Sistema servo dell'asse lineare

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

Servo Sundaing per quanto riguarda i sistemi di servo AC è la regolazione della risposta del sistema di controllo elettrico a un sistema meccanico collegato. Un sistema di controllo elettrico è costituito da un controller di movimento PLC o di movimento, che invia segnali al servo amplificatore, facendo muovere il servomotore.

Il servomotore - un dispositivo elettromeccanico - funge da componente critico che unisce i due sistemi. Molto può essere fatto all'interno del sistema di controllo elettrico per prevedere il comportamento del sistema meccanico.

In questo articolo, esploreremo due tecniche della moderna tecnologia di sintonizzazione del servo-controllo predittivo del modello (MPC) e soppressione delle vibrazioni-e le loro considerazioni a livello di applicazione.

Velocità della CPU - più veloce che mai

La velocità della CPU più veloce è ovunque e gli amplificatori servi non fanno eccezione. Le CPU che un tempo erano proibitive si sono fatte strada nel design dell'amplificatore servo, consentendo algoritmi di sintonizzazione più complessi ed efficaci. Dieci anni fa, era comune vedere larghezza di banda da 100 o 200 Hz nel ciclo di velocità, mentre le velocità di oggi possono essere ben al di sopra di 1.000 Hz.

Oltre a risolvere i loop di controllo, i processori più veloci consentono agli amplificatori servi di eseguire l'analisi in tempo reale di coppia, velocità e posizione per scoprire le proprietà della macchina che in precedenza non potevano essere rilevate. I modelli matematici complessi possono ora essere effettivamente implementati in modo efficace all'interno di un servomole amplificatore per sfruttare gli algoritmi di controllo di sintonia avanzati che vanno ben oltre la messa a punto PID standard.

Inoltre, un processore più veloce può anche gestire i dati da un codificatore a risoluzione più elevata, sebbene la risoluzione migliorata non fornisca al sistema prestazioni di posizionamento migliori. Il fattore di posizionamento limitante è di solito il sistema meccanico, non l'encoder, ma un codificatore a risoluzione più elevata consente al sistema di controllo di vedere micro-movimento nel sistema meccanico non rilevabile con un codificatore a basso risoluzione. Questi piccoli movimenti sono spesso il risultato di vibrazioni o risonanza e, se rilevate, possono fornire dati importanti per la comprensione, la previsione e la compensazione del comportamento del sistema meccanico.

Le basi del controllo predittivo del modello

In breve, il controllo predittivo del modello utilizza il profilo comandato passato per prevedere la coppia e la velocità future. Se la velocità e la coppia per una certa mossa sono approssimativamente note, non è necessario forzare ciecamente il profilo di mossa attraverso i loop PID, che rispondono solo all'errore. Invece, l'idea è quella di fornire la velocità e la coppia previste come alimentazione ai loop di controllo del servo e lasciare che i loop rispondano a qualsiasi errore minimo rimane.

Affinché ciò funzioni correttamente, l'amplificatore deve avere un modello matematico valido della macchina, basato su proprietà come inerzia, attrito e rigidità. Quindi la coppia e il profilo di velocità del modello possono essere iniettati nei loop del servo, per aumentare le prestazioni. Questi modelli utilizzano funzioni matematiche complesse, ma grazie a processori più veloci nell'amplificatore servo, l'industria del controllo del movimento sta iniziando a vedere la loro implementazione.

Nonostante i suoi numerosi benefici, il controllo predittivo del modello ha un compromesso: funziona perfettamente per il posizionamento punto-punto, ma a spese del tempo durante la mossa. L'elemento temporale è inerente al controllo predittivo del modello perché il recente movimento passato viene utilizzato per prevedere la risposta futura. A causa di questo ritardo, il profilo di comando esatto del controller non può essere seguito; Invece, viene generato un profilo simile che produce tempo di posizionamento rapido alla fine della mossa.

Soppressione delle vibrazioni

Uno degli aspetti più utili di MPC è la capacità di modellare, prevedere e sopprimere la vibrazione a bassa frequenza nella macchina. Le vibrazioni possono verificarsi in una macchina a frequenze da Hz a una cifra a migliaia di Hz. Le vibrazioni a bassa frequenza nei 1S e 10 di Hz-spesso evidenti all'inizio e alla fine di una mossa-sono particolarmente problematiche perché è all'interno della frequenza operativa della macchina.

Alcune configurazioni di apparecchiature (ad esempio, una macchina con un braccio a pinza lungo e snello) tendono a mostrare questa frequenza a bassa resonante più di altre. Tali progetti soggetti a vibrazioni possono essere necessari per la lunghezza, forse per inserire una parte attraverso un'apertura. Sono anche incline alle vibrazioni di grandi dimensioni, che tendono ad essere fatte di grandi parti che oscillano a frequenze più basse. Con questi tipi di applicazioni, l'oscillazione appare in posizione motoria di fine-amore. La tecnologia di soppressione delle vibrazioni nel servo amplificatore riduce significativamente tale oscillazione della macchina.

MPC in un servo sistema a doppio motore

L'applicazione di MPC a un attuatore a asse singolo è semplice e la deviazione dal profilo comandato esatto non è importante per il movimento punto-punto. Tuttavia, quando un servo asse è meccanicamente collegato a un altro, i loro profili di movimento si influenzano a vicenda. Un attuatore a sfrenatura a doppio motore è uno di questi 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 sarebbe incapace della coppia e dell'accelerazione richiesta. Da un punto di vista di sintonizzazione, il fattore critico è che due servomotori relativamente grandi stanno posizionando un carico pesante e funzionano a una coppia e velocità quasi a livello completo. Se i motori diventano non sincronizzati, le loro coppie verranno sprecate essenzialmente combattendo l'un l'altro per la posizione. Tuttavia, se i guadagni di entrambi i servos sono uguali, anche i ritardi di controllo predittivi del modello sono uguali e i motori rimangono in sintonia tra loro.

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

Il concetto di accordatura per tale applicazione prevede due fasi. La prima fase è quella di sintonizzare ogni asse singolarmente utilizzando la funzione di frumping automatica fornita dal produttore come punto di partenza e abilitare il controllo predittivo del modello. Viene anche applicata la soppressione delle vibrazioni. Alla fine di questa fase, ogni asse ha una risposta pulita e liscia con vibrazioni minime.

Nella seconda fase, gli assi vengono eseguiti insieme, monitorando l'errore durante una "corsa a secco" dal punto di vista del controller. A partire dai guadagni MPC impostati come uguali, tentativi ed errori determineranno le migliori impostazioni per un guadagno MPC che bilancia un errore a bassa posizione, errore di posizione uguale e movimento regolare. Il concetto è che se l'errore di posizione è lo stesso, entrambi gli assi sono ritardati dello stesso tempo e la parte viene tagliata per correggere le dimensioni anche se l'errore di posizione è elevato durante il movimento.