선형 축 서보 시스템

오늘날의 AC 서보 시스템은 10 년 전도 건축 된 제품과는 크게 다릅니다. 더 빠른 프로세서와 고해상도 인코더를 통해 제조업체는 튜닝 기술의 놀라운 발전을 구현할 수 있습니다. 모델 예측 제어 및 진동 억제는 복잡한 서보 시스템에서도 성공적으로 적용될 수있는 두 가지 진보입니다.

AC 서보 시스템과 관련된 서보 튜닝은 연결된 기계 시스템에 대한 전기 제어 시스템 응답을 조정하는 것입니다. 전기 제어 시스템은 PLC 또는 모션 컨트롤러로 구성되며, 이는 서보 증폭기에 신호를 보내어 서류 모터가 기계 시스템을 움직입니다.

전자 기계 장치 인 Servomotor는 두 시스템을 통합하는 중요한 구성 요소 역할을합니다. 기계 시스템의 거동을 예측하기 위해 전기 제어 시스템 내에서 많은 것을 수행 할 수 있습니다.

이 기사에서는 최신 서보 튜닝 기술의 두 가지 기술인 모델 예측 제어 (MPC)와 진동 억제와 응용 프로그램 수준 고려 사항을 탐구합니다.

CPU 속도 - 그 어느 때보 다 빠릅니다

더 빠른 CPU 속도는 어디에나 있으며 서보 앰프도 예외는 아닙니다. 한때 비용이 금지 된 CPU는 서보 앰프 설계로 향하여보다 복잡하고 효과적인 튜닝 알고리즘을 허용했습니다. 10 년 전, 스피드 루프에서 100 또는 200Hz 대역폭을 보는 것이 일반적 이었지만 오늘날의 속도는 1,000Hz 이상일 수 있습니다.

제어 루프를 해결하는 것 외에도 더 빠른 프로세서를 사용하면 서보 앰프가 토크, 속도 및 위치의 실시간 분석을 수행하여 이전에 감지 할 수 없었던 기계 특성을 발견 할 수 있습니다. 복잡한 수학적 모델은 이제 표준 PID 튜닝을 넘어선 고급 튜닝 제어 알고리즘을 활용하기 위해 서보 앰프 내에서 효과적으로 구현할 수 있습니다.

또한, 더 빠른 프로세서는 더 높은 해상도 인코더의 데이터를 처리 할 수 ​​있지만, 향상된 해상도는 시스템에 더 나은 포지셔닝 성능을 제공하지는 않습니다. 제한 위치 요인은 일반적으로 인코더가 아닌 기계적 시스템이지만, 고해상도 인코더는 제어 시스템이 저해상도 인코더로 메커니즘 시스템에서 미세 운동을 볼 수있게합니다. 이러한 작은 움직임은 종종 진동이나 공명의 결과이며, 감지 된 경우 기계 시스템의 행동을 이해, 예측 및 보상하기위한 중요한 데이터를 제공 할 수 있습니다.

모델 예측 제어의 기초

간단히 말해서, 모델 예측 제어는 과거 명령 프로파일을 사용하여 미래의 토크와 속도를 예측합니다. 특정 이동의 속도와 토크가 대략 알려진 경우 PID 루프를 통해 이동 프로파일을 맹목적으로 강제 할 필요가 없으며, 이는 오류에만 응답합니다. 대신, 아이디어는 서보 컨트롤 루프에 대한 피드 포워드로 예측 된 속도와 토크를 공급하고 루프가 최소한의 오류가 남아있는 것에 반응하도록하는 것입니다.

이를 올바르게 작동하려면 앰프는 관성, 마찰 및 강성과 같은 속성을 기반으로 기계의 유효한 수학적 모델을 가져야합니다. 그런 다음 성능 향상을 위해 모델의 토크 및 속도 프로파일을 서보 루프에 주입 할 수 있습니다. 이 모델은 복잡한 수학적 기능을 사용하지만 서보 증폭기의 더 빠른 프로세서 덕분에 모션 제어 산업은 구현을보기 시작했습니다.

많은 이점에도 불구하고 Model Predictive Control에는 트레이드 오프가 있습니다. 포인트 간 포지셔닝에는 적합하지만 이동 중 시간 지연이 희생됩니다. 시간 요소는 최근 과거의 움직임이 미래의 반응을 예측하는 데 사용되기 때문에 모델 예측 제어에 내재되어 있습니다. 이 지연으로 인해 컨트롤러의 정확한 명령 프로파일을 따르지 않을 수 있습니다. 대신, 이동이 끝날 때 빠른 포지셔닝 시간을 생성하는 유사한 프로파일이 생성됩니다.

진동 억제

MPC의 가장 유용한 측면 중 하나는 기계에서 저주파 진동을 모델링, 예측 및 억제하는 기능입니다. 진동은 단일 자릿수 HZ에서 수천 Hz로 주파수에서 기계에서 발생할 수 있습니다. HZ의 1과 10의 저주파 진동 (종종 움직임의 시작과 끝에서 눈에 띄는 경우)은 기계의 작동 주파수 내에 있기 때문에 특히 문제가됩니다.

특정 장비 구성 (예 : 길고 날씬한 그리퍼 암이있는 기계)은 다른 저자 주파수보다 다른 주파수를 더 많이 나타내는 경향이 있습니다. 이러한 진동이 발생하기 쉬운 설계는 길이에 필요할 수 있으며, 아마도 개구부를 통해 부품을 삽입하기 위해서는 필요할 수 있습니다. 또한 진동하기 쉽습니다. 큰 기계는 큰 기계로, 낮은 주파수에서 진동하는 큰 부품으로 만들어지는 경향이 있습니다. 이러한 유형의 응용 프로그램을 사용하면 발동이 끝나는 모터 위치에 나타납니다. 서보 증폭기의 진동 억제 기술은 이러한 기계 진동을 크게 줄입니다.

듀얼 모터 서보 시스템의 MPC

단일 축 액추에이터에 MPC를 적용하는 것은 간단하며 정확한 명령 프로파일과의 편차는 포인트 간 동작에 중요하지 않습니다. 그러나 한 서보 축이 기계적으로 다른 서보 축에 연결되면 동작 프로파일이 서로 영향을 미칩니다. 듀얼 모터 볼 스크류 액추에이터는 그러한 구성 중 하나입니다.

이 듀얼 모터 구성은 모터의 로터를 가속하는 데 필요한 토크가 중요하며 단일 더 큰 모터가 필요한 토크와 가속을 불가능하게하는 더 큰 응용 분야에서 유리할 수 있습니다. 튜닝 관점에서 볼 때 중요한 요소는 비교적 큰 두 개의 서보 모터가 무거운 하중을 배치하고 거의 전체 등급의 토크와 속도로 작동한다는 것입니다. 모터가 동기화되지 않으면, 그들의 토크는 본질적으로 위치를 위해 서로 싸우는 데 낭비됩니다. 그러나 두 서보의 이익이 동일하면 모델 예측 제어 지연도 같고 모터는 서로 동기화됩니다.

이와 같은 애플리케이션을 조정하는 첫 번째 단계는 모터 중 하나를 물리적으로 제거하고 하나의 모터로 평소와 같이 시스템을 조정하는 것입니다. 하나의 서류 모터는 안정적인 축 제어에 충분하지만 필요한 프로파일을 실행하기에 충분한 토크는 없습니다. 이 경우 제조업체의 자동 조정 시퀀스가 ​​사용되며, 이는 관성 매개 변수를 설정하고 모델 예측 제어 기능을 활성화합니다. 참고 : 하나의 모터에서 발견 된 시스템 게인은 궁극적으로 두 모터에 의해 동일하게 공유되어야합니다. 관성 매개 변수는이 단계가 서보 루프 이득의 스케일 계수 역할을하므로 각 앰프에서 원래 튜닝 결과의 절반으로 설정되기 때문에 쉽게 만들어집니다. 그런 다음 튜닝 결과의 나머지 부분은 축 1에서 축 2까지 복사 할 수 있습니다. 최종 조정은 Axis 2에서 통합 구성 요소를 제거하는 것입니다. 두 번째 모터에 "가속 보조"역할을 할당하고 작은 통합 수정을 모터 1에만 남겨 두는 것입니다.

이러한 응용 프로그램의 튜닝 개념에는 두 단계가 포함됩니다. 첫 번째 단계는 제조업체의 제공된 자동 조정 기능을 시작점으로 사용하여 각 축을 개별적으로 조정하고 모델 예측 제어를 활성화하는 것입니다. 진동 억제도 적용됩니다. 이 단계가 끝나면 각 축은 최소한의 진동으로 깨끗하고 부드러운 반응을 보입니다.

두 번째 단계에서는 축이 함께 실행되어 컨트롤러의 관점에서 "드라이 런"동안 오류를 모니터링합니다. MPC 이득을 동일하게 설정하면 시행 착오로 시작하면 MPC 게인에 대한 최상의 설정이 낮은 위치 오류, 동일한 위치 오류 및 부드러운 동작의 균형을 결정합니다. 개념은 위치 오류가 동일하면 동일한 시간에 따라 두 축 모두 지연되고 동작 중에 위치 오류가 높더라도 부분을 수정하기 위해 부품이 절단된다는 것입니다.