Servo de eje lineal Sistema

Los sistemas de servo de CA de hoy son muy diferentes a los construidos incluso hace 10 años. Los procesadores más rápidos y los codificadores de mayor resolución están permitiendo a los fabricantes implementar avances sorprendentes en la tecnología de ajuste. El control predictivo del modelo y la supresión de vibraciones son dos de estos avances que se pueden aplicar con éxito incluso en servo sistemas complejos.

La sintonización de servo en lo que respecta a los sistemas de servo de CA es el ajuste de la respuesta del sistema de control eléctrico a un sistema mecánico conectado. Un sistema de control eléctrico consiste en un PLC o controlador de movimiento, que envía señales al servo amplificador, lo que hace que el servomotor haga que el sistema mecánico se mueva.

El servomotor, un dispositivo electromecánico, sirve como componente crítico que une los dos sistemas. Se puede hacer mucho dentro del sistema de control eléctrico para predecir el comportamiento del sistema mecánico.

En este artículo, exploraremos dos técnicas de tecnología moderna de sintonización de servo (control predictivo del modelo (MPC) y supresión de vibraciones) y sus consideraciones a nivel de aplicación.

Velocidad de la CPU: más rápido que nunca

La velocidad más rápida de la CPU está en todas partes, y los servomplificadores no son la excepción. Las CPU que alguna vez fueron prohibitivas han llegado al diseño del servo amplificador, lo que permite algoritmos de ajuste más complejos y efectivos. Hace diez años, era común ver el ancho de banda de 100 o 200 Hz en el bucle de velocidad, mientras que las velocidades de hoy pueden ser muy superiores a 1,000 Hz.

Más allá de resolver los bucles de control, los procesadores más rápidos permiten que los servo amplificadores realicen análisis en tiempo real de torque, velocidad y posición para descubrir las propiedades de la máquina que anteriormente no podían detectarse. Los modelos matemáticos complejos ahora se pueden implementar de manera rentable dentro de un servo amplificador para aprovechar los algoritmos avanzados de control de ajuste que van mucho más allá de la sintonización PID estándar.

Además, un procesador más rápido también puede manejar los datos de un codificador de mayor resolución, aunque la resolución mejorada no le da al sistema un mejor rendimiento de posicionamiento. El factor de posicionamiento limitante suele ser el sistema mecánico, no el codificador, pero un codificador de mayor resolución permite que el sistema de control vea micro-movimientos en el sistema mecánico indetectable con un codificador de menor resolución. Estos pequeños movimientos son a menudo el resultado de vibraciones o resonancia y, si se detectan, pueden suministrar datos importantes para comprender, predecir y compensar el comportamiento del sistema mecánico.

Los conceptos básicos del control predictivo del modelo

En pocas palabras, el control predictivo del modelo utiliza el perfil comandado del pasado para predecir el torque y la velocidad futuros. Si la velocidad y el par para un cierto movimiento se conocen aproximadamente, entonces no es necesario forzar ciegamente el perfil de movimiento a través de los bucles PID, que responden solo al error. En cambio, la idea es suministrar la velocidad y el torque predichos como alimentación hacia adelante a los bucles de control del servo y dejar que los bucles respondan a cualquier error mínimo que quede.

Para que esto funcione correctamente, el amplificador debe tener un modelo matemático válido de la máquina, basado en propiedades como la inercia, la fricción y la rigidez. Luego, el perfil de torque y velocidad del modelo se puede inyectar en los bucles de servo, para un mayor rendimiento. Estos modelos utilizan funciones matemáticas complejas, pero gracias a los procesadores más rápidos en el servo amplificador, la industria de control de movimiento está comenzando a ver su implementación.

A pesar de sus muchos beneficios, el control predictivo del modelo tiene una compensación: funciona muy bien para el posicionamiento punto a punto, pero a expensas del retraso del tiempo durante el movimiento. El elemento de tiempo es inherente al control predictivo del modelo porque el movimiento pasado reciente se usa para predecir la respuesta futura. Debido a este retraso, no se puede seguir el perfil de comando exacto del controlador; En cambio, se genera un perfil similar que produce un tiempo de posicionamiento rápido al final del movimiento.

Supresión de vibraciones

Uno de los aspectos más útiles de MPC es la capacidad de modelar, predecir y suprimir la vibración de baja frecuencia en la máquina. La vibración puede ocurrir en una máquina a frecuencias de HZ de un solo dígito en miles de Hz. La vibración de baja frecuencia en los 1 y 10 de Hz, a menudo notables al principio y al final de un movimiento, es particularmente problemática porque está dentro de la frecuencia de funcionamiento de la máquina.

Ciertas configuraciones de equipos (por ejemplo, una máquina con un brazo de pinza largo y delgado) tienden a exhibir esta frecuencia de baja resonante más que otras. Se pueden requerir tales diseños propensos a vibraciones para la longitud, tal vez para insertar una parte a través de una abertura. También son propensas a la vibración, que tienden a estar hechas de piezas grandes que oscilan a frecuencias más bajas. Con este tipo de aplicaciones, la oscilación aparece en la posición del motor de fin de movimiento. La tecnología de supresión de vibraciones en el servo amplificador reduce significativamente dicha oscilación de la máquina.

MPC en un sistema de servomotor de doble motor

La aplicación de MPC a un actuador de eje único es sencilla, y la desviación del perfil exacto comandado no es importante para el movimiento punto a punto. Sin embargo, cuando un servo eje está vinculado mecánicamente a otro, sus perfiles de movimiento se afectan entre sí. Un actuador de tornillo de bolas dual es una de esas configuraciones.

Esta configuración de doble motor puede ser ventajosa en aplicaciones más grandes para las cuales el par requerido para acelerar el rotor del motor es significativo y un motor único y más grande sería incapaz del par y la aceleración requerida. Desde un punto de vista de ajuste, el factor crítico es que dos servomotores relativamente grandes están colocando una carga pesada y operando a un torque y velocidad casi completo. Si los motores se vuelven sincronizados, sus pares se desperdiciarán en esencialmente luchando entre sí por su posición. Sin embargo, si las ganancias de ambos servos son iguales, los retrasos de control predictivo del modelo también son iguales y los motores permanecen sincronizados entre sí.

El primer paso para ajustar una aplicación como esta es eliminar físicamente uno de los motores y ajustar el sistema como de costumbre con solo un motor. Un servomotor es suficiente para el control del eje estable, pero no suficiente torque para ejecutar el perfil requerido. En este caso, se utiliza la secuencia de ajuste automático del fabricante, que establece un parámetro de inercia y permite la función de control predictivo del modelo. Nota: La ganancia del sistema que se encuentra con un motor debe ser compartida por igual por ambos motores. El parámetro de inercia facilita este paso porque actúa como un factor de escala para las ganancias de bucle de servomotor, por lo que se establece en la mitad del resultado de sintonización original en cada amplificador. El resto del resultado de sintonización se puede copiar del eje uno al eje dos. El ajuste final es eliminar el componente de integración del eje dos, asignando al segundo motor el papel de "asistencia de aceleración" y dejar las pequeñas correcciones de integración al motor uno solo.

El concepto de sintonización para dicha aplicación implica dos fases. La primera fase es sintonizar cada eje individualmente utilizando la función de ajuste automático provista del fabricante como punto de partida y habilitar el control predictivo del modelo. La supresión de la vibración también se aplica. Al final de esta fase, cada eje tiene una respuesta limpia y suave con una vibración mínima.

En la segunda fase, los ejes se ejecutan juntos, monitoreando el error durante una "ejecución seca" desde la perspectiva del controlador. Comenzando con las ganancias de MPC establecidas como iguales, la prueba y el error determinarán la mejor configuración para una ganancia de MPC que equilibra un error de posición bajo, un error de posición igual y un movimiento suave. El concepto es que si el error de posición es el mismo, entonces ambos ejes se retrasan por la misma cantidad de tiempo, y la pieza se corta para corregir las dimensiones a pesar de que el error de posición es alto durante el movimiento.