Système servo d'axe linéaire

Les systèmes d'asservissement AC d'aujourd'hui sont très différents de ceux construits il y a à peine 10 ans. Des processeurs plus rapides et des encodeurs à plus haute résolution permettent aux fabricants de mettre en œuvre des avancées étonnantes en matière de technologie de réglage. Le contrôle prédictif des modèles et la suppression des vibrations sont deux de ces avancées qui peuvent être appliquées avec succès même dans des systèmes d'asservissement complexes.

Le réglage des servos en ce qui concerne les systèmes d'asservissement à courant alternatif est l'ajustement de la réponse du système de commande électrique à un système mécanique connecté. Un système de contrôle électrique se compose d'un PLC ou d'un contrôleur de mouvement, qui envoie des signaux au servoamplificateur, obligeant le servomoteur à faire bouger le système mécanique.

Le servomoteur – un dispositif électromécanique – constitue le composant essentiel unissant les deux systèmes. Beaucoup de choses peuvent être faites au sein du système de commande électrique pour prédire le comportement du système mécanique.

Dans cet article, nous explorerons deux techniques de la technologie moderne de réglage des servos – le contrôle prédictif de modèle (MPC) et la suppression des vibrations – ainsi que leurs considérations au niveau de l'application.

Vitesse du processeur : plus rapide que jamais

Des vitesses de processeur plus rapides sont omniprésentes et les servoamplificateurs ne font pas exception. Les processeurs dont le coût était autrefois prohibitif ont fait leur place dans la conception des servoamplificateurs, permettant des algorithmes de réglage plus complexes et plus efficaces. Il y a dix ans, il était courant de voir une bande passante de 100 ou 200 Hz dans la boucle de vitesse, alors qu'aujourd'hui les vitesses peuvent être bien supérieures à 1 000 Hz.

Au-delà de la résolution des boucles de contrôle, des processeurs plus rapides permettent aux servoamplificateurs d'effectuer une analyse embarquée en temps réel du couple, de la vitesse et de la position afin de découvrir des propriétés de la machine qui ne pouvaient pas être détectées auparavant. Des modèles mathématiques complexes peuvent désormais être implémentés de manière rentable dans un servoamplificateur pour tirer parti d'algorithmes de contrôle de réglage avancés qui vont bien au-delà du réglage PID standard.

De plus, un processeur plus rapide peut également gérer les données d'un encodeur à plus haute résolution, bien que la résolution améliorée n'offre pas au système de meilleures performances de positionnement. Le facteur de positionnement limitant est généralement le système mécanique, pas l'encodeur, mais un encodeur à plus haute résolution permet au système de contrôle de voir des micro-mouvements dans le système mécanique indétectables avec un encodeur à plus faible résolution. Ces petits mouvements sont souvent le résultat de vibrations ou de résonances et, s'ils sont détectés, peuvent fournir des données importantes pour comprendre, prédire et compenser le comportement du système mécanique.

Les bases du contrôle prédictif des modèles

En un mot, Model Predictive Control utilise le profil commandé passé pour prédire le couple et la vitesse futurs. Si la vitesse et le couple pour un certain mouvement sont à peu près connus, il n'est alors pas nécessaire de forcer aveuglément le profil de mouvement à travers les boucles PID, qui répondent uniquement aux erreurs. Au lieu de cela, l'idée est de fournir la vitesse et le couple prévus sous forme de rétroaction aux boucles de servocommande et de laisser les boucles répondre à toute erreur minimale restante.

Pour que cela fonctionne correctement, l'amplificateur doit disposer d'un modèle mathématique valide de la machine, basé sur des propriétés telles que l'inertie, le frottement et la rigidité. Ensuite, le profil de couple et de vitesse du modèle peut être injecté dans les boucles d'asservissement, pour des performances accrues. Ces modèles utilisent des fonctions mathématiques complexes, mais grâce à des processeurs plus rapides dans le servoamplificateur, l'industrie du contrôle de mouvement commence à voir leur mise en œuvre.

Malgré ses nombreux avantages, Model Predictive Control présente un compromis : il fonctionne très bien pour le positionnement point à point, mais au détriment du délai pendant le déplacement. L'élément temporel est inhérent au contrôle prédictif du modèle car le mouvement passé récent est utilisé pour prédire la réponse future. En raison de ce délai, le profil exact des commandes du contrôleur peut ne pas être suivi ; au lieu de cela, un profil similaire est généré, ce qui produit un temps de positionnement rapide à la fin du mouvement.

Suppression des vibrations

L'un des aspects les plus utiles du MPC est la capacité de modéliser, prédire et supprimer les vibrations basse fréquence dans la machine. Des vibrations peuvent se produire dans une machine à des fréquences allant de Hz à un chiffre à plusieurs milliers de Hz. Les vibrations basse fréquence de l'ordre de 1 et 10 Hz, souvent perceptibles au début et à la fin d'un mouvement, sont particulièrement gênantes car elles se situent dans la fréquence de fonctionnement de la machine.

Certaines configurations d'équipement (par exemple, une machine dotée d'un bras de préhension long et mince) ont tendance à présenter cette faible fréquence de résonance plus que d'autres. De telles conceptions sujettes aux vibrations peuvent être nécessaires en termes de longueur, par exemple pour insérer une pièce à travers une ouverture. Les grosses machines sont également sujettes aux vibrations, elles ont tendance à être constituées de grosses pièces oscillant à des fréquences plus basses. Avec ce type d'applications, une oscillation apparaît en position de fin de mouvement du moteur. La technologie de suppression des vibrations dans le servoamplificateur réduit considérablement ces oscillations de la machine.

MPC dans un système d'asservissement à double moteur

L'application du MPC à un actionneur à axe unique est simple et l'écart par rapport au profil exact commandé n'a pas d'importance pour le mouvement point à point. Cependant, lorsqu'un axe d'asservissement est lié mécaniquement à un autre, leurs profils de mouvement s'influencent mutuellement. Un actionneur à vis à billes à double moteur est l'une de ces configurations.

Cette configuration à deux moteurs peut être avantageuse dans les applications plus grandes pour lesquelles le couple requis pour accélérer le rotor du moteur est important et un seul moteur plus gros serait incapable du couple et de l'accélération requis. Du point de vue du réglage, le facteur critique est que deux servomoteurs relativement gros positionnent une charge lourde et fonctionnent presque au couple et à la vitesse nominale maximum. Si les moteurs ne sont plus synchronisés, leurs couples seront gaspillés en se battant les uns contre les autres pour la position. Cependant, si les gains des deux servos sont égaux, alors les retards du Model Predictive Control sont également égaux et les moteurs restent synchronisés les uns avec les autres.

La première étape du réglage d'une application comme celle-ci consiste à retirer physiquement l'un des moteurs et à régler le système comme d'habitude avec un seul moteur. Un servomoteur suffit pour un contrôle stable des axes, mais pas assez de couple pour exécuter le profil requis. Dans ce cas, la séquence de réglage automatique du fabricant est utilisée, qui définit un paramètre d'inertie et active la fonction de contrôle prédictif du modèle. Remarque : Le gain du système trouvé avec un moteur doit finalement être partagé à parts égales par les deux moteurs. Le paramètre d'inertie facilite cette étape car il agit comme un facteur d'échelle pour les gains de la boucle d'asservissement et est donc réglé à la moitié du résultat de réglage d'origine dans chaque amplificateur. Le reste du résultat du réglage peut ensuite être copié de l'axe un vers l'axe deux. L’ajustement final consiste à supprimer le composant d’intégration de l’axe deux – en attribuant au deuxième moteur le rôle d’« aide à l’accélération » et en laissant les petites corrections d’intégration au moteur un seul.

Le concept de réglage pour une telle application comporte deux phases. La première phase consiste à régler chaque axe individuellement en utilisant comme point de départ la fonction de réglage automatique fournie par le fabricant et à activer le contrôle prédictif du modèle. La suppression des vibrations est également appliquée. À la fin de cette phase, chaque axe a une réponse nette et douce avec un minimum de vibrations.

Dans la deuxième phase, les axes fonctionnent ensemble, surveillant l'erreur lors d'un « essai à sec » du point de vue du contrôleur. En commençant par les gains MPC définis comme égaux, des essais et des erreurs détermineront les meilleurs paramètres pour un gain MPC qui équilibre l'erreur de position faible, l'erreur de position égale et la fluidité du mouvement. Le concept est que si l'erreur de position est la même, alors les deux axes sont retardés du même laps de temps et la pièce est découpée aux dimensions correctes même si l'erreur de position est élevée pendant le mouvement.