Servosistema ad asse lineare

I servosistemi CA di oggi sono molto diversi da quelli costruiti anche 10 anni fa. Processori più veloci ed encoder a risoluzione più elevata consentono ai produttori di implementare incredibili progressi nella tecnologia di ottimizzazione. Il controllo predittivo del modello e la soppressione delle vibrazioni sono due di questi progressi che possono essere applicati con successo anche in servosistemi complessi.

La regolazione del servo per quanto riguarda i servosistemi CA è la regolazione della risposta del sistema di controllo elettrico a un sistema meccanico collegato. Un sistema di controllo elettrico è costituito da un PLC o controller di movimento, che invia segnali al servoamplificatore, facendo sì che il servomotore faccia muovere il sistema meccanico.

Il servomotore, un dispositivo elettromeccanico, funge da componente critico che unisce i due sistemi. Si può fare molto all’interno del sistema di controllo elettrico per prevedere il comportamento del sistema meccanico.

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

Velocità della CPU: più veloce che mai

La maggiore velocità della CPU è ovunque e i servoamplificatori non fanno eccezione. Le CPU che una volta avevano costi proibitivi si sono fatte strada nella progettazione dei servoamplificatori, consentendo algoritmi di ottimizzazione più complessi ed efficaci. Dieci anni fa, era comune vedere una larghezza di banda di 100 o 200 Hz nell'anello di velocità, mentre le velocità di oggi possono essere ben superiori a 1.000 Hz.

Oltre a risolvere i circuiti di controllo, i processori più veloci consentono ai servoamplificatori di eseguire analisi in tempo reale integrate di coppia, velocità e posizione al fine di scoprire proprietà della macchina che in precedenza non potevano essere rilevate. È ora possibile implementare modelli matematici complessi in modo economicamente vantaggioso all'interno di un servoamplificatore per sfruttare gli algoritmi avanzati di controllo della sintonizzazione che vanno ben oltre la sintonizzazione PID standard.

Inoltre, un processore più veloce può anche gestire i dati provenienti da un codificatore a risoluzione più elevata, sebbene la risoluzione migliorata non offra al sistema prestazioni di posizionamento migliori. Il fattore di posizionamento limitante è solitamente il sistema meccanico, non l'encoder, ma un encoder a risoluzione più elevata consente al sistema di controllo di vedere 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 poche parole, 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 del movimento attraverso gli anelli PID, che rispondono solo all'errore. Invece, l'idea è quella di fornire la velocità e la coppia previste come feed-forward ai circuiti di servocontrollo e lasciare che i circuiti rispondano a qualsiasi errore minimo rimasto.

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

Nonostante i suoi numerosi vantaggi, il Model Predictive Control presenta un compromesso: funziona benissimo per il posizionamento punto a punto, ma a scapito del ritardo temporale durante lo spostamento. L'elemento temporale è inerente al controllo predittivo del modello poiché il movimento passato recente viene utilizzato per prevedere la risposta futura. A causa di questo ritardo, è possibile che non venga seguito l'esatto profilo di comando proveniente dal controller; viene invece generato un profilo simile che produce un tempo di posizionamento rapido alla fine del movimento.

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. In una macchina possono verificarsi vibrazioni a frequenze che vanno da Hz a una cifra fino a migliaia di Hz. Le vibrazioni a bassa frequenza nell'ordine di 1 e 10 Hz, spesso evidenti all'inizio e alla fine di un movimento, sono particolarmente problematiche perché rientrano nella frequenza operativa della macchina.

Alcune configurazioni dell'apparecchiatura (ad esempio, una macchina con un braccio di presa lungo e sottile) tendono a mostrare questa bassa frequenza di risonanza più di altre. Tali progetti soggetti a vibrazioni potrebbero essere necessari per la lunghezza, magari per l'inserimento di una parte attraverso un'apertura. Sono soggette a vibrazioni anche le macchine di grandi dimensioni, che tendono ad essere costituite da parti grandi che oscillano a frequenze più basse. Con questi tipi di applicazioni l'oscillazione si manifesta nella posizione di fine movimento del motore. La tecnologia di soppressione delle vibrazioni nel servoamplificatore riduce significativamente tali oscillazioni della macchina.

MPC in un servosistema a doppio motore

L'applicazione dell'MPC ad un attuatore ad asse singolo è semplice e la deviazione dall'esatto profilo comandato non è importante per il movimento punto a punto. Tuttavia, quando un servoasse è collegato meccanicamente a un altro, i rispettivi profili di movimento si influenzano a vicenda. Un attuatore con vite a ricircolo di 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 più grande non sarebbe in grado di fornire la coppia e l'accelerazione richieste. Da un punto di vista della messa a punto, il fattore critico è che due servomotori relativamente grandi posizionano un carico pesante e funzionano quasi alla massima coppia e velocità nominali. Se i motori non sono sincronizzati, le loro coppie verranno 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 per mettere a punto un'applicazione come questa è rimuovere fisicamente uno dei motori e mettere a punto il sistema come al solito con un solo motore. Un servomotore è sufficiente per un controllo stabile dell'asse, ma la coppia non è sufficiente per eseguire il profilo richiesto. In questo caso, viene utilizzata la sequenza di autotuning del produttore, che imposta un parametro di inerzia e abilita la funzionalità di controllo predittivo del modello. Nota: il guadagno del sistema riscontrato con un motore deve essere condiviso equamente da entrambi i motori. Il parametro di inerzia rende questo passaggio semplice perché agisce come un fattore di scala per i guadagni del circuito servo, e quindi è impostato sulla metà del risultato di sintonia originale in ciascun amplificatore. Il resto del risultato dell'ottimizzazione può quindi essere copiato dall'asse uno all'asse due. L'aggiustamento finale consiste nel rimuovere la componente di integrazione dall'asse due, assegnando al secondo motore il ruolo di "assistenza all'accelerazione" e lasciando le piccole correzioni di integrazione solo al motore uno.

Il concetto di ottimizzazione per tale applicazione prevede due fasi. La prima fase consiste nel mettere a punto ciascun asse individualmente utilizzando la funzionalità di ottimizzazione automatica fornita dal produttore come punto di partenza e abilitare il controllo predittivo del modello. Viene applicata anche la soppressione delle vibrazioni. Al termine di questa fase, ciascun asse ha una risposta pulita e fluida con vibrazioni minime.

Nella seconda fase, gli assi vengono fatti funzionare insieme, monitorando l'errore durante un “dry run” dal punto di vista del controllore. Partendo con i guadagni MPC impostati come uguali, tentativi ed errori determineranno le migliori impostazioni per un guadagno MPC che bilanci l'errore di posizione basso, l'errore di posizione uguale e il movimento fluido. Il concetto è che se l'errore di posizione è lo stesso, entrambi gli assi vengono ritardati della stessa quantità di tempo e la parte viene tagliata alle dimensioni corrette anche se l'errore di posizione è elevato durante il movimento.