Sistema servo ad asse lineare

I moderni sistemi servoassistiti 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 regolazione. Il controllo predittivo basato su modello e la soppressione delle vibrazioni sono due di questi progressi che possono essere applicati con successo anche in sistemi servoassistiti complessi.

La taratura dei servomotori, nel contesto dei sistemi servo in 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 all'amplificatore del servomotore, il quale a sua volta fa muovere il sistema meccanico.

Il servomotore, un dispositivo elettromeccanico, rappresenta il componente critico che unisce i due sistemi. Molte operazioni possono essere eseguite 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 basato su modello (MPC) e la soppressione delle vibrazioni, nonché le relative considerazioni a livello applicativo.

Velocità della CPU: più veloce che mai

La maggiore velocità delle CPU è ormai ovunque, e gli amplificatori servo non fanno eccezione. Le CPU che un tempo erano proibitive in termini di costi sono ora integrate nella progettazione degli amplificatori servo, consentendo l'utilizzo di algoritmi di sintonizzazione più complessi ed efficaci. Dieci anni fa, era comune riscontrare una larghezza di banda di 100 o 200 Hz nel circuito di controllo della velocità, mentre oggi si possono raggiungere velocità ben superiori a 1.000 Hz.

Oltre a risolvere i circuiti di controllo, i processori più veloci consentono agli amplificatori servoassistiti di eseguire analisi in tempo reale a bordo di coppia, velocità e posizione, al fine di scoprire proprietà della macchina che prima non potevano essere rilevate. Modelli matematici complessi possono ora essere implementati in modo economicamente vantaggioso all'interno di un amplificatore servoassistito per sfruttare algoritmi di controllo 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 quest'ultima non si traduca in prestazioni di posizionamento migliori. Il fattore limitante per il 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 basato su modello

In sintesi, il controllo predittivo basato su modello (Model Predictive Control, PID) utilizza il profilo di comando passato per prevedere la coppia e la velocità future. Se la velocità e la coppia per un determinato movimento sono approssimativamente note, non è necessario forzare ciecamente il profilo di movimento attraverso i circuiti PID, che reagiscono solo all'errore. L'idea è invece quella di fornire la velocità e la coppia previste come input anticipato ai circuiti di controllo del servo e lasciare che questi reagiscano all'eventuale errore minimo residuo.

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

Nonostante i suoi numerosi vantaggi, il controllo predittivo basato su modello (Model Predictive Control, MPC) presenta un compromesso: funziona egregiamente per il posizionamento punto-punto, ma a scapito di un ritardo durante il movimento. L'elemento temporale è intrinseco al MPC perché il movimento recente viene utilizzato per prevedere la risposta futura. A causa di questo ritardo, il profilo di comando esatto proveniente dal controllore potrebbe non essere seguito; viene invece generato un profilo simile che produce un tempo di posizionamento rapido al termine del movimento.

Soppressione delle vibrazioni

Uno degli aspetti più utili del controllo predittivo basato su modello (MPC) è la capacità di modellare, prevedere e sopprimere le vibrazioni a bassa frequenza all'interno della 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 manifestare questa bassa frequenza di risonanza più di altre. Tali configurazioni, soggette a vibrazioni, possono essere necessarie per esigenze di lunghezza, ad esempio per inserire un pezzo attraverso un'apertura. Anche le macchine di grandi dimensioni, che tendono ad essere composte da parti voluminose che oscillano a frequenze inferiori, sono soggette a vibrazioni. In questo tipo di applicazioni, le oscillazioni si manifestano nella posizione di fine corsa del motore. La tecnologia di soppressione delle vibrazioni nell'amplificatore servo riduce significativamente tali oscillazioni della macchina.

MPC in un sistema servoassistito a doppio motore

L'applicazione del controllo predittivo basato su modello (MPC) a un attuatore monoasse è semplice e la deviazione dal profilo di movimento comandato è irrilevante per il movimento punto a punto. Tuttavia, quando un asse servo è collegato meccanicamente a un altro, i loro profili di movimento si influenzano reciprocamente. Un attuatore a vite a ricircolo di sfere con doppio motore è un esempio di tale configurazione.

Questa configurazione a doppio motore può risultare vantaggiosa in applicazioni di grandi dimensioni, dove la coppia necessaria per accelerare il rotore del motore è significativa e un singolo motore di maggiore potenza non sarebbe in grado di fornire la coppia e l'accelerazione richieste. Dal punto di vista della taratura, il fattore critico è che due servomotori relativamente grandi posizionano un carico pesante, operando a velocità e coppia quasi nominali. Se i motori si desincronizzano, le loro coppie andranno sprecate, essenzialmente in una sorta di competizione per la posizione. Tuttavia, se i guadagni di entrambi i servomotori sono uguali, anche i ritardi del controllo predittivo basato su modello (Model Predictive Control) saranno uguali e i motori rimarranno sincronizzati.

Il primo passo per la messa a punto di un'applicazione come questa consiste nel rimuovere fisicamente uno dei motori e calibrare il sistema come di consueto con un solo motore. Un servomotore è sufficiente per un controllo stabile degli assi, ma non ha la coppia necessaria per eseguire il profilo richiesto. In questo caso, si utilizza la sequenza di autotaratura del produttore, che imposta un parametro di inerzia e abilita la funzione di controllo predittivo del modello (Model Predictive Control). Nota: il guadagno del sistema trovato con un motore deve essere ripartito equamente tra entrambi i motori. Il parametro di inerzia semplifica questo passaggio perché funge da fattore di scala per i guadagni del circuito di controllo del servomotore e quindi viene impostato a metà del risultato di calibrazione originale in ciascun amplificatore. La parte restante del risultato di calibrazione può quindi essere copiata dall'asse uno all'asse due. La regolazione 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 al solo motore uno.

Il processo di ottimizzazione per un'applicazione di questo tipo si articola in due fasi. La prima fase consiste nell'ottimizzare ciascun asse individualmente, partendo dalla funzione di auto-taratura fornita dal produttore e attivando il controllo predittivo basato su modello (Model Predictive Control). Viene inoltre applicata la soppressione delle vibrazioni. Al termine di questa fase, ciascun asse presenta una risposta precisa e fluida con vibrazioni minime.

Nella seconda fase, gli assi vengono azionati simultaneamente, monitorando l'errore durante una "prova a secco" dal punto di vista del controllore. Partendo con i guadagni MPC impostati in modo uguale, un processo di tentativi ed errori determinerà le impostazioni ottimali per un guadagno MPC che bilanci un basso errore di posizione, un errore di posizione uguale e un 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 il pezzo viene tagliato alle dimensioni corrette anche se l'errore di posizione durante il movimento è elevato.