Servosystem linearer Achse

Die heutigen AC -Servo -Systeme unterscheiden sich sehr von denen, die vor 10 Jahren gebaut wurden. Schnellere Prozessoren und Encoder mit höherer Auflösung ermöglichen es den Herstellern, erstaunliche Fortschritte in der Tuning -Technologie zu implementieren. Modellvorhersage und Vibrationsunterdrückung sind zwei solche Fortschritte, die auch in komplexen Servosystemen erfolgreich angewendet werden können.

Servo -Tuning im Zusammenhang mit AC -Servosystemen ist die Einstellung der Reaktion des elektrischen Steuerungssystems an ein angeschlossenes mechanisches System. Ein elektrisches Steuerungssystem besteht aus einem SPS oder einer Bewegungssteuerung, die Signale an den Servoverstärker sendet und dazu führt, dass der Servomotor das mechanische System bewegt.

Der Servomotor - ein elektromechanisches Gerät - dient als kritische Komponente, die die beiden Systeme vereint. Es kann im elektrischen Steuerungssystem viel erfolgen, um das Verhalten des mechanischen Systems vorherzusagen.

In diesem Artikel werden wir zwei Techniken der modernen Servo-Tuning-Technologie-Modell Predictive Control (MPC) und Vibrationsunterdrückung-und deren Überlegungen auf Anwendungsebene untersuchen.

CPU -Geschwindigkeit - schneller als je zuvor

Eine schnellere CPU -Geschwindigkeit ist überall, und Servoverstärker sind keine Ausnahme. CPUs, die einst die Kosten unerschwinglich waren, haben sich in das Design des Servoverstärkers eingeleitet und ermöglicht komplexere und effektivere Tuning -Algorithmen. Vor zehn Jahren war es üblich, eine Bandbreite von 100 oder 200 Hz in der Geschwindigkeitsschleife zu sehen, während die heutigen Geschwindigkeiten weit über 1.000 Hz liegen können.

Abgesehen von der Lösung von Kontrollschleifen ermöglichen schnellere Prozessoren den Servoverstärkern die Echtzeitanalyse von Drehmoment, Geschwindigkeit und Position, um Maschineneigenschaften zu ermitteln, die zuvor nicht erkannt werden konnten. Komplexe mathematische Modelle können jetzt in einem Servoverstärker effektiv implementiert werden, um die fortschrittlichen Tuning -Steueralgorithmen zu nutzen, die weit über die Standard -PID -Tuning hinausgehen.

Darüber hinaus kann ein schnellerer Prozessor die Daten auch aus einem Encoder mit höherer Auflösung verarbeiten, obwohl die erweiterte Auflösung dem System keine bessere Positionierungsleistung bietet. Der limitierende Positionierungsfaktor ist normalerweise das mechanische System, nicht das Encoder-aber ein Encoder mit höherer Auflösung ermöglicht es dem Steuerungssystem, Mikrobewegungen im mechanischen System zu sehen, das mit einem Encoder mit niedrigerer Auflösung nicht nachweisbar ist. Diese kleinen Bewegungen sind häufig das Ergebnis von Vibrationen oder Resonanz und können, falls festgestellt, wichtige Daten zum Verständnis, Vorhersagen und Ausgleich des Verhaltens des mechanischen Systems liefern.

Die Grundlagen der Modellvorhersagekontrolle

Kurz gesagt, die Modellvorhersagesteuerung des Modells verwendet das frühere Befehlsprofil, um zukünftiges Drehmoment und Geschwindigkeit vorherzusagen. Wenn die Geschwindigkeit und das Drehmoment für eine bestimmte Bewegung grob bekannt sind, müssen das Bewegungsprofil nicht blind durch die PID -Schleifen erzwingen, die nur auf Fehler reagieren. Stattdessen ist es die Idee, die vorhergesagte Geschwindigkeit und Drehmoment als Vorspeise für die Servo-Steuerschleifen zu liefern und die Schleifen auf einen beliebigen minimalen Fehler reagieren zu lassen.

Damit dies korrekt funktioniert, muss der Verstärker ein gültiges mathematisches Modell der Maschine haben, das auf Eigenschaften wie Trägheit, Reibung und Steifheit basiert. Dann kann das Drehmoment und das Geschwindigkeitsprofil des Modells in die Servoschleifen injiziert werden, um eine erhöhte Leistung zu erzielen. Diese Modelle verwenden komplexe mathematische Funktionen, aber dank schnellerer Prozessoren im Servoverstärker beginnt die Bewegungskontrollbranche ihre Implementierung zu erkennen.

Trotz seiner vielen Vorteile hat die Vorhersagekontrolle für die Modellvorhersage einen Kompromiss: Es eignet sich hervorragend für die Punkt-zu-Punkt-Positionierung, aber auf Kosten der Zeitverzögerung während des Umzugs. Das zeitliche Element ist mit der Modellvorhersagekontrolle in der Modell inhärent, da die jüngste vergangene Bewegung verwendet wird, um die zukünftige Reaktion vorherzusagen. Aufgrund dieser Verzögerung wird das genaue Befehlsprofil des Controllers möglicherweise nicht befolgt. Stattdessen wird ein ähnliches Profil generiert, das am Ende des Zuges eine schnelle Positionierungszeit erzeugt.

Vibrationsunterdrückung

Einer der nützlichsten Aspekte von MPC ist die Fähigkeit, die Schwingung der niedrigen Frequenz in der Maschine zu modellieren, vorherzusagen und zu unterdrücken. Vibration kann in einer Maschine bei Frequenzen von einstelligem Hz in die Tausenden von Hz auftreten. Eine niederfrequente Schwingung in den 1s und 10s von Hz-oft zu Beginn und am Ende eines Zuges-ist besonders problematisch, da sie sich in der Betriebsfrequenz der Maschine befindet.

Bestimmte Gerätekonfigurationen (z. B. eine Maschine mit einem langen und schlanken Greiferarm) neigen dazu, diese Häufigkeit mit niedriger Resonanz mehr als andere zu zeigen. Solche vibrationsanfälligen Designs können für die Länge erforderlich sein, möglicherweise für die Einführung eines Teils durch eine Öffnung. Ebenfalls anfällig für Vibrationen sind große Maschinen, die aus großen Teilen bestehen, die bei niedrigeren Frequenzen schwingen. Mit diesen Anwendungsarten erscheint eine Schwingung in der motorischen Position am Ende des Materials. Die Vibrationsensuppressionstechnologie im Servoverstärker reduziert eine solche Maschinenschwingung erheblich.

MPC in einem Dual-Motor-Servosystem

Die Anwendung von MPC auf einen Einzelachse-Aktuator ist unkompliziert, und die Abweichung vom exakt befohlenen Profil ist für die Punkt-zu-Punkt-Bewegung unwichtig. Wenn jedoch eine Servoachse mechanisch mit einem anderen verbunden ist, beeinflussen sich ihre Bewegungsprofile gegenseitig. Ein Doppelmotor-Ballschraubenantrieb ist eine solche Konfiguration.

Diese Dual-Motor-Konfiguration kann in größeren Anwendungen vorteilhaft sein, für die das zur Beschleunigung des Motorrotors erforderliche Drehmoment erheblich und ein einzelner, größerer Motor nicht in der Lage wäre, das erforderliche Drehmoment und die erforderliche Beschleunigung zu erhalten. Aus Sicht der Sicht ist der kritische Faktor, dass zwei relativ große Servomotoren eine schwere Last positionieren und mit nahezu voll bewertetem Drehmoment und Geschwindigkeit arbeiten. Wenn die Motoren nicht synchronisiert werden, werden ihre Drehmomente im Wesentlichen verschwendet, um gegenseitig gegen die Position zu kämpfen. Wenn die Gewinne beider Servos jedoch gleich sind, sind auch Verzögerungen zur Modellvorhersagekontrolle gleich und die Motoren bleiben synchron miteinander.

Der erste Schritt bei der Einstellung einer Anwendung wie dieser besteht darin, einen der Motoren physisch zu entfernen und das System wie gewohnt mit nur einem Motor einzustellen. Ein Servomotor reicht für eine stabile Achsensteuerung aus, aber nicht genug Drehmoment, um das erforderliche Profil auszuführen. In diesem Fall wird die automatische Tuning-Sequenz des Herstellers verwendet, die einen Trägheitsparameter festlegt und das Modell-Vorhersage-Kontrollmerkmal ermöglicht. HINWEIS: Der mit einem Motor gefundene Systemgewinn muss letztendlich von beiden Motoren zu gleichen Teilen geteilt werden. Der Trägheitsparameter erleichtert diesen Schritt, da er als Skalierungsfaktor für die Servo -Schleifengewinne fungiert und so auf die Hälfte des ursprünglichen Tuning -Ergebniss in jedem Verstärker eingestellt ist. Der Rest des Tuning -Ergebniss kann dann von der Achse 1 zur Achse zwei kopiert werden. Die endgültige Anpassung besteht darin, die Integrationskomponente von Achse Two zu entfernen. Damit die Rolle der „Beschleunigungsassistenten“ zugewiesen und die kleinen Integrationskorrekturen allein einsetzt.

Das Tuning -Konzept für eine solche Anwendung umfasst zwei Phasen. Die erste Phase besteht darin, jede Achse einzeln zu stimmen, indem die von Hersteller bereitgestellte automatische Abtunigung als Ausgangspunkt verwendet wird und die Vorhersage der Modellvorhersage aktiviert wird. Es wird ebenfalls eine Vibrationsunterdrückung angewendet. Am Ende dieser Phase hat jede Achse eine saubere und glatte Reaktion mit minimaler Vibration.

In der zweiten Phase werden die Achsen zusammen ausgeführt, wodurch der Fehler während eines „Trockenlaufs“ aus der Perspektive des Controllers überwacht wird. Beginnend mit den als gleichen MPC -Gewinnen ermittelt Versuch und Fehler die besten Einstellungen für eine MPC -Verstärkung, die den Fehler mit geringer Position, gleichem Positionsfehler und reibungslose Bewegung ausgleichen. Das Konzept ist, dass, wenn der Positionsfehler gleich ist, beide Achsen um die gleiche Zeitspanne verzögert werden und der Teil zur korrekten Abmessungen geschnitten wird, obwohl der Positionsfehler während der Bewegung hoch ist.