدام مُرمِّز ذي دقة أقل. غالبًا ما تكون هذه الحركات الصغيرة ناتجة عن اهتزازات أو رنين، وإذا تم اكتشافها، يُمكنها توفير بيانات مهمة لفهم سلوك النظام الميكانيكي والتنبؤ به وتعويضه.

أساسيات التحكم التنبؤي بالنموذج

باختصار، يستخدم نظام التحكم التنبؤي بالنموذج ملف الأوامر السابق للتنبؤ بعزم الدوران والسرعة المستقبليين. إذا كانت سرعة وعزم دوران حركة معينة معروفة بشكل تقريبي، فلا حاجة لإجبار ملف الحركة عشوائيًا عبر حلقات PID، التي تستجيب فقط للأخطاء. بدلاً من ذلك، تكمن الفكرة في توفير السرعة وعزم الدوران المتوقعين كقيمة تغذية أمامية لحلقات التحكم في السيرفو، والسماح للحلقات بالاستجابة لأي خطأ طفيف متبقٍ.

لكي يعمل هذا بشكل صحيح، يجب أن يحتوي المُضخِّم على نموذج رياضي صحيح للآلة، يعتمد على خصائص مثل القصور الذاتي والاحتكاك والصلابة. بعد ذلك، يُمكن دمج عزم الدوران وسرعة النموذج في حلقات المؤازرة لتحسين الأداء. تستخدم هذه النماذج دوال رياضية معقدة، ولكن بفضل المعالجات الأسرع في مُضخِّم المؤازرة، بدأ تطبيقها في صناعة التحكم في الحركة.

على الرغم من فوائده العديدة، إلا أن التحكم التنبؤي بالنماذج له جانب سلبي: فهو يعمل بشكل ممتاز لتحديد المواقع من نقطة إلى نقطة، ولكن على حساب التأخير الزمني أثناء الحركة. يُعد عنصر الوقت جزءًا أساسيًا من التحكم التنبؤي بالنماذج، حيث يُستخدم التحرك الأخير للتنبؤ بالاستجابة المستقبلية. وبسبب هذا التأخير، قد لا يتم اتباع ملف الأوامر الدقيق من وحدة التحكم؛ بل يتم توليد ملف مشابه يُنتج وقت تحديد مواقع سريع في نهاية الحركة.

قمع الاهتزاز

من أهم جوانب تقنية التحكم الحركي بالاهتزازات (MPC) القدرة على نمذجة الاهتزازات منخفضة التردد في الآلة والتنبؤ بها وكبحها. يمكن أن يحدث الاهتزاز في الآلة بترددات تتراوح بين رقم واحد وعشرة هرتز وآلاف الهرتز. يُعد الاهتزاز منخفض التردد بين 1 و10 هرتز - والذي يُلاحظ غالبًا في بداية الحركة ونهايتها - أمرًا مزعجًا للغاية لأنه يقع ضمن تردد تشغيل الآلة.

تميل بعض تكوينات المعدات (مثل آلة ذات ذراع قابض طويل ونحيف) إلى إظهار هذا التردد الرنيني المنخفض أكثر من غيرها. قد تكون هذه التصاميم المعرضة للاهتزاز مطلوبة لطولها، ربما لإدخال قطعة من خلال فتحة. كما أن الآلات الكبيرة معرضة للاهتزاز أيضًا، حيث عادةً ما تكون مصنوعة من أجزاء كبيرة تتذبذب بترددات منخفضة. في هذه الأنواع من التطبيقات، يظهر التذبذب في موضع محرك نهاية الحركة. تقلل تقنية تثبيط الاهتزاز في مضخم المؤازرة من تذبذب الآلة بشكل كبير.

MPC في نظام سيرفو ثنائي المحرك

تطبيق MPC على مشغل أحادي المحور سهل، والانحراف عن المسار المحدد بدقة غير مهم للحركة من نقطة إلى نقطة. ومع ذلك، عند ربط محور سيرفو ميكانيكيًا بآخر، فإن مسارات حركتهما تؤثر على بعضها البعض. يُعد مشغل الكرات اللولبية ثنائي المحرك أحد هذه التكوينات.

يمكن أن يكون هذا التكوين ثنائي المحرك مفيدًا في التطبيقات الأكبر حجمًا التي يكون فيها عزم الدوران المطلوب لتسريع دوار المحرك كبيرًا، ولن يكون محرك واحد أكبر قادرًا على توفير عزم الدوران والتسارع المطلوبين. من وجهة نظر الضبط، يتمثل العامل الحاسم في أن محركي سيرفو كبيرين نسبيًا يضعان حملًا ثقيلًا، ويعملان بأقصى عزم دوران وسرعة مُصنّفين تقريبًا. إذا أصبح المحركان غير متزامنين، فسيُهدر عزميهما في منافسة بعضهما البعض على الموضع. ومع ذلك، إذا كانت مكاسب كلا المحركين متساوية، فإن تأخيرات التحكم التنبؤي بالنموذج تكون متساوية أيضًا، ويظل المحركان متزامنين مع بعضهما البعض.

الخطوة الأولى في ضبط تطبيق مثل هذا هي إزالة أحد المحركات فعليًا وضبط النظام كالمعتاد بمحرك واحد فقط. يكفي محرك سيرفو واحد للتحكم الثابت في المحور، ولكن لا يكفي عزم الدوران لتشغيل الملف الشخصي المطلوب. في هذه الحالة، يتم استخدام تسلسل الضبط التلقائي للشركة المصنعة، والذي يحدد معلمة القصور الذاتي ويمكّن ميزة التحكم التنبئي بالنموذج. ملاحظة: يجب في النهاية تقاسم مكسب النظام الموجود بمحرك واحد بالتساوي بين كلا المحركين. يجعل معلمة القصور الذاتي هذه الخطوة سهلة لأنها تعمل كعامل مقياس لمكاسب حلقة السيرفو، وبالتالي يتم ضبطها على نصف نتيجة الضبط الأصلية في كل مكبر. يمكن بعد ذلك نسخ بقية نتيجة الضبط من المحور الأول إلى المحور الثاني. التعديل الأخير هو إزالة مكون التكامل من المحور الثاني - تعيين المحرك الثاني لدور "مساعد التسارع"، وترك تصحيحات التكامل الصغيرة للمحرك الأول وحده.

يتضمن مفهوم الضبط لمثل هذا التطبيق مرحلتين. المرحلة الأولى هي ضبط كل محور على حدة باستخدام ميزة الضبط التلقائي التي توفرها الشركة المصنعة كنقطة انطلاق، وتفعيل التحكم التنبؤي بالنموذج. كما يُطبّق تثبيط الاهتزاز. في نهاية هذه المرحلة، يستجيب كل محور بسلاسة ووضوح مع أدنى حد من الاهتزاز.

في المرحلة الثانية، يتم تشغيل المحاور معًا، ومراقبة الخطأ أثناء التشغيل التجريبي من منظور وحدة التحكم. بدءًا من ضبط مكاسب MPC على تساوي، تُحدد التجربة والخطأ أفضل الإعدادات لمكسب MPC الذي يوازن بين انخفاض خطأ الموضع، وتساوي خطأ الموضع، وسلاسة الحركة. الفكرة هي أنه إذا كان خطأ الموضع متماثلًا، فسيتم تأخير كلا المحورين بنفس المدة الزمنية، ويتم قطع القطعة وفقًا للأبعاد الصحيحة حتى لو كان خطأ الموضع مرتفعًا أثناء الحركة.