Linearachsen-Servosystem

Die heutigen AC-Servosysteme unterscheiden sich stark von denen, die noch vor 10 Jahren gebaut wurden. Schnellere Prozessoren und Encoder mit höherer Auflösung ermöglichen es Herstellern, erstaunliche Fortschritte in der Tuning-Technologie umzusetzen. Model Predictive Control und Vibrationsunterdrückung sind zwei dieser Fortschritte, die auch in komplexen Servosystemen erfolgreich eingesetzt werden können.

Bei der Servoabstimmung bei AC-Servosystemen handelt es sich um die Anpassung der Reaktion des elektrischen Steuerungssystems an ein angeschlossenes mechanisches System. Ein elektrisches Steuerungssystem besteht aus einer SPS oder einem Bewegungscontroller, der Signale an den Servoverstärker sendet und so den Servomotor veranlasst, das mechanische System in Bewegung zu setzen.

Der Servomotor – ein elektromechanisches Gerät – dient als entscheidende Komponente, die die beiden Systeme verbindet. Innerhalb des elektrischen Steuerungssystems kann viel getan werden, um das Verhalten des mechanischen Systems vorherzusagen.

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

CPU-Geschwindigkeit – schneller als je zuvor

Schnellere CPU-Geschwindigkeiten gibt es überall, und Servoverstärker bilden da keine Ausnahme. CPUs, die einst unerschwinglich waren, haben Eingang in die Entwicklung von Servoverstärkern gefunden und ermöglichen komplexere und effektivere Abstimmungsalgorithmen. Vor zehn Jahren war es üblich, in der Geschwindigkeitsschleife eine Bandbreite von 100 oder 200 Hz zu sehen, während die Geschwindigkeiten heute deutlich über 1.000 Hz liegen können.

Über die Lösung von Regelkreisen hinaus ermöglichen schnellere Prozessoren Servoverstärkern die Durchführung einer integrierten Echtzeitanalyse von Drehmoment, Geschwindigkeit und Position, um Maschineneigenschaften zu entdecken, die zuvor nicht erkannt werden konnten. Komplexe mathematische Modelle können jetzt kostengünstig in einen Servoverstärker implementiert werden, um fortschrittliche Abstimmungssteuerungsalgorithmen zu nutzen, die weit über die Standard-PID-Abstimmung hinausgehen.

Darüber hinaus kann ein schnellerer Prozessor auch die Daten eines Encoders mit höherer Auflösung verarbeiten, obwohl die verbesserte Auflösung dem System keine bessere Positionierungsleistung verleiht. Der begrenzende Positionierungsfaktor ist normalerweise das mechanische System, nicht der Encoder – aber ein Encoder mit höherer Auflösung ermöglicht es dem Steuerungssystem, Mikrobewegungen im mechanischen System zu erkennen, die mit einem Encoder mit niedrigerer Auflösung nicht erkennbar sind. Diese kleinen Bewegungen sind oft das Ergebnis von Vibrationen oder Resonanzen und können, wenn sie erkannt werden, wichtige Daten zum Verständnis, zur Vorhersage und zur Kompensation des Verhaltens des mechanischen Systems liefern.

Die Grundlagen der modellprädiktiven Regelung

Kurz gesagt: Model Predictive Control nutzt das in der Vergangenheit vorgegebene Profil, um das zukünftige Drehmoment und die zukünftige Geschwindigkeit vorherzusagen. Wenn Geschwindigkeit und Drehmoment für eine bestimmte Bewegung ungefähr bekannt sind, besteht keine Notwendigkeit, das Bewegungsprofil blind durch die PID-Schleifen zu zwingen, die nur auf Fehler reagieren. Stattdessen besteht die Idee darin, die vorhergesagte Geschwindigkeit und das vorhergesagte Drehmoment als Vorsteuerung an die Servoregelkreise zu liefern und die Regelkreise auf den verbleibenden minimalen Fehler reagieren zu lassen.

Damit dies ordnungsgemäß funktioniert, muss der Verstärker über ein gültiges mathematisches Modell der Maschine verfügen, das auf Eigenschaften wie Trägheit, Reibung und Steifigkeit basiert. Anschließend kann das Drehmoment- und Geschwindigkeitsprofil des Modells zur Leistungssteigerung in die Servokreise eingespeist werden. Diese Modelle verwenden komplexe mathematische Funktionen, doch dank schnellerer Prozessoren in den Servoverstärkern beginnt die Umsetzung in der Motion-Control-Branche.

Trotz der vielen Vorteile hat Model Predictive Control einen Nachteil: Es eignet sich hervorragend für die Punkt-zu-Punkt-Positionierung, allerdings auf Kosten einer Zeitverzögerung während der Bewegung. Das Zeitelement ist der modellprädiktiven Steuerung inhärent, da die jüngste vergangene Bewegung zur Vorhersage der zukünftigen Reaktion verwendet wird. Aufgrund dieser Verzögerung kann es sein, dass das genaue Befehlsprofil des Controllers nicht befolgt wird. Stattdessen wird ein ähnliches Profil generiert, das am Ende der Bewegung eine schnelle Positionierungszeit ermöglicht.

Vibrationsunterdrückung

Einer der nützlichsten Aspekte von MPC ist die Fähigkeit, niederfrequente Vibrationen in der Maschine zu modellieren, vorherzusagen und zu unterdrücken. Vibrationen können in einer Maschine mit Frequenzen im einstelligen Hz-Bereich bis in den Tausender-Hz-Bereich auftreten. Niederfrequente Vibrationen im 1s- und 10s-Hz-Bereich – die oft zu Beginn und am Ende einer Bewegung spürbar sind – sind besonders störend, da sie innerhalb der Betriebsfrequenz der Maschine liegen.

Bestimmte Gerätekonfigurationen (z. B. eine Maschine mit einem langen und schlanken Greifarm) neigen dazu, diese niedrige Resonanzfrequenz stärker aufzuweisen als andere. Solche vibrationsanfälligen Konstruktionen können aus Längengründen erforderlich sein, beispielsweise zum Einführen eines Teils durch eine Öffnung. Auch große Maschinen sind anfällig für Vibrationen und bestehen meist aus großen Teilen, die bei niedrigeren Frequenzen schwingen. Bei solchen Anwendungen treten Schwingungen in der Endposition des Motors auf. Die Vibrationsunterdrückungstechnologie im Servoverstärker reduziert solche Maschinenschwingungen erheblich.

MPC in einem Doppelmotor-Servosystem

Die Anwendung von MPC auf einen einachsigen Aktuator ist unkompliziert, und Abweichungen vom exakten Sollprofil sind für Punkt-zu-Punkt-Bewegungen unwichtig. Wenn jedoch eine Servoachse mechanisch mit einer anderen verbunden ist, beeinflussen sich ihre Bewegungsprofile gegenseitig. Ein Kugelumlaufspindelantrieb mit zwei Motoren ist eine solche Konfiguration.

Diese Konfiguration mit zwei Motoren kann bei größeren Anwendungen von Vorteil sein, bei denen das zur Beschleunigung des Rotors des Motors erforderliche Drehmoment erheblich ist und ein einzelner, größerer Motor nicht in der Lage wäre, das erforderliche Drehmoment und die erforderliche Beschleunigung zu erreichen. Aus Tuning-Sicht ist der entscheidende Faktor, dass zwei relativ große Servomotoren eine schwere Last positionieren und nahezu mit vollem Nenndrehmoment und Nenndrehzahl arbeiten. Wenn die Motoren unsynchronisiert werden, werden ihre Drehmomente dadurch verschwendet, dass sie sich gegenseitig um ihre Position bekämpfen. Wenn jedoch die Verstärkungen beider Servos gleich sind, sind auch die Verzögerungen der Model Predictive Control gleich und die Motoren bleiben synchron zueinander.

Der erste Schritt bei der Abstimmung einer solchen Anwendung besteht darin, einen der Motoren physisch zu entfernen und das System wie gewohnt mit nur einem Motor abzustimmen. Ein Servomotor reicht für eine stabile Achsensteuerung aus, aber nicht genug Drehmoment, um das erforderliche Profil abzufahren. In diesem Fall wird die Auto-Tuning-Sequenz des Herstellers verwendet, die einen Trägheitsparameter festlegt und die Funktion „Model Predictive Control“ aktiviert. Hinweis: Die bei einem Motor ermittelte Systemverstärkung muss letztendlich von beiden Motoren gleichmäßig geteilt werden. Der Trägheitsparameter erleichtert diesen Schritt, da er als Skalierungsfaktor für die Servoschleifenverstärkungen fungiert und daher in jedem Verstärker auf die Hälfte des ursprünglichen Abstimmungsergebnisses eingestellt wird. Der Rest des Tuning-Ergebnisses kann dann von Achse eins auf Achse zwei kopiert werden. Die letzte Anpassung besteht darin, die Integrationskomponente von Achse zwei zu entfernen – dem zweiten Motor die Rolle des „Beschleunigungsassistenten“ zuzuweisen und die kleinen Integrationskorrekturen allein Motor eins zu überlassen.

Das Tuning-Konzept für eine solche Anwendung umfasst zwei Phasen. Die erste Phase besteht darin, jede Achse einzeln abzustimmen, wobei die vom Hersteller bereitgestellte Auto-Tuning-Funktion als Ausgangspunkt verwendet wird, und die modellprädiktive Steuerung zu aktivieren. Außerdem kommt eine Vibrationsunterdrückung zum Einsatz. Am Ende dieser Phase reagiert jede Achse sauber und gleichmäßig mit minimalen Vibrationen.

In der zweiten Phase werden die Achsen gemeinsam gefahren und der Fehler beim „Trockenlauf“ aus Sicht der Steuerung überwacht. Ausgehend von gleich eingestellten MPC-Verstärkungen werden durch Versuch und Irrtum die besten Einstellungen für eine MPC-Verstärkung ermittelt, die einen geringen Positionsfehler, einen gleichen Positionsfehler und eine gleichmäßige Bewegung ausgleicht. Das Konzept besteht darin, dass bei gleichem Positionsfehler beide Achsen um die gleiche Zeit verzögert werden und das Teil auf die korrekten Abmessungen geschnitten wird, obwohl der Positionsfehler während der Bewegung hoch ist.