מערכת סרוו ציר ליניארי

מערכות סרוו AC של היום שונות בהרבה מאלה שנבנו אפילו לפני 10 שנים. מעבדים מהירים יותר ומקודדים ברזולוציה גבוהה יותר מאפשרים ליצרנים ליישם התקדמות מדהימה בטכנולוגיית הכוונון. בקרת חיזוי מודל ודיכוי רעידות הם שני התקדמות כאלה שניתן ליישם בהצלחה אפילו במערכות סרוו מורכבות.

כוונון סרוו בכל הנוגע למערכות סרוו AC הוא התאמה של תגובת מערכת הבקרה החשמלית למערכת מכנית מחוברת. מערכת בקרה חשמלית מורכבת מ-PLC או בקר תנועה, ששולח אותות למגבר הסרוו, מה שגורם למנוע הסרוו לגרום למערכת המכנית לנוע.

מנוע הסרוו - מכשיר אלקטרומכני - משמש כמרכיב הקריטי המאחד את שתי המערכות. ניתן לעשות הרבה בתוך מערכת הבקרה החשמלית כדי לחזות את התנהגות המערכת המכנית.

במאמר זה, נחקור שתי טכניקות של טכנולוגיית כוונון סרוו מודרנית - בקרת מודל חיזוי (MPC) ודיכוי רעידות - ואת השיקולים שלהן ברמת היישום.

מהירות מעבד - מהירה מאי פעם

מהירות מעבד מהירה יותר נמצאת בכל מקום, ומגברי סרוו אינם יוצאי דופן. מעבדים שפעם היו חסכוניים בעלות עשו את דרכם לעיצוב מגבר סרוו, מה שמאפשר אלגוריתמי כוונון מורכבים ויעילים יותר. לפני עשר שנים, היה מקובל לראות רוחב פס של 100 או 200 הרץ בלולאת המהירות, בעוד המהירויות של היום יכולות להיות הרבה מעל 1,000 הרץ.

מעבר לפתרון לולאות בקרה, מעבדים מהירים יותר מאפשרים למגברי סרוו לבצע ניתוח בזמן אמת של מומנט, מהירות ומיקום על מנת לגלות מאפייני מכונה שלא ניתן היה לזהות בעבר. מודלים מתמטיים מורכבים ניתנים כעת ליישום חסכוני בתוך מגבר סרוו כדי לנצל את היתרונות של אלגוריתמי בקרת כוונון מתקדמים שחורגים הרבה מעבר לכוונון PID סטנדרטי.

יתרה מכך, מעבד מהיר יותר יכול להתמודד גם עם הנתונים ממקודד ברזולוציה גבוהה יותר, אם כי הרזולוציה המשופרת לא מעניקה למערכת ביצועי מיקום טובים יותר. גורם המיקום המגביל הוא בדרך כלל המערכת המכאנית, לא המקודד - אך מקודד ברזולוציה גבוהה יותר מאפשר למערכת הבקרה לראות תנועות מיקרו במערכת המכאנית שאינן ניתנות לזיהוי עם מקודד ברזולוציה נמוכה יותר. תנועות קטנות אלו הן לרוב תוצאה של רעידות או תהודה, ובמידה וזוהו, הן יכולות לספק נתונים חשובים להבנה, חיזוי ופיצוי על התנהגות המערכת המכנית.

היסודות של שליטה חזויה במודל

בקצרה, בקרת חיזוי מודל משתמשת בפרופיל שנקבע בעבר כדי לחזות מומנט ומהירות עתידיים. אם המהירות והמומנט עבור מהלך מסוים ידועים בערך, אז אין צורך לכפות באופן עיוור את פרופיל התנועה דרך לולאות ה-PID, המגיבות רק לשגיאה. במקום זאת, הרעיון הוא לספק את המהירות והמומנט החזויים כהזנה קדימה ללולאות בקרת הסרוו ולתת ללולאות להגיב לכל שגיאה מינימלית שנותרה.

כדי שזה יעבוד נכון, על המגבר להיות בעל מודל מתמטי תקף של המכונה, המבוסס על מאפיינים כמו אינרציה, חיכוך וקשיחות. לאחר מכן ניתן להזריק את פרופיל המומנט והמהירות של הדגם לתוך לולאות הסרוו, להגברת הביצועים. מודלים אלה משתמשים בפונקציות מתמטיות מורכבות, אך הודות למעבדים מהירים יותר במגבר הסרוו, תעשיית בקרת התנועה מתחילה לראות את יישומם.

למרות היתרונות הרבים שלה, ל- Model Predictive Control יש פשרות: היא עובדת מצוין עבור מיקום מנקודה לנקודה, אבל על חשבון עיכוב בזמן במהלך המהלך. אלמנט הזמן טבוע ב-Model Predictive Control מכיוון שתנועת העבר האחרון משמשת לניבוי התגובה העתידית. בגלל עיכוב זה, ייתכן שלא יעקוב אחר פרופיל הפקודה המדויק מהבקר; במקום זאת, נוצר פרופיל דומה המייצר זמן מיקום מהיר בסוף המהלך.

דיכוי רעידות

אחד ההיבטים השימושיים ביותר של MPC הוא היכולת לדגמן, לחזות ולדכא רטט בתדר נמוך במכונה. רטט יכול להתרחש במכונה בתדרים מהרץ חד ספרתי לאלפי הרץ. רטט בתדר נמוך ב-1 שניות ו-10 של הרץ - המורגש לעתים קרובות בתחילת ובסוף מהלך - מטריד במיוחד מכיוון שהוא נמצא בתדר הפעולה של המכונה.

תצורות מסוימות של ציוד (לדוגמה, מכונה עם זרוע אחיזה ארוכה ודקה) נוטות להפגין תדר תהודה נמוך זה יותר מאחרות. עיצובים מועדים לרטט עשויים להידרש עבור אורך, אולי עבור הכנסת חלק דרך פתח. כמו כן, מועדות לרטט מכונות גדולות, אשר נוטות להיות עשויות מחלקים גדולים המתנדנדים בתדרים נמוכים יותר. עם סוגים אלה של יישומים, תנודה מופיעה במצב מנוע סוף תנועה. טכנולוגיית דיכוי רעידות במגבר הסרוו מפחיתה באופן משמעותי תנודת מכונה כזו.

MPC במערכת סרוו דו-מנוע

היישום של MPC על מפעיל חד ציר הוא פשוט, וסטייה מהפרופיל המצוין המדויק אינה חשובה לתנועה מנקודה לנקודה. עם זאת, כאשר ציר סרוו אחד מקושר מכנית לאחר, פרופילי התנועה שלהם משפיעים זה על זה. מפעיל בורג כדורי בעל מנוע כפול הוא תצורה כזו.

תצורת מנוע כפול זו יכולה להועיל ביישומים גדולים יותר שבהם המומנט הנדרש להאצת הרוטור של המנוע הוא משמעותי ומנוע יחיד וגדול יותר לא יהיה מסוגל לבצע את המומנט והתאוצה הנדרשים. מנקודת מבט של כוונון, הגורם הקריטי הוא ששני מנועי סרוו גדולים יחסית ממקמים עומס כבד ופועלים במומנט ובמהירות כמעט מלאים. אם המנועים הופכים לא מסונכרנים, המומנטים שלהם יתבזבזו על מאבק זה בזה על המיקום. עם זאת, אם הרווחים של שני הסרוו שווים, אזי גם השהיות של בקרת חיזוי דגם שווים והמנועים נשארים מסונכרנים זה עם זה.

השלב הראשון בכוונון אפליקציה כזו הוא להסיר פיזית את אחד המנועים ולכוון את המערכת כרגיל עם מנוע אחד בלבד. מספיק מנוע סרוו אחד לשליטה בציר יציב, אבל אין מספיק מומנט כדי להפעיל את הפרופיל הנדרש. במקרה זה, נעשה שימוש ברצף הכוונון האוטומטי של היצרן, אשר מגדיר פרמטר אינרציה ומאפשר את תכונת בקרת המודל החיזוי. הערה: רווח המערכת שנמצא עם מנוע אחד חייב בסופו של דבר להתחלק שווה בשווה על ידי שני המנועים. פרמטר האינרציה מקל על שלב זה מכיוון שהוא פועל כגורם קנה מידה לרווחי לולאת הסרוו, ולכן הוא מוגדר למחצית מתוצאת הכוונון המקורית בכל מגבר. לאחר מכן ניתן להעתיק את שאר תוצאת הכוונון מציר ראשון לציר שני. ההתאמה הסופית היא להסיר את רכיב האינטגרציה מציר שני - הקצאת המנוע השני את התפקיד של "סיוע בהאצה", והשארת תיקוני האינטגרציה הקטנים למנוע אחד בלבד.

קונספט הכוונון עבור יישום כזה כולל שני שלבים. השלב הראשון הוא לכוון כל ציר בנפרד תוך שימוש בתכונת הכוונון האוטומטי שסופק על ידי היצרן כנקודת התחלה, ולאפשר בקרת מודל חיזוי. דיכוי רעידות מוחל גם. בסופו של שלב זה, לכל ציר יש תגובה נקייה וחלקה עם רטט מינימלי.

בשלב השני, הצירים מופעלים יחד, תוך ניטור השגיאה במהלך "ריצה יבשה" מנקודת מבטו של הבקר. החל עם רווחי MPC שנקבעו כשווים, ניסוי וטעייה יקבעו את ההגדרות הטובות ביותר עבור רווח MPC שמאזן שגיאת מיקום נמוכה, שגיאת מיקום שווה ותנועה חלקה. הרעיון הוא שאם שגיאת המיקום זהה, אז שני הצירים מתעכבים באותו פרק זמן, והחלק נחתך למימדים נכונים למרות שגיאת המיקום גבוהה במהלך התנועה.