Lineaarisen akselin servojärjestelmä

Nykyiset AC-servojärjestelmät ovat paljon erilaisia ​​kuin jopa 10 vuotta sitten rakennetut. Nopeammat prosessorit ja korkeamman resoluution enkooderit antavat valmistajille mahdollisuuden toteuttaa hämmästyttäviä edistysaskeleita viritystekniikassa. Mallin ennakoiva ohjaus ja tärinänvaimennus ovat kaksi sellaista edistystä, joita voidaan menestyksekkäästi soveltaa jopa monimutkaisiin servojärjestelmiin.

Servoviritys AC-servojärjestelmissä on sähköisen ohjausjärjestelmän vasteen säätämistä liitettyyn mekaaniseen järjestelmään. Sähköinen ohjausjärjestelmä koostuu PLC:stä tai liikeohjaimesta, joka lähettää signaaleja servovahvistimelle, jolloin servomoottori saa mekaanisen järjestelmän liikkeelle.

Servomoottori - sähkömekaaninen laite - toimii kriittisenä komponenttina, joka yhdistää kaksi järjestelmää. Sähköisessä ohjausjärjestelmässä voidaan tehdä paljon mekaanisen järjestelmän käyttäytymisen ennustamiseksi.

Tässä artikkelissa tutkimme kahta modernin servoviritystekniikan tekniikkaa – mallin ennustavaa ohjausta (MPC) ja tärinänvaimennusta – ja niiden sovellustason näkökohtia.

Suorittimen nopeus – nopeampi kuin koskaan

Nopeampi suoritinnopeus on kaikkialla, eivätkä servovahvistimet ole poikkeus. Prosessorit, jotka olivat aikoinaan kalliita, ovat päässeet servovahvistinsuunnitteluun, mikä mahdollistaa monimutkaisemmat ja tehokkaammat viritysalgoritmit. Kymmenen vuotta sitten nopeussilmukassa oli tavallista nähdä 100 tai 200 Hz:n kaistanleveys, kun taas nykyään nopeudet voivat olla reilusti yli 1 000 Hz.

Ohjaussilmukoiden ratkaisemisen lisäksi nopeammat prosessorit antavat servovahvistimille mahdollisuuden tehdä sisäänrakennettua reaaliaikaista vääntömomentin, nopeuden ja sijainnin analysointia löytääkseen koneen ominaisuuksia, joita ei aiemmin voitu havaita. Monimutkaisia ​​matemaattisia malleja voidaan nyt toteuttaa kustannustehokkaasti servovahvistimessa, jotta voidaan hyödyntää kehittyneitä virityksen ohjausalgoritmeja, jotka menevät paljon pidemmälle kuin standardi PID-viritys.

Lisäksi nopeampi prosessori pystyy käsittelemään myös korkeamman resoluution enkooderin dataa, vaikka parannettu resoluutio ei anna järjestelmälle parempaa paikannussuorituskykyä. Rajoittava paikannustekijä on yleensä mekaaninen järjestelmä, ei kooderi - mutta korkeamman resoluution kooderi mahdollistaa ohjausjärjestelmän näkemään mekaanisen järjestelmän mikroliikkeet, joita ei voida havaita pienemmän resoluution kooderilla. Nämä pienet liikkeet ovat usein seurausta tärinästä tai resonanssista, ja jos ne havaitaan, ne voivat tarjota tärkeitä tietoja mekaanisen järjestelmän toiminnan ymmärtämiseksi, ennustamiseksi ja kompensoimiseksi.

Mallin ennakoivan ohjauksen perusteet

Lyhyesti sanottuna Model Predictive Control käyttää menneisyydessä annettua profiilia ennustaakseen tulevaa vääntömomenttia ja nopeutta. Jos tietyn liikkeen nopeus ja vääntömomentti ovat karkeasti tiedossa, ei ole tarvetta sokeasti pakottaa liikeprofiilia PID-silmukoiden läpi, jotka reagoivat vain virheisiin. Sen sijaan ajatuksena on syöttää ennustettu nopeus ja vääntömomentti eteenpäinkytkennällä servo-ohjaussilmukoille ja antaa silmukoiden reagoida mihin tahansa vähäiseen jäljellä olevaan virheeseen.

Jotta tämä toimisi oikein, vahvistimella on oltava kelvollinen koneen matemaattinen malli, joka perustuu ominaisuuksiin, kuten inertiaan, kitkaan ja jäykkyyteen. Sitten mallin vääntö- ja nopeusprofiili voidaan ruiskuttaa servosilmukoihin suorituskyvyn parantamiseksi. Näissä malleissa käytetään monimutkaisia ​​matemaattisia toimintoja, mutta servovahvistimen nopeampien prosessorien ansiosta liikkeenohjausteollisuus alkaa nähdä niiden toteutusta.

Monista eduistaan ​​​​huolimatta Model Predictive Controlilla on kompromissi: se toimii erinomaisesti pisteestä pisteeseen -paikannuksessa, mutta muuton aikaviiveen kustannuksella. Aikaelementti on luonnostaan ​​Model Predictive Controlissa, koska lähimenneisyyttä käytetään ennustamaan tulevaa vastetta. Tämän viiveen vuoksi ohjaimen tarkkaa komentoprofiilia ei ehkä seurata; sen sijaan luodaan samanlainen profiili, joka tuottaa nopean paikannusajan liikkeen lopussa.

Tärinänvaimennus

Yksi MPC:n hyödyllisimmistä puolista on kyky mallintaa, ennustaa ja vaimentaa koneen matalataajuista tärinää. Tärinä voi esiintyä koneessa taajuuksilla yksinumeroisista hertseistä tuhansiin hertseihin. Matalataajuinen värähtely 1s ja 10s Hz - usein havaittavissa liikkeen alussa ja lopussa - on erityisen ongelmallista, koska se on koneen toimintataajuuden sisällä.

Tietyt laitekokoonpanot (esimerkiksi kone, jossa on pitkä ja kapea tarttujavarsi) osoittavat tätä matalaresonanssitaajuutta enemmän kuin toiset. Tällaisia ​​tärinäherkkiä malleja voidaan tarvita pituuden vuoksi, ehkä osan työntämiseksi aukon läpi. Tärinälle alttiita ovat myös suuret koneet, jotka yleensä koostuvat suurista osista, jotka värähtelevät alemmilla taajuuksilla. Tämän tyyppisissä sovelluksissa värähtelyä esiintyy moottorin liikkeen loppuasennossa. Servovahvistimen tärinänvaimennustekniikka vähentää merkittävästi koneen värähtelyä.

MPC kaksimoottorisessa servojärjestelmässä

MPC:n soveltaminen yksiakseliseen toimilaitteeseen on yksinkertaista, ja poikkeaminen tarkasti käsketystä profiilista ei ole tärkeää pisteestä pisteeseen -liikkeen kannalta. Kuitenkin, kun yksi servoakseli liitetään mekaanisesti toiseen, niiden liikeprofiilit vaikuttavat toisiinsa. Kaksimoottorinen kuularuuvitoimilaite on yksi tällainen kokoonpano.

Tämä kaksimoottorinen konfiguraatio voi olla edullinen suuremmissa sovelluksissa, joissa moottorin roottorin kiihdyttämiseen vaadittava vääntömomentti on merkittävä ja yksi suurempi moottori ei pystyisi vaadittavaan vääntömomenttiin ja kiihdytykseen. Virityksen kannalta kriittinen tekijä on se, että kaksi suhteellisen suurta servomoottoria kohdistavat raskaan kuorman ja toimivat lähes täydellä nimellisvääntömomentilla ja -nopeudella. Jos moottorit eivät ole synkronoituja, niiden vääntömomentit menevät hukkaan lähinnä taistelemaan toistensa kanssa asennosta. Kuitenkin, jos molempien servojen vahvistukset ovat samat, myös Model Predictive Control -viiveet ovat yhtä suuret ja moottorit pysyvät synkronoituna keskenään.

Ensimmäinen vaihe tällaisen sovelluksen virittämisessä on fyysisesti poistaa yksi moottoreista ja virittää järjestelmä tavalliseen tapaan yhdellä moottorilla. Yksi servomoottori riittää vakaaseen akselin ohjaukseen, mutta vääntömomentti ei riitä vaaditun profiilin pyörittämiseen. Tässä tapauksessa käytetään valmistajan automaattista viritysjärjestystä, joka asettaa inertiaparametrin ja ottaa käyttöön Model Predictive Control -ominaisuuden. Huomautus: Yhdellä moottorilla löydetty järjestelmän vahvistus on lopulta jaettava tasaisesti molemmille moottoreille. Inertiaparametri tekee tästä vaiheesta helpon, koska se toimii skaalaustekijänä servosilmukan vahvistuksille, joten se on asetettu puoleen alkuperäisestä viritystuloksesta kussakin vahvistimessa. Loput viritystuloksesta voidaan sitten kopioida akselilta yksi akselille kaksi. Viimeinen säätö on integrointikomponentin poistaminen akselilta kakkoselta – toiselle moottorille annetaan "kiihtyvyysavustajan" rooli ja pienet integrointikorjaukset jätetään moottorin ykköselle.

Tällaisen sovelluksen virityskonsepti sisältää kaksi vaihetta. Ensimmäinen vaihe on virittää jokainen akseli erikseen käyttämällä lähtökohtana valmistajan toimittamaa automaattista viritysominaisuutta ja ottaa käyttöön Model Predictive Control. Käytössä on myös tärinänvaimennus. Tämän vaiheen lopussa jokaisella akselilla on puhdas ja tasainen vaste minimaalisella tärinällä.

Toisessa vaiheessa akselit ajetaan yhdessä tarkkailemalla virhettä "kuivakäynnin" aikana säätimen näkökulmasta. Alkaen MPC-vahvistuksista, jotka on asetettu yhtäläisiksi, yritys ja erehdys määrittää parhaat asetukset MPC-vahvistukselle, joka tasapainottaa matalan sijainnin virheen, yhtäläisen sijainnin virheen ja tasaisen liikkeen. Ideana on, että jos asentovirhe on sama, niin molemmat akselit viivästyvät saman verran ja kappale leikataan oikeisiin mittoihin, vaikka asentovirhe on suuri liikkeen aikana.