लीनियर एक्सिस सर्वो सिस्टम

आज के एसी सर्वो सिस्टम 10 साल पहले बने सिस्टम से बहुत अलग हैं। तेज़ प्रोसेसर और उच्च रिज़ॉल्यूशन वाले एनकोडर निर्माताओं को ट्यूनिंग तकनीक में अद्भुत प्रगति करने में सक्षम बना रहे हैं। मॉडल प्रेडिक्टिव कंट्रोल और कंपन दमन ऐसी ही दो उन्नत तकनीकें हैं जिन्हें जटिल सर्वो सिस्टम में भी सफलतापूर्वक लागू किया जा सकता है।

एसी सर्वो सिस्टम के संदर्भ में सर्वो ट्यूनिंग, किसी जुड़े हुए यांत्रिक सिस्टम के लिए विद्युत नियंत्रण प्रणाली की प्रतिक्रिया का समायोजन है। एक विद्युत नियंत्रण प्रणाली में एक पीएलसी या मोशन कंट्रोलर होता है, जो सर्वो एम्पलीफायर को सिग्नल भेजता है, जिससे सर्वोमोटर यांत्रिक सिस्टम को गति प्रदान करता है।

सर्वोमोटर—एक विद्युतयांत्रिक उपकरण—दोनों प्रणालियों को जोड़ने वाला महत्वपूर्ण घटक है। विद्युत नियंत्रण प्रणाली के भीतर यांत्रिक प्रणाली के व्यवहार का पूर्वानुमान लगाने के लिए बहुत कुछ किया जा सकता है।

इस लेख में, हम आधुनिक सर्वो ट्यूनिंग प्रौद्योगिकी की दो तकनीकों - मॉडल प्रेडिक्टिव कंट्रोल (एमपीसी) और कंपन दमन - और उनके अनुप्रयोग-स्तर के विचारों का पता लगाएंगे।

सीपीयू की गति — पहले से कहीं अधिक तेज़

सीपीयू की गति में तेजी हर जगह देखने को मिल रही है, और सर्वो एम्पलीफायर भी इसका अपवाद नहीं हैं। जिन सीपीयू की कीमत कभी बहुत अधिक होती थी, अब उनका उपयोग सर्वो एम्पलीफायर के डिजाइन में होने लगा है, जिससे अधिक जटिल और प्रभावी ट्यूनिंग एल्गोरिदम बनाना संभव हो गया है। दस साल पहले, स्पीड लूप में 100 या 200 हर्ट्ज बैंडविड्थ आम बात थी, जबकि आज इसकी गति 1,000 हर्ट्ज से भी अधिक हो सकती है।

कंट्रोल लूप को हल करने के अलावा, तेज़ प्रोसेसर सर्वो एम्पलीफायरों को टॉर्क, गति और स्थिति का ऑनबोर्ड रीयलटाइम विश्लेषण करने में सक्षम बनाते हैं, जिससे मशीन के उन गुणों का पता लगाया जा सकता है जिन्हें पहले पता नहीं लगाया जा सकता था। अब जटिल गणितीय मॉडलों को सर्वो एम्पलीफायर के भीतर कम लागत में लागू किया जा सकता है, जिससे उन्नत ट्यूनिंग नियंत्रण एल्गोरिदम का लाभ उठाया जा सकता है जो मानक पीआईडी ​​ट्यूनिंग से कहीं आगे जाते हैं।

इसके अलावा, एक तेज़ प्रोसेसर उच्च रिज़ॉल्यूशन वाले एनकोडर से प्राप्त डेटा को भी संभाल सकता है, हालांकि बेहतर रिज़ॉल्यूशन से सिस्टम की स्थिति निर्धारण क्षमता में कोई सुधार नहीं होता। स्थिति निर्धारण में बाधा डालने वाला कारक आमतौर पर यांत्रिक प्रणाली होती है, न कि एनकोडर – लेकिन उच्च रिज़ॉल्यूशन वाला एनकोडर नियंत्रण प्रणाली को यांत्रिक प्रणाली में होने वाली सूक्ष्म हलचलों को देखने में सक्षम बनाता है, जिन्हें निम्न रिज़ॉल्यूशन वाले एनकोडर से नहीं देखा जा सकता। ये छोटी हलचलें अक्सर कंपन या अनुनाद के कारण होती हैं और यदि इनका पता चल जाए, तो ये यांत्रिक प्रणाली के व्यवहार को समझने, उसका पूर्वानुमान लगाने और उसमें सुधार करने के लिए महत्वपूर्ण डेटा प्रदान कर सकती हैं।

मॉडल प्रेडिक्टिव कंट्रोल की मूल बातें

संक्षेप में, मॉडल प्रेडिक्टिव कंट्रोल (PID) पिछले कमांडेड प्रोफाइल का उपयोग करके भविष्य के टॉर्क और गति का अनुमान लगाता है। यदि किसी निश्चित गति के लिए गति और टॉर्क लगभग ज्ञात हों, तो PID लूप्स के माध्यम से गति प्रोफाइल को जबरदस्ती लागू करने की आवश्यकता नहीं है, क्योंकि PID लूप्स केवल त्रुटि पर ही प्रतिक्रिया करते हैं। इसके बजाय, विचार यह है कि अनुमानित गति और टॉर्क को सर्वो कंट्रोल लूप्स को फीड-फॉरवर्ड के रूप में प्रदान किया जाए और लूप्स को बची हुई न्यूनतम त्रुटि पर प्रतिक्रिया करने दिया जाए।

इसके सही ढंग से काम करने के लिए, एम्पलीफायर के पास मशीन का एक मान्य गणितीय मॉडल होना चाहिए, जो जड़त्व, घर्षण और कठोरता जैसे गुणों पर आधारित हो। फिर इस मॉडल के टॉर्क और गति प्रोफ़ाइल को सर्वो लूप में डाला जा सकता है, जिससे प्रदर्शन में वृद्धि होती है। ये मॉडल जटिल गणितीय कार्यों का उपयोग करते हैं, लेकिन सर्वो एम्पलीफायर में तेज़ प्रोसेसर की बदौलत, मोशन कंट्रोल उद्योग में इनका उपयोग शुरू हो रहा है।

मॉडल प्रेडिक्टिव कंट्रोल के कई फायदों के बावजूद, इसमें एक कमी है: यह एक बिंदु से दूसरे बिंदु तक सटीक स्थिति निर्धारण के लिए तो बेहतरीन काम करता है, लेकिन गति के दौरान समय की देरी का कारण बनता है। समय का यह तत्व मॉडल प्रेडिक्टिव कंट्रोल का एक अभिन्न अंग है क्योंकि हाल ही में हुई गति का उपयोग भविष्य की प्रतिक्रिया का अनुमान लगाने के लिए किया जाता है। इस देरी के कारण, नियंत्रक से प्राप्त सटीक कमांड प्रोफाइल का पालन नहीं हो पाता; इसके बजाय, एक समान प्रोफाइल तैयार की जाती है जो गति के अंत में तेजी से स्थिति निर्धारण सुनिश्चित करती है।

कंपन दमन

एमपीसी का एक सबसे उपयोगी पहलू मशीन में निम्न आवृत्ति कंपन का मॉडल बनाने, पूर्वानुमान लगाने और उसे नियंत्रित करने की क्षमता है। मशीन में कंपन एकल-अंकीय हर्ट्ज़ से लेकर हजारों हर्ट्ज़ तक की आवृत्तियों पर हो सकता है। 1 सेकंड और 10 सेकंड हर्ट्ज़ की निम्न आवृत्ति कंपन - जो अक्सर किसी गतिविधि के प्रारंभ और अंत में ध्यान देने योग्य होती है - विशेष रूप से परेशानी का कारण होती है क्योंकि यह मशीन की परिचालन आवृत्ति के भीतर होती है।

कुछ उपकरण विन्यास (उदाहरण के लिए, एक लंबी और पतली ग्रिपर भुजा वाली मशीन) अन्य की तुलना में इस निम्न अनुनाद आवृत्ति को अधिक प्रदर्शित करते हैं। इस प्रकार के कंपन-प्रवण डिज़ाइन लंबाई के लिए आवश्यक हो सकते हैं, शायद किसी भाग को किसी छिद्र से गुजारने के लिए। कंपन के प्रति संवेदनशील बड़ी मशीनें भी होती हैं, जो आमतौर पर बड़े भागों से बनी होती हैं जो निम्न आवृत्तियों पर दोलन करते हैं। इस प्रकार के अनुप्रयोगों में, गति के अंत में मोटर की स्थिति में दोलन दिखाई देता है। सर्वो एम्पलीफायर में कंपन दमन तकनीक इस प्रकार के मशीन दोलन को काफी हद तक कम कर देती है।

दोहरी मोटर सर्वो प्रणाली में एमपीसी

एकल-अक्षीय एक्चुएटर पर एमपीसी का अनुप्रयोग सरल है, और बिंदु-से-बिंदु गति के लिए सटीक कमांडेड प्रोफाइल से विचलन महत्वहीन है। हालांकि, जब एक सर्वो अक्ष यांत्रिक रूप से दूसरे से जुड़ा होता है, तो उनके गति प्रोफाइल एक दूसरे को प्रभावित करते हैं। ड्यूल-मोटर बॉलस्क्रू एक्चुएटर ऐसी ही एक संरचना है।

यह ड्यूल-मोटर कॉन्फ़िगरेशन बड़े अनुप्रयोगों में फायदेमंद हो सकता है, जहाँ मोटर के रोटर को गति देने के लिए आवश्यक टॉर्क काफी अधिक होता है और एक बड़ी मोटर उस टॉर्क और त्वरण को प्रदान करने में सक्षम नहीं होती। ट्यूनिंग के दृष्टिकोण से, महत्वपूर्ण कारक यह है कि दो अपेक्षाकृत बड़े सर्वोमोटर एक भारी भार को स्थिति में ला रहे हैं और लगभग पूर्ण रेटेड टॉर्क और गति पर काम कर रहे हैं। यदि मोटरें असिंक्रनाइज़ हो जाती हैं, तो उनका टॉर्क एक-दूसरे से स्थिति के लिए संघर्ष करने में व्यर्थ हो जाएगा। हालांकि, यदि दोनों सर्वो का लाभ बराबर है, तो मॉडल प्रेडिक्टिव कंट्रोल विलंब भी बराबर होता है और मोटरें एक-दूसरे के साथ सिंक्रनाइज़ रहती हैं।

इस तरह के एप्लिकेशन को ट्यून करने का पहला चरण है, एक मोटर को भौतिक रूप से हटाकर सिस्टम को सामान्य तरीके से केवल एक मोटर के साथ ट्यून करना। स्थिर अक्ष नियंत्रण के लिए एक सर्वोमोटर पर्याप्त है, लेकिन आवश्यक प्रोफ़ाइल चलाने के लिए पर्याप्त टॉर्क नहीं है। इस स्थिति में, निर्माता के ऑटो-ट्यूनिंग अनुक्रम का उपयोग किया जाता है, जो एक जड़त्व पैरामीटर सेट करता है और मॉडल प्रेडिक्टिव कंट्रोल सुविधा को सक्षम बनाता है। ध्यान दें: एक मोटर के साथ प्राप्त सिस्टम गेन को अंततः दोनों मोटरों द्वारा समान रूप से साझा किया जाना चाहिए। जड़त्व पैरामीटर इस चरण को आसान बनाता है क्योंकि यह सर्वो लूप गेन के लिए एक स्केल फैक्टर के रूप में कार्य करता है, और इसलिए इसे प्रत्येक एम्पलीफायर में मूल ट्यूनिंग परिणाम के आधे पर सेट किया जाता है। शेष ट्यूनिंग परिणाम को फिर अक्ष एक से अक्ष दो पर कॉपी किया जा सकता है। अंतिम समायोजन अक्ष दो से एकीकरण घटक को हटाना है - दूसरी मोटर को "त्वरण सहायता" की भूमिका सौंपना, और छोटे एकीकरण सुधारों को केवल मोटर एक पर छोड़ देना।

इस प्रकार के अनुप्रयोग के लिए ट्यूनिंग प्रक्रिया में दो चरण शामिल हैं। पहला चरण है निर्माता द्वारा प्रदान की गई ऑटो-ट्यूनिंग सुविधा का उपयोग करके प्रत्येक अक्ष को व्यक्तिगत रूप से ट्यून करना और मॉडल प्रेडिक्टिव कंट्रोल को सक्षम करना। कंपन दमन भी लागू किया जाता है। इस चरण के अंत में, प्रत्येक अक्ष न्यूनतम कंपन के साथ एक स्पष्ट और सुचारू प्रतिक्रिया देता है।

दूसरे चरण में, दोनों अक्षों को एक साथ चलाया जाता है और नियंत्रक के दृष्टिकोण से "ड्राई रन" के दौरान त्रुटि की निगरानी की जाती है। एमपीसी गेन को बराबर सेट करके, परीक्षण और त्रुटि विधि से एमपीसी गेन की सर्वोत्तम सेटिंग निर्धारित की जाती है जो कम स्थिति त्रुटि, समान स्थिति त्रुटि और सुचारू गति के बीच संतुलन बनाए रखती है। अवधारणा यह है कि यदि स्थिति त्रुटि समान है, तो दोनों अक्षों में समान समय का विलंब होता है, और गति के दौरान स्थिति त्रुटि अधिक होने पर भी भाग को सही आयामों में काटा जाता है।