रैखिक अक्ष सर्वो प्रणाली

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

एसी सर्वो सिस्टम से संबंधित सर्वो ट्यूनिंग, एक संयोजित यांत्रिक प्रणाली के लिए विद्युत नियंत्रण प्रणाली की प्रतिक्रिया का समायोजन है। एक विद्युत नियंत्रण प्रणाली में एक पीएलसी या गति नियंत्रक होता है, जो सर्वो एम्पलीफायर को संकेत भेजता है, जिससे सर्वोमोटर यांत्रिक प्रणाली को गति प्रदान करता है।

सर्वोमोटर - एक विद्युत-यांत्रिक उपकरण - दोनों प्रणालियों को जोड़ने वाले महत्वपूर्ण घटक के रूप में कार्य करता है। विद्युत नियंत्रण प्रणाली के भीतर यांत्रिक प्रणाली के व्यवहार की भविष्यवाणी करने के लिए बहुत कुछ किया जा सकता है।

इस लेख में, हम आधुनिक सर्वो ट्यूनिंग प्रौद्योगिकी की दो तकनीकों - मॉडल पूर्वानुमान नियंत्रण (एमपीसी) और कंपन दमन - और उनके अनुप्रयोग-स्तरीय विचारों का पता लगाएंगे।

सीपीयू की गति - पहले से कहीं अधिक तेज़

तेज़ CPU स्पीड हर जगह मौजूद है, और सर्वो एम्पलीफायर भी इसका अपवाद नहीं हैं। जो CPU कभी महंगे हुआ करते थे, अब सर्वो एम्पलीफायर डिज़ाइन में जगह बना चुके हैं, जिससे ज़्यादा जटिल और प्रभावी ट्यूनिंग एल्गोरिदम संभव हो गए हैं। दस साल पहले, स्पीड लूप में 100 या 200 हर्ट्ज़ बैंडविड्थ देखना आम बात थी, जबकि आज की स्पीड 1,000 हर्ट्ज़ से भी ज़्यादा हो सकती है।

नियंत्रण लूपों को सुलझाने के अलावा, तेज़ प्रोसेसर सर्वो एम्पलीफायरों को टॉर्क, गति और स्थिति का ऑनबोर्ड रीयल-टाइम विश्लेषण करने में सक्षम बनाते हैं ताकि मशीन के उन गुणों का पता लगाया जा सके जिनका पहले पता नहीं लगाया जा सकता था। उन्नत ट्यूनिंग नियंत्रण एल्गोरिदम का लाभ उठाने के लिए, जो मानक PID ट्यूनिंग से कहीं आगे जाते हैं, जटिल गणितीय मॉडलों को अब सर्वो एम्पलीफायर के भीतर लागत प्रभावी ढंग से लागू किया जा सकता है।

इसके अलावा, एक तेज़ प्रोसेसर उच्च रिज़ॉल्यूशन वाले एनकोडर से डेटा को भी संभाल सकता है, हालाँकि बढ़ा हुआ रिज़ॉल्यूशन सिस्टम को बेहतर पोज़िशनिंग प्रदर्शन नहीं देता। पोज़िशनिंग को सीमित करने वाला कारक आमतौर पर यांत्रिक प्रणाली होती है, एनकोडर नहीं - लेकिन एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाला एनकोडर, नियंत्रण प्रणाली को यांत्रिक प्रणाली में सूक्ष्म-गतिविधियों को देखने की अनुमति देता है, जो कम-रिज़ॉल्यूशन वाले एनकोडर से पता नहीं चल पातीं। ये छोटी-छोटी हलचलें अक्सर कंपन या अनुनाद का परिणाम होती हैं और, यदि पता चल जाएँ, तो यांत्रिक प्रणाली के व्यवहार को समझने, भविष्यवाणी करने और उसकी भरपाई करने के लिए महत्वपूर्ण डेटा प्रदान कर सकती हैं।

मॉडल पूर्वानुमान नियंत्रण की मूल बातें

संक्षेप में, मॉडल प्रेडिक्टिव कंट्रोल भविष्य के टॉर्क और गति का अनुमान लगाने के लिए पूर्व में निर्देशित प्रोफ़ाइल का उपयोग करता है। यदि किसी निश्चित चाल के लिए गति और टॉर्क लगभग ज्ञात हैं, तो PID लूप्स के माध्यम से चाल प्रोफ़ाइल को आँख मूँदकर लागू करने की कोई आवश्यकता नहीं है, जो केवल त्रुटि पर प्रतिक्रिया करते हैं। इसके बजाय, विचार यह है कि सर्वो नियंत्रण लूप्स को फीड-फ़ॉरवर्ड के रूप में अनुमानित गति और टॉर्क प्रदान किया जाए और लूप्स को शेष बची न्यूनतम त्रुटि पर प्रतिक्रिया करने दिया जाए।

इसके सही ढंग से काम करने के लिए, एम्पलीफायर में जड़त्व, घर्षण और कठोरता जैसे गुणों पर आधारित मशीन का एक मान्य गणितीय मॉडल होना चाहिए। फिर बेहतर प्रदर्शन के लिए मॉडल के टॉर्क और गति प्रोफ़ाइल को सर्वो लूप्स में डाला जा सकता है। ये मॉडल जटिल गणितीय फलनों का उपयोग करते हैं, लेकिन सर्वो एम्पलीफायर में तेज़ प्रोसेसर की बदौलत, गति नियंत्रण उद्योग में इनका कार्यान्वयन शुरू हो गया है।

इसके अनेक लाभों के बावजूद, मॉडल प्रेडिक्टिव कंट्रोल में एक समझौता है: यह बिंदु-से-बिंदु पोजिशनिंग के लिए बहुत अच्छा काम करता है, लेकिन चाल के दौरान समय विलंब की कीमत पर। मॉडल प्रेडिक्टिव कंट्रोल में समय तत्व अंतर्निहित है क्योंकि हाल ही में हुई गतिविधि का उपयोग भविष्य की प्रतिक्रिया का अनुमान लगाने के लिए किया जाता है। इस विलंब के कारण, नियंत्रक से प्राप्त सटीक कमांड प्रोफ़ाइल का पालन नहीं हो पाता; इसके बजाय, एक समान प्रोफ़ाइल उत्पन्न होती है जो चाल के अंत में तेज़ पोजिशनिंग समय उत्पन्न करती है।

कंपन दमन

एमपीसी का एक सबसे उपयोगी पहलू मशीन में कम आवृत्ति वाले कंपन का मॉडल बनाने, पूर्वानुमान लगाने और उसे दबाने की क्षमता है। मशीन में कंपन एकल-अंकीय हर्ट्ज़ से लेकर हज़ारों हर्ट्ज़ तक की आवृत्तियों पर हो सकता है। 1 और 10 हर्ट्ज़ के बीच कम आवृत्ति का कंपन—जो अक्सर किसी गतिविधि के आरंभ और अंत में महसूस होता है—विशेष रूप से परेशानी का कारण बनता है क्योंकि यह मशीन की ऑपरेटिंग आवृत्ति के भीतर होता है।

कुछ उपकरण विन्यास (उदाहरण के लिए, लंबी और पतली ग्रिपर आर्म वाली मशीन) अन्य की तुलना में इस निम्न-अनुनाद आवृत्ति को अधिक प्रदर्शित करते हैं। ऐसे कंपन-प्रवण डिज़ाइनों की लंबाई की आवश्यकता हो सकती है, शायद किसी छिद्र में किसी पुर्ज़े को डालने के लिए। बड़ी मशीनें भी कंपन के प्रति संवेदनशील होती हैं, जो आमतौर पर बड़े पुर्ज़ों से बनी होती हैं जो कम आवृत्तियों पर दोलन करते हैं। इस प्रकार के अनुप्रयोगों में, गति के अंत में मोटर की स्थिति में दोलन होता है। सर्वो एम्पलीफायर में कंपन दमन तकनीक ऐसी मशीन के दोलन को काफी कम कर देती है।

दोहरे मोटर सर्वो प्रणाली में MPC

एकल-अक्षीय एक्चुएटर पर MPC का अनुप्रयोग सरल है, और बिंदु-से-बिंदु गति के लिए सटीक निर्देशित प्रोफ़ाइल से विचलन महत्वहीन है। हालाँकि, जब एक सर्वो अक्ष को यांत्रिक रूप से दूसरे से जोड़ा जाता है, तो उनकी गति प्रोफ़ाइल एक-दूसरे को प्रभावित करती हैं। एक द्वि-मोटर बॉलस्क्रू एक्चुएटर ऐसा ही एक विन्यास है।

यह द्वि-मोटर विन्यास बड़े अनुप्रयोगों में लाभप्रद हो सकता है जहाँ मोटर के रोटर को त्वरित करने के लिए आवश्यक टॉर्क महत्वपूर्ण होता है और एक बड़ी मोटर आवश्यक टॉर्क और त्वरण प्रदान करने में असमर्थ होगी। ट्यूनिंग के दृष्टिकोण से, महत्वपूर्ण कारक यह है कि दो अपेक्षाकृत बड़ी सर्वोमोटर एक भारी भार को स्थिति में रख रही हैं, और लगभग पूर्ण रेटेड टॉर्क और गति पर कार्य कर रही हैं। यदि मोटरें असंगत हो जाती हैं, तो उनके टॉर्क अनिवार्य रूप से स्थिति के लिए एक-दूसरे से लड़ने में व्यर्थ हो जाएँगे। हालाँकि, यदि दोनों सर्वो के लाभ समान हैं, तो मॉडल प्रेडिक्टिव कंट्रोल विलंब भी समान होते हैं और मोटरें एक-दूसरे के साथ सिंक्रोनाइज़्ड रहती हैं।

इस तरह के किसी अनुप्रयोग को ट्यून करने का पहला चरण किसी एक मोटर को भौतिक रूप से निकालना और सिस्टम को हमेशा की तरह केवल एक मोटर से ट्यून करना है। स्थिर अक्ष नियंत्रण के लिए एक सर्वोमोटर पर्याप्त है, लेकिन आवश्यक प्रोफ़ाइल को चलाने के लिए पर्याप्त टॉर्क नहीं। 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 करता है। नोट: एक मोटर से प्राप्त सिस्टम लाभ अंततः दोनों मोटरों द्वारा समान रूप से साझा किया जाना चाहिए। जड़त्व पैरामीटर इस चरण को आसान बनाता है क्योंकि यह सर्वो लूप लाभ 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 सहायक" की भूमिका सौंपना, और छोटे एकीकरण सुधारों को केवल मोटर एक पर छोड़ना।

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

दूसरे चरण में, अक्षों को एक साथ चलाया जाता है, नियंत्रक के दृष्टिकोण से "ड्राई रन" के दौरान त्रुटि की निगरानी की जाती है। एमपीसी लाभ को समान रूप से सेट करके, परीक्षण और त्रुटि से एमपीसी लाभ के लिए सर्वोत्तम सेटिंग्स निर्धारित की जाती हैं जो निम्न स्थिति त्रुटि, समान स्थिति त्रुटि और सुचारू गति को संतुलित करती हैं। अवधारणा यह है कि यदि स्थिति त्रुटि समान है, तो दोनों अक्षों में समान समय की देरी होती है, और भाग को सही आयामों में काटा जाता है, भले ही गति के दौरान स्थिति त्रुटि अधिक हो।