Sistema servo ad asse lineare

Gli attuali sistemi servo in corrente alternata sono molto diversi da quelli costruiti anche solo 10 anni fa. Processori più veloci ed encoder ad alta risoluzione consentono ai produttori di implementare incredibili progressi nella tecnologia di messa a punto. Il controllo predittivo basato su modelli (MCP) e la soppressione delle vibrazioni sono due di questi progressi che possono essere applicati con successo anche a sistemi servo complessi.

La servo-tuning, in relazione ai sistemi servo a corrente alternata, consiste nella regolazione della risposta del sistema di controllo elettrico a un sistema meccanico collegato. Un sistema di controllo elettrico è costituito da un PLC o da un controllore di movimento, che invia segnali al servoamplificatore, facendo sì che il servomotore aziona il sistema meccanico.

Il servomotore, un dispositivo elettromeccanico, è il componente critico che unisce i due sistemi. Il sistema di controllo elettrico può fare molto per prevedere il comportamento del sistema meccanico.

In questo articolo esploreremo due tecniche della moderna tecnologia di messa a punto dei servocomandi, il controllo predittivo del modello (MPC) e la soppressione delle vibrazioni, e le relative considerazioni a livello applicativo.

Velocità della CPU: più veloce che mai

CPU più veloci sono ovunque, e i servoamplificatori non fanno eccezione. CPU che un tempo erano economicamente proibitive si sono fatte strada nella progettazione di servoamplificatori, consentendo algoritmi di ottimizzazione più complessi ed efficaci. Dieci anni fa, era comune vedere una larghezza di banda di 100 o 200 Hz nel loop di velocità, mentre oggi le velocità possono essere ben superiori a 1.000 Hz.

Oltre a risolvere i loop di controllo, i processori più veloci consentono ai servoamplificatori di eseguire analisi in tempo reale di coppia, velocità e posizione, al fine di scoprire proprietà della macchina che in precedenza non potevano essere rilevate. Modelli matematici complessi possono ora essere implementati in modo economicamente vantaggioso all'interno di un servoamplificatore, sfruttando algoritmi di controllo di ottimizzazione avanzati che vanno ben oltre la sintonizzazione PID standard.

Inoltre, un processore più veloce può gestire anche i dati provenienti da un encoder a risoluzione più elevata, sebbene la risoluzione migliorata non offra al sistema prestazioni di posizionamento migliori. Il fattore limitante nel posizionamento è solitamente il sistema meccanico, non l'encoder, ma un encoder a risoluzione più elevata consente al sistema di controllo di rilevare micromovimenti nel sistema meccanico non rilevabili con un encoder a risoluzione inferiore. Questi piccoli movimenti sono spesso il risultato di vibrazioni o risonanze e, se rilevati, possono fornire dati importanti per comprendere, prevedere e compensare il comportamento del sistema meccanico.

Le basi del controllo predittivo del modello

In sintesi, il Controllo Predittivo del Modello utilizza il profilo comandato in passato per prevedere la coppia e la velocità future. Se la velocità e la coppia per un determinato movimento sono note approssimativamente, non è necessario forzare ciecamente il profilo di movimento attraverso i loop PID, che rispondono solo all'errore. L'idea è invece quella di fornire la velocità e la coppia previste come feed-forward ai loop di controllo del servoazionamento e lasciare che i loop rispondano al minimo errore residuo.

Affinché funzioni correttamente, l'amplificatore deve disporre di un modello matematico valido della macchina, basato su proprietà come inerzia, attrito e rigidità. Il profilo di coppia e velocità del modello può quindi essere iniettato nei loop del servo, per migliorare le prestazioni. Questi modelli utilizzano funzioni matematiche complesse, ma grazie ai processori più veloci integrati nel servoamplificatore, il settore del controllo del movimento sta iniziando a vederne l'implementazione.

Nonostante i suoi numerosi vantaggi, il Controllo Predittivo del Modello presenta un compromesso: funziona benissimo per il posizionamento punto-punto, ma a scapito del ritardo temporale durante lo spostamento. L'elemento temporale è intrinseco al Controllo Predittivo del Modello, poiché il movimento recente viene utilizzato per prevedere la risposta futura. A causa di questo ritardo, il profilo di comando esatto del controller potrebbe non essere seguito; al contrario, viene generato un profilo simile che produce un tempo di posizionamento rapido al termine dello spostamento.

Soppressione delle vibrazioni

Uno degli aspetti più utili dell'MPC è la capacità di modellare, prevedere e sopprimere le vibrazioni a bassa frequenza nella macchina. Le vibrazioni possono verificarsi in una macchina a frequenze che vanno da pochi Hz a migliaia di Hz. Le vibrazioni a bassa frequenza nell'ordine di 1 e 10 Hz, spesso percepibili all'inizio e alla fine di un movimento, sono particolarmente problematiche perché rientrano nella frequenza operativa della macchina.

Alcune configurazioni di apparecchiature (ad esempio, una macchina con un braccio di presa lungo e sottile) tendono a presentare questa bassa frequenza di risonanza più di altre. Tali design soggetti a vibrazioni possono essere necessari per motivi di lunghezza, ad esempio per l'inserimento di un componente attraverso un'apertura. Anche le macchine di grandi dimensioni sono soggette a vibrazioni, poiché tendono a essere costituite da componenti di grandi dimensioni che oscillano a frequenze più basse. In queste applicazioni, l'oscillazione si manifesta nella posizione di fine corsa del motore. La tecnologia di soppressione delle vibrazioni nel servoamplificatore riduce significativamente tali oscillazioni della macchina.

MPC in un sistema servo a doppio motore

L'applicazione dell'MPC a un attuatore monoasse è semplice e la deviazione dall'esatto profilo comandato è irrilevante per il movimento punto-punto. Tuttavia, quando un servoasse è collegato meccanicamente a un altro, i loro profili di movimento si influenzano a vicenda. Un attuatore con vite a sfere a doppio motore è una di queste configurazioni.

Questa configurazione a doppio motore può essere vantaggiosa in applicazioni più grandi, per le quali la coppia richiesta per accelerare il rotore del motore è significativa e un singolo motore di maggiori dimensioni non sarebbe in grado di fornire la coppia e l'accelerazione richieste. Dal punto di vista della messa a punto, il fattore critico è che due servomotori relativamente grandi posizionano un carico pesante e operano quasi a piena coppia e velocità nominali. Se i motori non sono sincronizzati, le loro coppie saranno sprecate, essenzialmente combattendo tra loro per la posizione. Tuttavia, se i guadagni di entrambi i servo sono uguali, anche i ritardi del controllo predittivo del modello sono uguali e i motori rimangono sincronizzati tra loro.

Il primo passo nella messa a punto di un'applicazione come questa è rimuovere fisicamente uno dei motori e mettere a punto il sistema come di consueto con un solo motore. Un servomotore è sufficiente per un controllo stabile dell'asse, ma non fornisce una coppia sufficiente per eseguire il profilo richiesto. In questo caso, viene utilizzata la sequenza di auto-tuning del produttore, che imposta un parametro di inerzia e abilita la funzione di controllo predittivo del modello. Nota: il guadagno del sistema rilevato con un motore deve essere condiviso equamente da entrambi i motori. Il parametro di inerzia semplifica questo passaggio perché funge da fattore di scala per i guadagni del loop del servo, ed è quindi impostato alla metà del risultato di messa a punto originale in ciascun amplificatore. Il resto del risultato di messa a punto può quindi essere copiato dall'asse uno all'asse due. La regolazione finale consiste nel rimuovere il componente di integrazione dall'asse due, assegnando al secondo motore il ruolo di "assistenza all'accelerazione" e lasciando le piccole correzioni di integrazione al solo motore uno.

Il concetto di ottimizzazione per un'applicazione di questo tipo prevede due fasi. La prima fase consiste nell'ottimizzazione di ciascun asse singolarmente, utilizzando la funzione di ottimizzazione automatica fornita dal produttore come punto di partenza, e nell'abilitazione del controllo predittivo del modello (MCP). Viene inoltre applicata la soppressione delle vibrazioni. Al termine di questa fase, ciascun asse presenta una risposta pulita e fluida, con vibrazioni minime.

Nella seconda fase, gli assi vengono fatti funzionare insieme, monitorando l'errore durante una "prova di funzionamento" dal punto di vista del controllore. Partendo da guadagni MPC impostati su valori uguali, si determineranno, per tentativi ed errori, le impostazioni migliori per un guadagno MPC che bilanci un errore di posizione basso, un errore di posizione uguale e un movimento fluido. Il concetto è che se l'errore di posizione è lo stesso, entrambi gli assi subiscono un ritardo pari e il pezzo viene tagliato alle dimensioni corrette, anche se l'errore di posizione è elevato durante il movimento.